本電路能夠?qū)崿F(xiàn)自動識別電阻電感電容，并對它們的阻抗值進行測量。當分別接入電阻電感電容時，對應(yīng)的小燈泡會發(fā)光，指示使用者查看相應(yīng)的萬用表。電阻測量范圍為0.1 - 1k歐姆，電容測量范圍為0.1u - 100u，電感測量范圍為100u~100m，若允許調(diào)節(jié)電位器，則測量范圍將會更大。電路可分為元件類型識別和元件數(shù)值測量兩部分。

　　元件識別部分運用了信號分析的思想，根據(jù)電阻電感電容兩端電壓具有固定相位差的原理，將待測元件與一個一千歐的參考電阻串聯(lián)，將二者兩端電壓通過相乘器相乘，根據(jù)相乘結(jié)果中有無直流分量以及直流分量的正負判斷元件類型。將相乘后的結(jié)果通過一個低通濾波器，若原結(jié)果中含有直流分量和交流分量，則濾波器會將交流分量濾除，輸出一個較大的直流分量。使用比較器、74LS138、小燈等元件輔助元件類型判斷。

　　數(shù)值測量部分，對于電感和電容，使串聯(lián)的電阻與待測元件兩端的信號通過放大器和整流濾波電路將交流量轉(zhuǎn)化為直流量后，根據(jù)歐姆定律通過除法器計算出相應(yīng)的值。對于電阻，直接將電阻與參考電阻兩端電壓相除，由于二者相位完全相同，相除的結(jié)果為比較穩(wěn)定的直流量，再通過一個穩(wěn)壓電路就可以獲得非常精確的電阻數(shù)值。

　　關(guān)鍵詞：相干解調(diào) 相位分析 全自動測量 整流濾波電路 電感電阻電容

　　1 設(shè)計要求

　　未使用單片機;

　　測量電阻范圍：0.1Ω～1KΩ;

　　測量電感范圍：100μH～100mH;

　　測量電容范圍： 0.1μF～100μF;

　　測量的電阻、電感數(shù)值可直接在直流數(shù)字電壓表上顯示;

　　具有自動識別電阻、電感元件的功能;

　　測量儀電路可在Multisim軟件上進行仿真、演示。

　　注：若允許調(diào)節(jié)變壓器，則可以測量更大范圍內(nèi)的元件數(shù)值

　　2 整體方案設(shè)計流程圖

　　電路流程圖及整體電路圖如圖所示，流程圖省略了各部件間的電壓跟隨器。

　　圖2.1元件識別電路部分流程圖

　　圖2.2 測量電路流程圖

　　圖2.3 整體電路圖

　　3模塊電路設(shè)計

　　3.1 元件識別電路設(shè)計

　　以正弦波作為信號源，將待測元件與參考電阻串聯(lián)，通過相乘器和移相電路的分析，判斷待測元件類型。該部分包含兩種相乘電路、低通濾波電路、移向電路、邏輯分析電路等。

　　3.1.1 未移相相乘電路

　　待測元件為電阻時，設(shè)參考電阻兩端電壓為 msin(wt) ,則可設(shè)待測元件兩端電壓為 nsin(wt) ， 將二者電壓通過相乘器相乘得到的結(jié)果則為 mn2-cos(2wt)2 ，經(jīng)過一個低通濾波器后，交流分量將被濾除至接近0，只剩下直流分量 mn2.

　　待測元件為電感或電容時，可設(shè)其兩端電壓為 ±ncos(wt)，則與參考電阻電壓相乘的結(jié)果為 ± sin(2wt)2 ，通過低通濾波器后該分量將接近于0，兩種情況的波形如圖所示(電容波形和電感類似，只是濾波后的正負不同)。

　　3.1.2 移相九十度相乘電路

　　該電路與3.1.1電阻元件相乘電路基本相同，只是相乘前需要先使參考電阻兩端電壓通過一個 90°的移相電路。相乘后的結(jié)果與3.1.1電路相反，若待測元件為電阻，相乘結(jié)果為接近于0的直流分量，若為電感，結(jié)果為負的直流分量，若為電容，則為正的直流分量。移向電路如圖所示。

　　圖3.3 90°移相電路

　　根據(jù)虛短虛短及其他電路知識可得：

　　ui-1jwC4I1=R6I2

　　ui-1jwC4I1=R1I1

　　uo-ui=-(R6+R5)I2

　　聯(lián)立三式可得：uo+ui1-2116jwC4+1=0 ,當 C4 取1nF,R1取16kΩ時,uo=-jui

　　3.1.3 邏輯分析電路

　　上述兩個相乘電路將得到來自電阻電感電容的三個輸出，取三個比較器，一個比較器“+”極接電阻輸出，“-”極接電感輸出，記為A;一個比較器“+”極接電感輸出，“-”極接電阻輸出，記為B;一個比較器“+”極接電容輸出，“-”極接電阻輸出，記為C.三個比較器輸出結(jié)果記為A,B,C，根據(jù)其真值表通過74138輔助識別元件，并使相應(yīng)的小燈泡亮。其真值表如表3.1所示。

　　3.1.4 識別結(jié)果分析

　　分別放置電阻電感電容，發(fā)現(xiàn)該電路識別效果較好，得益于比較器和74138的輔助作用，即使元件數(shù)值相差極大，也能成功的識別元件種類。測量結(jié)果如圖所示，放置電阻時，藍燈亮，放置電感時，橙燈亮，放置電容時，綠燈亮，可根據(jù)亮燈情況查看相應(yīng)的直流電表。

　　圖3.6 放置電阻時亮燈情況圖

　　3.2 數(shù)值測量電路

　　3.2.1 電容電感測值電路

　　3.2.1.1 測量原理

　　運用串聯(lián)分壓的原理測量元件的阻抗值：對電容：UxU1=1jwC1R4 , 變換后可得：C=U12πfR4Ux ;

　　對電感：UxU1=jwLR4 ，變換后可得：L=UxU12πfR4 . 使待測元件和參考電阻兩端的電壓信號放大后通過橋式整流濾波電路得到穩(wěn)定的直流量，并通過調(diào)整除法器的K值進行計算得到代表元件阻抗值的直流電壓值，由直流電表讀出。

　　3.2.1.2 硬件電路設(shè)計

　　除法電路如圖所示，根據(jù)虛短及相關(guān)電路知識可得：

　　uo=-R37R38ui1 , uo=Kuoui1，聯(lián)立兩式可得除法輸出電壓 uo=-R37KR38ui1ui2 , 其中K為乘法器的參數(shù)。乘法器原理不再贅述，調(diào)整合適的K值就能使輸出電壓的值等于相應(yīng)元件的值。

　　在本電路中測量電容時，K=Au2Au12πfR4≈ 9.2 測量電感時，K=Au1Au22πfR4 ≈ 6.28，其中，Au1和Au2 分別為待測元件和參考電阻兩端的電壓放大倍數(shù)。

　　圖3.7 除法電路圖

　　同時，考慮到橋式整流濾波電路輸出的直流電壓值與其內(nèi)電容串聯(lián)的電阻值有關(guān)，阻值越大，電容放電越慢，當該電阻足夠大時，輸出的直流電壓值前面系數(shù)將趨近于1.2，在本電路中該電阻值取決于除法器內(nèi)的兩個電阻R38和R37，如果在整流濾波電路后直接串聯(lián)電壓跟隨器，雖然可以使輸出直流電壓倍數(shù)穩(wěn)定，但是除法器的除法系數(shù)將發(fā)生復(fù)雜難以計算的改變，因此本電路選擇將兩個電阻調(diào)至500kΩ，在不影響除法器倍數(shù)的前提下穩(wěn)定了直流輸出倍數(shù)。該部分電路圖如圖所示。

　　另外，當電容電感兩端電壓較低時，橋式整流濾波電路中二極管的分壓將不可忽略，因此在仿真文件中筆者對該電路的輸出使用加法器抬升了0.3V，將在一定程度上緩解二極管分壓帶來的影響。

　　圖3.7 電容電感阻抗值測量電路

　　3.2.2 電阻阻值測量電路

　　電阻的測量同樣使用了串聯(lián)分壓原理：UxU1=RR4 , 即 R=UxU1R4

　　考慮到當待測元件為電阻時，其相位與參考電阻完全相同，設(shè)參考電阻兩端電壓為 msin(wt) ,待測元件兩端電壓為 nsin(wt)，可將二者直接相除，則共有的交流量 sinwt將被直接消去，再乘上R4 就可以得到十分精確的阻值。對比上述電感電容的整流測量電路，電阻測量電路在待測電阻較小時也不用擔心二極管分壓不可忽略而導(dǎo)致的誤差較大的問題，簡易、精度高測量范圍廣，唯一美中不足是輸出電壓在實際情況下可能會突變，后期可以通過串聯(lián)一個穩(wěn)壓電路優(yōu)化，該部分電路圖如圖所示。

　　圖3.8 電阻測量電路

　　4 測試結(jié)果及分析

　　表4.1 參考電阻為1k時的實驗結(jié)果

　　可見，電阻阻值的測量比較精確，而電感電容的測量則有一定誤差，誤差的主要原因是橋式整流濾波電路中的二極管對輸入電壓的分壓作用在感抗值特別小的時候?qū)o法忽略。因此，本電路可以通過調(diào)整參考電阻的阻值將測量范圍左移或者右移，將參考電阻調(diào)至10k時擴大的結(jié)果如表4.2所示，理論測量范圍只受參考電阻限制。

　　表4.2 參考電阻為10k時新增的測量結(jié)果

　　5 結(jié)語

　　本電路一大創(chuàng)新點是在待測元件識別電路引入了信號分析中相干解調(diào)的思想，不同之處是濾除的交流分量而非直流分量，且結(jié)合了數(shù)電中譯碼器等知識，使得識別電路不再受元件數(shù)值大小的影響，理論上不存在出錯可能。測量方面，電感和電容的測量使用了整流濾波電路搭配除法器進行測量，精度并非很高，但勝在電路穩(wěn)定。電阻的測量使參考電阻與待測元件直接相除從而達到消除正弦函數(shù)的目的，相比電容電感測量而言不需要考慮二極管分壓對測量結(jié)果的影響。