摘 要：本文利用功能強大的PROTEUS仿真軟件設計以89C51單片機系統(tǒng)為核心的RLC智能測量儀。設計過程簡單，方便，大大提高了設計的效率，降低了設計成本，并且設計的RLC智能測量儀能實現(xiàn)RLC參數(shù)的自動測量和顯示，結構緊湊、操作方便，測量精度高、響應快、測量范圍寬。 關鍵詞：單片機，PROTEUS，RLC 1、引言 　　目前，測量電路參數(shù)R,L,C的儀表種類多種多樣，其方法也不盡相同。這些方法都有其實用性，但是隨著工程技術要求的提高，它們的弊端也越來越明顯。 　　電容的測量方法較多，如電橋法、陰抗法等。電橋法精度高，但電路復雜且測量時還需要調節(jié)電橋平衡，不利于實現(xiàn)全自動的智能化控制，阻抗法需要低失真的正弦波和高精度的A/D，而且計算較為復雜。電阻的測量方法有電流法、分壓法等，這些方法的精度變化大。若要較高的精度，必需較大的量程，且電路復雜。同樣，在測量電感時電橋法和相位法也不宜采用。數(shù)字RLC測量儀的數(shù)字化程度并不高 ,其參量分離是靠同步檢波器實現(xiàn)的[1]。 　　Proteus是英國Labcente公司開發(fā)的電路分析與實物仿真軟件，具備主要特點: （1）可以仿真、分析各種模擬器件和集成電路，其最大的特點是可以支持許多型號的單片機仿真，該軟件的單片機仿真庫里有51系列、PIC系列、AVR系列、摩托羅拉的68 MH11系列和ARM7等，他也能像其他的EDA軟件那樣進行電路分析，如模擬分析、數(shù)字分析、混合信號分析、頻率分析等等。（2）提供了虛擬示波器、邏輯分析儀、信號發(fā)生器、計數(shù)器、電表等虛擬儀器儀表供選用。（3）能夠進行SCH（原理圖）與PCB（印制板）的設計。（4）能和Keil, Matlab等軟件整合使用，以求達到更好的仿真效果[2]。借助PROTEUS軟件可以使從事該行業(yè)的專業(yè)技術人員加快電路系統(tǒng)開發(fā)的速度，縮短開發(fā)時間，節(jié)約開發(fā)成本，提高電子產(chǎn)品開發(fā)的效率。 　　本文所設計的RLC測量儀是用555構成的多諧振蕩器和由MC1648構成的振蕩器把R、L、C作為諧振電路中的一個元件，當阻抗值變化時諧振電路的輸出頻率將隨著改變，先用Proteus軟件分別用555和MC1648構成了振蕩器測量不同RLC值產(chǎn)生的不同頻率，在MCU內部建立頻率阻抗對照表數(shù)據(jù)庫，從測得的頻率值直接查表可獲得元件的阻抗值并顯示。利用Proteus軟件強大的仿真功能，把各個分部分仿真無誤并建立頻率阻抗對照表后，再總體仿真，然后直接用Proteus軟件和總體仿真圖進行設計PCB，最后硬件測試，建立的頻率阻抗對照表數(shù)據(jù)準確，效率高。RLC智能測量儀用對小阻抗元件和大阻抗元件能進行自動識別，實現(xiàn)測量檔位的自動切換和準確測量。 [align=center] 圖1 555構成的測頻電路圖[/align] 2、RLC智能測量儀的設計原理 　　用555構成的多諧振蕩器和由MC1648構成的振蕩器與MCU組成系統(tǒng)，將被測元件放于測量電路中，經(jīng)過振蕩電路和處理電路產(chǎn)生一定頻率的矩形波并送至單片機。單片機根據(jù)所選測試元件通道，根據(jù)所測頻率查表判斷是否轉換量程，并從數(shù)據(jù)庫讀取頻率所在范圍的兩端頻率和相應的RLC值，把數(shù)據(jù)進行處理后，送LCD顯示相應的參數(shù)值。 3、PROTEUS的各部分設計 　　3.1 RC電路部分的設計 　　通過改變R:和C的參數(shù)就可以改變振蕩頻率。被測電阻R或被測電容C作為由555構成的R、C振蕩電路的元件，根據(jù)阻值范圍或電容范圍自動選擇匹配電容或電阻產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩頻率，用Proteus軟件強大的仿真CPU的功能在仿真時就可以建立RC的頻率阻抗對照表數(shù)據(jù)庫。 　　3.2 LC振蕩電路的設計 [align=center] 圖2 壓控振蕩器特性曲線[/align] 　　壓控振蕩器VCO就是在振蕩電路中采用壓控元件作為頻率控制器件，它的特性可用瞬時振蕩頻率ωV與控制電壓VC之間的關系曲線來表示，如圖4所示，在一定范圍內ωV與VC之間是線性關系，這一線性曲線可用公式表示： 　　 　　KV是特性曲線的斜率， 稱為VCO的增益或靈敏度， 量綱為rad/s·V，它表示單位控制電壓所引起的振蕩角頻率變化的大小[3]。 [align=center] 圖3 VCO電路部分子圖[/align] 　　對電感的測量則采用壓控振蕩器構成振蕩電路，在Proteus軟件中沒有我們所需要的VCO元件，根據(jù)Proteus軟件強大的功能，我們根據(jù)VCO的原理用Proteus軟件制作了VCO[4]，我們制作的VCO元件的部分子圖如圖3 所示，被測電感L作為由VCO構成的L、C振蕩電路的元件，根據(jù)電感L的大小自動選擇不同的匹配電容，產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩頻率，用Proteus軟件強大的仿真CPU的功能在仿真時就可以建立L的頻率阻抗對照表數(shù)據(jù)庫。 [align=center] 圖4 RLC測試儀結構原理圖[/align] 　　3.3總圖的系統(tǒng)設計仿真部分 　　總體方框圖如圖4所示，把設計的軟件和建立的頻率阻抗對照表加載到單片機中，分別變換RLC的各參數(shù)進行仿真測試，并在LCD上查看結果與RLC的參數(shù)值對比。 　　3.4 PCB的設計 　　經(jīng)過總體系統(tǒng)設計仿真無誤后用Proteus軟件先進行原理圖的后處理，再進行PCB設計。 4、軟件設計 　　4.1建立頻率阻抗對照表部分程序 　　ORG 0000H 　　START: MOV TMOD,#15H 　　MOV TH1,#03CH 　　MOV TL1,#0B0H 　　MOV TL0,#000H 　　MOV TH0,#000H 　　MOV PCON,#80H 　　SETB TR1 　　SETB TR0 　　LOOP2: JBC TF1,LOOP1 　　SJMP LOOP2 　　LOOP1: 　　CLR TR0 　　CLR TR1 　　MOV 20H,TH0 　　MOV 21H,TL0 　　SJMP START 　　END 　　把由用555和MC1648構成了振蕩器輸出的頻率的引腳分別聯(lián)接到MCU的P3.4引腳,把上述程序經(jīng)Proteus軟件編譯并加載到MCU中,然后分別變換RLC的阻抗,讀取20H和21H內部單元的數(shù)據(jù),就可以建立頻率阻抗對照表. 　　4.2 總體軟件設計 　　設計的軟件結構按它的功能可分為:準備程序、測量程序、查表程序、自動量程轉換程序、運算程序、顯示程序和系統(tǒng)控制程序。準備程序應該完成系統(tǒng)操作之前的準備工作。它包括初始化和系統(tǒng)測試2部分。初始化程序極為簡單，主要是設堆棧指針，對于定時計數(shù)器的設置，分別在各測量模塊進行。測試程序是用來檢查應用系統(tǒng)軟硬件是否處于正常狀態(tài)。測量程序對于小周期采取對頻率計數(shù)對于大周期采用的是通過門控位在外界電平轉換時產(chǎn)生中斷來測量正脈沖的寬度。查表程序是在測量到頻率或周期后通過查表找到相應的RLC所在的范圍。自動量程轉換程序通過軟件功能來完成自動量程轉換。運算程序采用多位數(shù)的浮點運算和插值運算，顯示程序用的是LCD動態(tài)顯示接口電路的控制程序。 5、結束語 　　利用PROTEUS軟件強大的仿真功能設計了RLC智能測量儀，提高了系統(tǒng)開發(fā)的速度，縮短開發(fā)時間，節(jié)約開發(fā)成本。且此RLC測量儀具有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單等特點，加上自行設計的RLC參數(shù)與頻率計數(shù)的數(shù)據(jù)庫對照表、浮點數(shù)的運算、自動切換檔位等，使測量儀表具有較高的智能化水平。為實現(xiàn)集示波、存儲、任意信號發(fā)生、頻率特性分析、邏輯分析、RLC測量、程序在線更新等于一體的多功能測量儀的RLC測量部分提供了堅實的技術保障。 　　本文作者創(chuàng)新點是利用PROTEUS軟件強大的仿真功能設計了RLC智能測量儀，在仿真過程中建立了準確的頻率阻抗對照表數(shù)據(jù)庫，并直接根據(jù)仿真無誤的原理圖制作PCB。提高了系統(tǒng)開發(fā)的速度，縮短開發(fā)時間，節(jié)約開發(fā)成本。此RLC測量儀具有功能強、性能可靠、體積小、電路簡單等特點，并且對小阻抗元件和大阻抗元件進行自動識別，實現(xiàn)測量檔位的自動切換和準確測量、顯示。與傳統(tǒng)的伏安法、電橋法比較測量快速、準確、方便。 參考文獻： 　　[1] 朱繼軍，鄭永明，單片機控制的RLC測量儀研制[J], 中國民航學院學報,2003,21（7）:47-48 　　[2] 左宇翔,錢劍敏.UC/GUI在MCS51系列單片機系統(tǒng)移植的仿真實現(xiàn)[J]. 微計算機信息,2006,22（3-2）:98-100 　　[3] 張肅文主編.高頻電子線路[M]. 北京：高等教育出版社，2004. 　　[4] 周潤景，張麗娜編著。基于PROTEUS的電路及單片機系統(tǒng)設計與仿真[M].北京航空航天大學出版社，2006年1月