PROTEUS在智能RLC測量儀研制中的應用

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RLC參數的自動測量和顯示，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電橋平衡，不利于實現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。數字RLC測量儀的數字化程度并不高 ,其參量分離是靠同步檢波器實現的[1]。

　　Proteus是英國Labcente公司開發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、信號發生器、計數器、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的專業技術人員加快電路系統開發的速度，縮短開發時間，節約開發成本，提高電子產品開發的效率。

　　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值產生的不同頻率，在MCU內部建立頻率阻抗對照表數據庫，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據準確，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，實現測量檔位的自動切換和準確測量。

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，將被測元件放于測量電路中，經過振蕩電路和處理電路產生一定頻率的矩形波并送至單片機。單片機根據所選測試元件通道，根據所測頻率查表判斷是否轉換量程，并從數據庫讀取頻率所在范圍的兩端頻率和相應的RLC值，把數據進行處理后，送LCD顯示相應的參數值。

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，根據阻值范圍或電容范圍自動選擇匹配電容或電阻產生穩定的振蕩頻率，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據庫。

　　3.2 LC振蕩電路的設計

　　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]。

　　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Proteus軟件強大的功能，我們根據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，根據電感L的大小自動選擇不同的匹配電容，產生穩定的振蕩頻率，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據庫。

　　3.3總圖的系統設計仿真部分

　　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的各參數進行仿真測試，并在LCD上查看結果與RLC的參數值對比。

　　3.4 PCB的設計

　　經過總體系統設計仿真無誤后用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接到MCU的P3.4引腳,把上述程序經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內部單元的數據,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、顯示程序和系統控制程序。準備程序應該完成系統操作之前的準備工作。它包括初始化和系統測試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軟硬件是否處于正常狀態。測量程序對于小周期采取對頻率計數對于大周期采用的是通過門控位在外界電平轉換時產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的浮點運算和插值運算，顯示程序用的是LCD動態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，提高了系統開發的速度，縮短開發時間，節約開發成本。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參數與頻率計數的數據庫對照表、浮點數的運算、自動切換檔位等，使測量儀表具有較高的智能化水平。為實現集示波、存儲、任意信號發生、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據庫，并直接根據仿真無誤的原理圖制作PCB。提高了系統開發的速度，縮短開發時間，節約開發成本。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，實現測量檔位的自動切換和準確測量、顯示。與傳統的伏安法、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系列單片機系統移植的仿真實現[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設計與仿真[M].北京航空航天大學出版社，2006年1月