摘　要　介紹了一種新穎的單片機控制電阻電容在線測試系統，并詳細論述了系統組成，電阻、電容在線測試原理以及系統軟件的設計思想。
　　關鍵詞　電阻電容　在線測試　單片機　電隔離

1　引　言

　　在線測試是一種新穎的電子測量技術。在調試維修印刷電路板時，往往需要測量印刷電路板上的電阻或電容值。傳統的做法是焊開元件再測量，以避免受板上其他元件的影響。這不僅麻煩，測試速度低，甚至可能損傷印刷板和元件。為此，我們采用“電隔離”技術，設計了一種用單片機控制的電阻電容在線測試系統，該系統無需焊開元件便可直接在印刷板上測量各元件的參數，即保持了印刷板和元件的完善無損，又大大提高了測試速度。

2　系統組成

    單片機電阻電容在線測試系統原理如圖1所示。　　　　　

　　為了實現電阻電容在線測試過程的自動化，由8031單片機、2732EPROM、鎖存器和8155擴展器構成控制部分；為了拓寬測試范圍，系統設置了自動轉換量程；為了進一步提高測試精度，采用了軟件抗干擾措施。

3　電阻在線測試原理

    電阻—電壓轉換電路原理如圖2所示。

　　圖中R_x是印刷板上的待測電阻，R₁和R₂是R_x兩端旁路的等效電阻，U_ref為基準電壓，R_x為基準電阻。測試時用三根測試筆，其中一根將R₁和R₂的接點接地；第二根將R_x與R₁的接點接至運算放大器的反相輸入端；第三根將R_x與R₂的接點接至運算放大器的輸出端。由圖2不難看到：根據理想運算放大器的“虛短”原理，R₁上的電壓為零，因而沒有電流通過；又根據深度電壓負反饋時其輸出電阻為零的特征，作為負載電阻R₂的數值大小，不會影響其輸出電壓U_r。
　　由圖2得U_r＝－U_ref R_x／R_x　　
　　可見在基準電壓U_ref和基準電阻R_x確定后，U_r只取決于R_x，而與R₁與R₂旁路電阻均無關，即對R₂實現了“電隔離”。這就將印刷電路板上的被測電阻R_x直接轉換為相應的輸出電壓U_r。為了擴大測量范圍，引進了基準電阻R_r1～R_r4和相應的開關S₁～S₄來轉換量程，如圖3所示。單片機根據R_x選擇合適的R_r，通過控制S₁～S₄自動轉化量程。若選用高精度的運算放大器（如OP07等），可以進一步提高測量精度。為了減少R₂的影響，輸出級采用T₁和T₂復合管組成的射級輸出器，可進一步減小輸出電阻，并為R₂提供所需的電流。為了減小接觸電阻的影響，三根測試筆均用雙線結構，將通電流的導線（圖3中用粗T₁線表示）和測電壓的導線（圖3中細線）分開。理論和實踐都指出：在測量小電阻時，這種測試能有效地提高測試精度。

4　電容在線測試原理

    電容在線測試原理電路如圖4所示。

　　圖中C_x為印刷板上被測電容，R_x為板上與C_x并聯的電阻，Z₁和Z₂為板上C_x兩端旁路的總等效阻抗，U_ref為基準的正弦波信號源，R_r為基準電阻。如同上述電阻在線測試所分析的那樣，根據理想運算放大器的“虛短”原理及深度電壓負反饋輸出電阻為零的特征，可消除Z₁和Z₂的影響，實現對C_x和R_x并聯阻抗Z_x的“電隔離”。由圖4不難看出：

      U_c＝－U_ref Z_x／R_x　　

    在印刷電路板上，電容C_x通常與R_x之間并聯，如何從并聯電路中單獨測得C_x值，這是電容在線測試的關鍵。為此，我們提高正弦波發生器U_ref的頻率F，使C_x的容抗1／（ωC_x）＜＜R_x，則可忽略R_x，使并聯阻抗Z_x近似等于C_x的容抗。即

式中R_r，U_ref和頻率F均為已知，測得U_c，便可用上式求出C_x。我們稱此法為“高頻近似法”。分析可知，若R_x大于被測電容C_x的容抗Z_c的5倍，即若R_x≥5C_x，那么，按式C_x＝U_ref／（2лFR_r

U_c）求出C_x的誤差不大于2％。考慮到測量中因其它因素引起的誤差，整個誤差總和也不大于5％。對于一般要求這種誤差已經滿足了。在實際電路中，電容量的范圍很廣，與電容器并聯的電阻值差別也很大。為實現高頻近似法測試C_x，應根據實際情況選擇合適的信號頻率。為了便于測量控制，又不使正弦波信號發生器過于復雜，采取的措施是將信號源的頻率按5倍頻分檔，并使各檔信號U_ref的幅度相等。由低向高按5倍關系逐檔增高信號頻率，同時測量響應的輸出電壓U_c，并計算相鄰兩檔低頻輸出電壓U_cl和高頻輸出電壓U_ch的比值。分析證明，若該比值U_cl／U_ch≥3．6時，則可以用這個高檔頻率的信號測量C_x，此時的輸出電壓U_c＝U_ch。將此時的f，U_ref和U_c代入C_x＝U_ref／（2лfR_rU_c），便可求得C_x。而U_cl／U_ch≥3．6則可作為“高頻近似法”選擇測試頻率的依據。

5　系統軟件

　　該在線測試系統的軟件，采用模塊化結構，由主程序、若干子程序和中斷程序組成，并且采用了數字濾波等軟件抗干擾技術，提高了測試精度。系統主程序的流程圖如圖5所示。系統啟動后，先初始化，然后判斷測試C_x還是R_x，則分別進入各次的測試程序，開始在線測試。電阻在線測試過程為：被測電阻R_x通過R_x／U_r轉換電路，將R_z轉換為直流輸出電壓U_r，送入A／D轉換器將模擬電壓轉換為數字量，輸入單片機系統。單片機國家輸入得數據，選擇最佳量程，并控制量程轉換開關，選擇合適的基準電阻R_r，實現量程自動轉化。在單片機控制下，進行多次（如8次）采樣測試，并對各次測得的U_r求取平均值，然后計算出電阻R_x，最后送顯示器顯示。

　　電容在線測試過程為：將C_x／U_c轉換電路，在正弦波信號發生器的作用下將C_x的數值轉換為交流輸出電壓U_c，送入A／D轉換器轉換為數字量，送至單片機。單片機開展量程轉換開關，選擇最佳量程，獲得與C_x相應的U_c值。單片機通過頻率轉換開關，控制正弦波信號發生器的振蕩頻率，從最抵擋頻率開始，按5倍頻逐級增頻率。同時讀入各檔的相應U_c值，并對相鄰兩檔頻率的數據U_cl和U_ch求商U_cl／U_ch，判斷U_cl／U_ch是否大于3．6，若不大于此值，則繼續讀入求商，直到U_cl／U_ch≥3．6，單片機就根據最后這次Fh和U_ch，按式C_x＝U_ref／（2лfhU_ch）求C_x值，并送顯示器顯示被測的電容量數值。

　　1　朱錫仁．電路測試技術與儀器．北京：清華大學出版社，1989
　　2　張衛平，張英儒．現代電子電路原理與設計．北京：原子能出版社，1997
　　3　何立民．MCS—51系列單片機應用系統設計．北京航空航天大學出版社，1990
　　4　王福瑞．單片機微機測控系統設計大全．北京航空航天大學出版社，1998
　　5　李華．MCS—51系列單片機實用接口技術．北京航空航天大學出版社，1993
　　6　涂時亮，張友德，陳章龍．單片微機軟件設計技術．重慶：科學技術文獻出版社重慶分社，1988

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