单片机在线测试系统

1　引 言

　　在线测试是一种新颖的电子测量技术。在调试维修印刷电路板时，往往需要测量印刷电路板上的电阻或电容值。传统的做法是焊开元件再测量，以避免受板上其他元件的影响。这不仅麻烦，测试速度低，甚至可能损伤印刷板和元件。为此，我们采用“电隔离”技术，设计了一种用单片机控制的电阻电容在线测试系统，该系统无需焊开元件便可直接在印刷板上测量各元件的参数，即保持了印刷板和元件的完善无损，又大大提高了测试速度。

2　系统组成

    单片机电阻电容在线测试系统原理如图1所示。　　　　　

　　为了实现电阻电容在线测试过程的自动化，由8031单片机、2732EPROM、锁存器和8155扩展器构成控制部分；为了拓宽测试范围，系统设置了自动转换量程；为了进一步提高测试精度，采用了软件抗干扰措施。

3　电阻在线测试原理

    电阻—电压转换电路原理如图2所示。

　　图中Rx是印刷板上的待测电阻，R1和R2是Rx两端旁路的等效电阻，Uref为基准电压，Rx为基准电阻。测试时用三根测试笔，其中一根将R1和R2的接点接地；第二根将Rx与R1的接点接至运算放大器的反相输入端；第三根将Rx与R2的接点接至运算放大器的输出端。由图2不难看到：根据理想运算放大器的“虚短”原理，R1上的电压为零，因而没有电流通过；又根据深度电压负反馈时其输出电阻为零的特征，作为负载电阻R2的数值大小，不会影响其输出电压Ur。
　　由图2得Ur＝－Uref Rx／Rx　　
　　可见在基准电压Uref和基准电阻Rx确定后，Ur只取决于Rx，而与R1与R2旁路电阻均无关，即对R2实现了“电隔离”。这就将印刷电路板上的被测电阻Rx直接转换为相应的输出电压Ur。为了扩大测量范围，引进了基准电阻Rr1～Rr4和相应的开关S1～S4来转换量程，如图3所示。单片机根据Rx选择合适的Rr，通过控制S1～S4自动转化量程。若选用高精度的运算放大器（如OP07等），可以进一步提高测量精度。为了减少R2的影响，输出级采用T1和T2复合管组成的射级输出器，可进一步减小输出电阻，并为R2提供所需的电流。为了减小接触电阻的影响，三根测试笔均用双线结构，将通电流的导线（图3中用粗T1线表示）和测电压的导线（图3中细线）分开。理论和实践都指出：在测量小电阻时，这种测试能有效地提高测试精度。

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4　电容在线测试原理

    电容在线测试原理电路如图4所示。

　　图中Cx为印刷板上被测电容，Rx为板上与Cx并联的电阻，Z1和Z2为板上Cx两端旁路的总等效阻抗，Uref为基准的正弦波信号源，Rr为基准电阻。如同上述电阻在线测试所分析的那样，根据理想运算放大器的“虚短”原理及深度电压负反馈输出电阻为零的特征，可消除Z1和Z2的影响，实现对Cx和Rx并联阻抗Zx的“电隔离”。由图4不难看出：

      Uc＝－Uref Zx／Rx　　

    在印刷电路板上，电容Cx通常与Rx之间并联，如何从并联电路中单独测得Cx值，这是电容在线测试的关键。为此，我们提高正弦波发生器Uref的频率F，使Cx的容抗1／（ωCx）＜＜Rx，则可忽略Rx，使并联阻抗Zx近似等于Cx的容抗。即

式中Rr，Uref和频率F均为已知，测得Uc，便可用上式求出Cx。我们称此法为“高频近似法”。分析可知，若Rx大于被测电容Cx的容抗Zc的5倍，即若Rx≥5Cx，那么，按式Cx＝Uref／（2лFRr

Uc）求出Cx的误差不大于2％。考虑到测量中因其它因素引起的误差，整个误差总和也不大于5％。对于一般要求这种误差已经满足了。在实际电路中，电容量的范围很广，与电容器并联的电阻值差别也很大。为实现高频近似法测试Cx，应根据实际情况选择合适的信号频率。为了便于测量控制，又不使正弦波信号发生器过于复杂，采取的措施是将信号源的频率按5倍频分档，并使各档信号Uref的幅度相等。由低向高按5倍关系逐档增高信号频率，同时测量响应的输出电压Uc，并计算相邻两档低频输出电压Ucl和高频输出电压Uch的比值。分析证明，若该比值Ucl／Uch≥3．6时，则可以用这个高档频率的信号测量Cx，此时的输出电压Uc＝Uch。将此时的f，Uref和Uc代入Cx＝Uref／（2лfRrUc），便可求得Cx。而Ucl／Uch≥3．6则可作为“高频近似法”选择测试频率的依据。

5　系统软件

　　该在线测试系统的软件，采用模块化结构，由主程序、若干子程序和中断程序组成，并且采用了数字滤波等软件抗干扰技术，提高了测试精度。系统主程序的流程图如图5所示。系统启动后，先初始化，然后判断测试Cx还是Rx，则分别进入各次的测试程序，开始在线测试。电阻在线测试过程为：被测电阻Rx通过Rx／Ur转换电路，将Rz转换为直流输出电压Ur，送入A／D转换器将模拟电压转换为数字量，输入单片机系统。单片机国家输入得数据，选择最佳量程，并控制量程转换开关，选择合适的基准电阻Rr，实现量程自动转化。在单片机控制下，进行多次（如8次）采样测试，并对各次测得的Ur求取平均值，然后计算出电阻Rx，最后送显示器显示。

　　电容在线测试过程为：将Cx／Uc转换电路，在正弦波信号发生器的作用下将Cx的数值转换为交流输出电压Uc，送入A／D转换器转换为数字量，送至单片机。单片机开展量程转换开关，选择最佳量程，获得与Cx相应的Uc值。单片机通过频率转换开关，控制正弦波信号发生器的振荡频率，从最抵挡频率开始，按5倍频逐级增频率。同时读入各档的相应Uc值，并对相邻两档频率的数据Ucl和Uch求商Ucl／Uch，判断Ucl／Uch是否大于3．6，若不大于此值，则继续读入求商，直到Ucl／Uch≥3．6，单片机就根据最后这次Fh和Uch，按式Cx＝Uref／（2лfhUch）求Cx值，并送显示器显示被测的电容量数值。