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1、 基于单片机技术的RCL数字测试仪设计毕业设计目录一课题背景91.概述92本课题在国外发展概况综述123.本次设计的指导思想13二设计方案与论证131.电阻测量方案设计与论证132.电容测量方案设计与论证153.电感测量方案设计与论证17三主要器件介绍181.AT89C51单片机19（1）单片机简介19（2）AT89C51主要特性20（3）AT89C51管脚说明20（4）AT89C51振荡器特性22（5）AT89C51芯片擦除22（6）AT89C51定时/计数器232.555定时器25（1）555定时器简介25（2）555定时器多谐振荡电路273.三点振荡电路28（1）振荡器的组成原则28（2
2、）电容反馈振荡器29四主要电路设计与计算291.电阻测量电路计算302.电容测量电路计算303.电感测量电路计算304.信号采集电路设计315.单片机系统设计31五软件设计341.系统软件工作流程图342.总体程序设计36六总结与展望36致谢37附录37参考文献70英文翻译71一 课题背景1概述当今信息技术已经成为推动科学技术和国民经济高速发展的关键技术。如何用先进的信息技术来提升、改造我国的传统制造业、实现生产力跨越式发展的战略结构调整，是装备制造业面临的一项紧迫任务。测量技术是信息化制造技术的关键和基础。测量是通过实验方法对客观事物取得定量信息即数量概念的过程，是在有关理论指导下，用专门仪
3、器或设备，通过实验的方法，将被测量与标准量进行比较以求得被测量的值。它是人类认识和改造世界的一种不可缺少和替代的手段。电子测量则是泛指以电子技术为基本手段的，对电量和非电量的一种测量技术。它是测量学和电子学相互结合的产物。电子测量除具体运用电子科学原理，方法和设备对各种电量，电信号与电路元器件的特性和参数进行测量外，还可以通过各种敏感器件和传感装置对非电量进行测量，而且往往更加方便，快捷，准确，有时是用其他测量方法所不能替代的。因此，电子测量不仅用于电学各专业，也广泛用于物理学，化学，光学，机械学，材料学，生物学，医学等科学领域与生产，国防，交通，通讯，商业贸易，生态环境保护乃至日常生活的各个
4、方面。近几十年来计算机技术和微电子技术的迅猛发展，为电子测量和测量仪器增添了巨大的活力，使其逐渐向着数字化，集成化方向发展。众所周知,所有物理量的测量，最后都是以数值形式给出结果。数字化测量，则是特指使用A/D转换原理，对模拟物理量进行的测量。其主要特征是以具有量化特征的过程和结果描述具有连续特征的物理量。这样的测量，是伴随着A/D转换器的诞生而产生的，其目的最初也仅是为了提高测量的准确度、自动化程度、测量速度和可靠性以与减少劳动强度、节约人力成本。而时至今日，数字化测量技术已广泛应用于各行各业。数字化测量系统的特点数字化测量系统的特点很多，一般来说，可以归为以下几类：其基本技术特点是模拟物理
5、量的数字化：即以量化特征的数字量来描述和给出模拟量。其指标特点是准确化，可同时使用非常准确的时间测量值和幅度测量值，以二维方式描述被测量的物理量或过程，最直接的应用就是波形测量。其结构特点多样化：有台式、便携式、集散式、分布式、组合式和局域网式等，其网络拓扑结构又同时具有环状、树形、总线式和链式等，所用总线又有RS232、IEEE488、VME和VXI等通用协议与各种专用协议等多样特征。其功能特点是复杂化和多样化：除均具有幅度测量功能外，还可能具有时间测量功能，以与求极值、平均值、均方根值、周期、频率、上升时间、下降时间、正脉冲宽度、负脉冲宽度、占空比、延时、面积、通道延尺、功率频谱、功率密度
6、、矢量、相位、有功功率、无功功率、功率因数和信噪比等，包含时域测量、频域测量、统计特性测量、平滑与数字滤波等众多功能。另外，还可具有复杂多样的触发功能，如边沿触发、电平触发、事前触发、事后触发、逻辑图触发、延尺触发、漏失触发、掉电触发、毛剌触发以与外触发等多种触发形式。其使用特点是智能化、自动化和简易化；不需要复杂的操作即可实现基本测量，其复杂化的测量功能则可由浅入深地逐步掌握和使用，并且非常适于和计算机连接，组成自动化测量系统，按程序实现全自动测量；与一些作动设备相连接，很容易组成自动化测量控制系统，对生产过程实现自动化干预。其工艺特点是高度集成化、数字化、模块化、功能化和计算机化：由于数字
7、化测量技术属于高新技术产业的一个重要分支，是信息产业的物质基础之一，因而相当大一类的新材料、新工艺和新技术被率先应用到数字化测量系统的研制、生产和使用中，而且这种状况仍在继续，在可预见的将来，不会有太大的改动。数字化测量系统的评价目前，几乎所有数字化测量仪器的基本原理都是相通的，典型过程均经过将输入模拟信号变换成电信号后，经放大、滤波、采样、A/D转换、存储和显示输出几个环节与步骤。不同的环节指标和原理方案选取的不同，则构成不同种类和型号的数字化测量设备。下表列出了几种通用数字化测量设备典型指标围与用途特点：前面已经说过，数字化测量设备的指标特点是测量准确化，因而关于指标评价的必然要求即是其指
8、标的准确评价。传统的直接读取法等指标评价方法已远不能满足要求，同时，也正是因为测量结果是数字化的，可以很容易地使用现代数字信号处理手段、模式识别手段，应用模型化测量方法进行数字化测量系统指标的准确评价。一般可以将其特性指标按照测量特性分为：静态测量特性(主要包括输入阻抗、A/D转换位数、时基误差、V幅度测量误差、t时间测量误差、误差限、量程、直流增益、线性度、直流偏移等)。简单地说，这是一类只需加载静态信号便可获取的性能指标，最为基本。动态测量特性(主要包括频带宽度、采样速率、交流增益、动态有效位数、信噪比等)。可以说，这是一类只能在加载动态信号下才可获取的指标。瞬态测量特性(主要包括上升时间
9、、预冲、过冲、顶部不平度和建立时间等时域阶跃响应参数，以与传递函数、幅频特性、相频特性等频域特性参数)。这是一类只能在加载瞬态信号下才可获取的指标。噪声与抗干扰特性指标(主要包括随机噪声、通道间隔离度、差分输入共模抑制比等)。可以理解为，反映数字化测量设备对“自身”和“外界”两类干扰抑制能力方面的性能指标均属这类指标。触发特性指标(主要包括触发延时、触发灵敏度、最窄触发脉宽、最小触发沿斜率等)。这仅是影响触发性能的辅助性指标。其它特性指标(如通道间延迟时间差、毛刺捕捉特性等)相关性指标。如果用户只需要测量记录静态或缓慢变化的准静态信号，则他们需要将注意力主要集中在静态测量特性指标上面。如用户需
10、要测量记录瞬变或稳态过程的交变信号，则他们不仅需要将注意力集中在静态特性指标上面，而且需要考虑其动态测量特性指标和瞬态测量特性指标是否能满足自身的需要。若用户环境是电气环境比较恶劣的工业现场，则他们还必须注意抗干扰特性指标。如抗共模信号的围、共模抑制比大小等。以判定其是否适用于应用场合，能否满足需要。每一项指标的准确评价，一般都需使用模型化的精密测量方法，该过程一般需要经过两个步骤：建立数字化测量系统的数字模型，并用数据处理方法求出模型参数：通过模型参数与被评价指标的关系来最终确定被评价的实际指标。具体到实际应用中，到目前为止的作法是：使用直线方程(直线模型)描述静态数学模型，用最小二乘法(或
11、其它方法)处理获得模型参数，并进而获得其静态测量特性指标参数，如直流增益、线性度、误差限等。用正弦信号激励动态响应，用正弦模型描述其输入输出波形，使用最小二乘拟合法获得其动态测量特性指标。如采样速率、交流增益、动态有效位数、信噪比等。用阶跃响应模型描述其瞬态测量特性，如上升时间、预冲、过冲、顶冲不平度和建立时间等时域阶跃响应参数。经进一步使用模式识别方法可以获得其传递函数、幅频特性、相频特性等频域特性模型。用能量累加模型来描述其抗干扰特性，可获得其抗干扰指标如通道隔离度和共模抑制比等的准确评价。以上各项指标与其评价方法，构成了对数字化测量系统性能总体评价的基础，它们的不同组合可以勾划出其不同方
12、面的基本特性。 本作品正是运用数字化测量技术，结合单片机技术，设计出的以AT89C51芯片为核心部件，利用软件编程，实现了对一定围的电阻、电容、电感测量的智能数字测试仪。它成本底，构造简单，且小巧轻便，具有很强的通用性。2本课题在国外发展概况综述经过几十年，特别是近十几年的建设与发展，我国仪器仪表行业已经初步形成产品门类品种比较齐全，具有一定生产规模和开发能力的产业体系，成为亚洲除日本以外第二大仪器仪表生产国。而数字化测量技术则已经成为数字化制造技术的一个不可或缺的关键组成部分，采用适度先进的信息化数字测量技术和产品来迅速提升我国装备制造业水平，是当前一个重要的发展方向。数字化测量系统的发展趋
13、势主要有以下几个方面：如精密自动化测量的需求导致数字电压表的产生，多点巡回测量又造就了数据采集系统，工业现场大围多点测量使分布式数据采集系统诞生并获得应用等即是如此。数字化测量系统的量程扩展和指标提高是其必然趋势。数字化测量系统自身的应用技术。如集成电路工艺技术、制造技术、材料技术、计算机技术等的不断发展变化和更新换代。同时推动数字化测量技术的不断变化和更新换代是必然的，如其集成化、功能化、模块化、组合化、通用化、标准化、智能化和网络化等发展趋势多源于此。经济性要求和价值规律的作用制约了数字化测量设备的无限制发展，并使其因应用场合的不同，而在指标性能上有所取舍和侧重。技术水平和工艺条件限制了数
14、字化测量系统的发展水平。人类自身的舒适性、安全性和易用性要求，在不断推动和影响着数字化测量系统的发展。而目前国外测试仪器的发展趋势是数字化、智能化、计算机化和集成化。3本次设计的指导思想由于科技的发展,生产力水平的不断提高,人们对多功能测试仪器的需求量日益增大。现在市面上的测试仪大多数是和专门的函数信号发生器捆绑在一起，大多价格昂贵，体积较大，不适宜用于需要移动测量的场合和野外作业,只能供大公司和研究所使用,难以普与推广。而有部分测试仪虽然价格低廉,小巧易带,但功能单一,测量的围和精度都难以达到多数应用场合的要求,也难以普与推广.本作品正是针对这一点进行了较大改进，我们考虑设计出一专门用于测量
15、电阻、电感、电容的小型，可移动，耗费少专用的电阻、电感、电容测试仪，并且其测量精度可以跟现有的电阻、电感、电容测试工具可相媲美。整个系统采用单片机智能控制，进行数据的分析处理和运算，能够对数据做出快速正确的处理，并且有利于其他功能的扩展和实现。二设计方案与论证1电阻测量方案设计与论证方案一：用伏安法测电阻。这是最普遍的方法,从常规来说，求得电阻两端的电压和电流，就能得到电阻值。但由于设计要求所测电阻围为501M，因为相应电压和电流的变化就也很大。如果我们用常规的5V电源，理论上电流的变化围就是从100mA5A，这一方面对电源的恒压有要求，另一方面对电压和电流的检测仪器的精度要求也很高，实际中难
16、以满足。方案二：利用单片机控制A/D，D/A芯片的数控恒压源系统测量，如图2-1所示。单片机D/A转换器Rx Vi R0 R A D 转 换 器+ - _ V0 + Rf +图2-1 恒压源系统测电阻示意图系统由被测电阻Rx，反馈电阻R0，运算放大器，A/D，D/A转换器与单片机组成。加在被测电阻上的电压是由单片机通过D/A来控制的，即可调的，被测电阻由测得。该方法最显著的特点是电压源的恒定性和可调性，但是电阻的被测围受到D/A，A/D精度的影响，采用8位的刚好达到设计要求，扩展受硬件的限制，如要扩展，成本就抬高很多。而且整套系统只适合测电阻，不太匹配设计的总体要求。方案三：由555定时器构成
17、的多谐振荡器如图2-2所示。正常工作时，在输出端可以得到一个周期性的方波信号，其频率为 （2-1）图2-2 多谐振荡测电阻电路通过单片机计数可比较精确地测出方波信号的频率，进一步可求出电阻R大小为 （2-2）比较以上三种方案，方案一对信号源和仪表有较高的要求，对电路的要求很高，量程无法自动转换。方案二首先需要一个单片机系统，以与配备价格较高的A/D，D/A芯片，其次可扩展性不强。方案三将较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。这种变换就是把模拟量近似地转化为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。基于
18、性价比考虑，本系统对电阻的测量采取方案三。2电容测量方案设计与论证方案一：复数运算法。被测电容两端施加一定幅值、频率的正弦交流电压信号，通过A/D转换对电流、电压信号进行采集处理，由计算公式与得出电压、电流的有效值。根据理论公式可得被测电容的容量为 （2-3）方案二：积分法。积分器的基本电路如图2-3所示.图2-3 积分电路图输出电压为 （2-4）方案三：由555定时器构成的多谐振荡器如图2-4所示。正常工作时，在输出端可以得到一个周期性的方波信号，其频率为 （2-5）TRIG2Q3R4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1555VoR1R2C2+5vC1图2-4 多谐振荡测电容电路通过
19、单片机计数可比较精确地测出方波信号的频率，进一步可求出电容C大小为 （2-6）比较以上三种方案，方案一的通用性较广，可以实现三种元件任意组合的测量，但对输入信号源有较高的要求，同时A/D转换的精度和速度也要求较高，软件上还需要有大量的计算，调试有一定难度。方案二的电路结构简单，但不易实现量程的自动转换，测量精度难以保证。方案三将较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。这种变换就是把模拟量近似地转化为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。基于性价比考虑，本系统对电容的测量采取方案三。3电感测量方案设计
20、与论证方案一：采用三点式振荡电路将电感参数转化为频率信号。利用单片机定时计数器测量频率。由于振荡电路存在以下函数关系：，因此可以由公式求得所测的电感量。方案二：同样是采用三点式振荡电路，如图2-5。但这种电路需要进行比较，它是在方案一的基础上加入了比较电感L0，电路的振荡频率为(2-7)，其中为LC并联回路的等效电容，其量值为C2和C3串联电容后的值，L0为标准电感，其振荡频率为：(2-8) ；当然作为软件校准值使用。由(2-7)式和(2-8)式校准值可得待测电感：(2-9)； 所以，单片机把测得的校准值，测量值和存放在软件中的标准电感值，按上式即可计算出待测电感。图2-5 三点式比较振荡电路
21、比较以上方案，方案一是一个典型的振荡电路，产生谐振信号，由于其硬件电路的特点，振荡电路的精度受到电容和晶振的绝对精度的影响，存在一定的误差；方案二吸取了方案一的优点，并进行了电路修改，采用数学方法提高了电路的精度，由(2-9)式可以看出，经软件校准后可得出，它与的值有关。这样，振荡电容的绝对精度、单片机晶振频率的绝对精度、环境温度的变化和电源电压的绝对精度引起的误差被消除。由于测量结果受到标准电感L0的绝对精度的影响，因而必须选择精度高，稳定性好的L0。因此采用这种方案能大大提高测量的精度，这种变换同样是把模拟量近似地转化为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪
22、表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。基于性价比考虑，本系统对电感的测量采取方案二。三主要器件介绍1AT89C51单片机（1）单片机简介单片机自70年代问世以来，以极其高的性能价格比，受到人们的重视和关注，应用很广，发展也很快。单片机体积小，重量轻，抗干扰能力强，环境要求不高，价格低廉，可靠性高，灵活性好，开发较为容易。经过数十年的发展，现代单片机技术更趋成熟，逐渐实现大容量，高性能，外围电路装化等方面的发展，已深入渗透到各个领域，特别是检测和控制领域。现在发展较成熟的机种主要是51系列, 51单片机存储器采用的是哈佛机构，即程序存储器空间和数据器存储空间截然分开，程序存储器和数
23、据存储器各有自己的寻址方式、寻址空间、可控制系统。 MCS-51以其典型的结构和完善的总线专用寄存器的集中管理，众多的逻辑位操作功能与面向控制的丰富的指令系统。正是因为其优越的性能和完善的结构，导致后来的许多厂商多沿用或参考了其体系结构，有许多世界上大的电气商丰富和发展了MCS-51单片机，象PHILIPS、Dallas、ATMEL等著名的半导体公司都推出了兼容MCS-51的单片机产品，就连我国的WINBOND公司也发展了兼容C51(人们习惯将MCS-51简称C51,如果没有特别声明，二者同指MCS-51系列单片机)的单片机品种。MCS-51具有比较大的寻址空间，地址线宽达16条，即外部数据存
24、储器和程序存储器的寻址围达216=64kB，这作为单片机控制来说已是比较大的，这同时具备对I/O口的访问能力。此外，MCS-51采用模块化结构，可方便地增删一个模块就可引脚和指令兼容的新产品。从而容易使产品形成系列化。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C5
25、1是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。（2）AT89C51主要特性与MCS-51 兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：1000次写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片振荡器和时钟电路（3）AT89C51管脚说明VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的
26、第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于部上拉的缘故。P2口当
27、用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚 备选功能P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P
28、3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（记时器0外部输入）P3.5 T1（记时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意
29、的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间部程序存储器。
30、在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入与部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。 （4）AT89C51振荡器特性XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。（5）AT89C51芯片擦除整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片
31、擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。（6）AT89C51定时/计数器AT89C51的单片机有两个16位可编程的定时/计数器，它们具有四种工作方式，其控制字和状态均在相应的特殊功能寄存器中，通过对控制寄存器的编程，就可方便地选择适当的工作方式。下面我们对它们的特性进行阐述。定时器T0特性
32、功能寄存器TL0（低8位）和TH0（高8位）构成，定时器T1由特性功能寄存器TL1（低8位）和TH1（高8位）构成。特殊功能寄存器TMOD控制定时寄存器的工作方式，TCON则用于控制定时器T0和T1的启动和停止计数，同时管理定时器T0和T1的溢出标志等。程序开始时需对TL0、TH0、TL1和TH1进行初始化编程，以定义它们的工作方式和控制T0和T1的计数。TMOD和TCON这两个特殊功能寄存器的格式参见下表：定时/计数器方式选择寄存器(TMOD)TMOD寄存器是一个专用寄存器，用于控制两个定时计数器的工作方式，TMOD可以用字节传送指令设置其容，但不能位寻址，各位的定义如下，1.定时/计数器的
33、方式控制字TMOD，字节地址为89H，其格式如表3-1：表3-1定时/计数器工作方式控制寄存器TMOD位序D7D6D5D4D3D2D1D0位标志GATEM1M0GATEM1M0定时/计数器1定时/计数器0定时器控制寄存器TCON，字节地址为88H，位地址为88H8FH，其格式如表3-2：表3-2TCON结构D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE0IT0MCS-51的定时/计数器共有四种工作方式，我们逐个进行讨论。工作方式0定时/计数器0的工作方式0（定时/计数器1与其完全一致），工作方式0是13位计数结构的工作方式，其计数器由TH的全部8位和TL的低5位构成，
34、TL的高3位没有使用。这就是我们常称的计数工作方式。工作方式1当M1，M0=01时，定时/计数器处于工作方式1。仍以定时器0为例，定时器1与之完全相同。可以看出，方式0和方式1的区别仅在于计数器的位数不同，方式0为13位，而方式1则为16位，由TH0作为高8位，TL0为低8位，有关控制状态字（GATA、TF0、TR0）和方式0相同。工作方式2当M1M0=10时,定时/计数器处于工作方式2.定时/计数器0与定时/计数器1完全一致。在这种工作方式中，16位计数器分为两部分，即以TL0为计数器，以TH0作为预置寄存器，初始化时把计数初值分别加载至TL0和TH0中，当计数溢出时，不再象方式0和方式1那
35、样需要“人工干预”，由软件重新赋值，而是由预置寄存器TH以硬件方法自动给计数器TL0重新加载。工作方式3当M1M0=11时，定时/计数器处于工作方式3。在工作方式3模式下，定时/计数器0被拆成两个独立的8位计数器TL0和TH0。其中TL0既可以作计数器使用，也可以作为定时器使用，定时/计数器0的各控制位和引脚信号全归它使用。其功能和操作与方式0或方式1完全相同。TH0就没有那么多“资源”可利用了，只能作为简单的定时器使用，而且由于定时/计数器0的控制位已被TL0占用，因此只能借用定时/计数器1的控制位TR1和TF1，也就是以计数溢出去置位TF1，TR1则负责控制TH0定时的启动和停止。2 55
36、5定时器（1）555定时器简介555定时器是一种应用极为广泛的中规模集成电路。该电路使用灵活，方便，只需外接少量的阻容元件就可以构成单稳，多谐和施密特触发器。因而广泛用于信号的产生，变换，控制与检测。目前生产的定时器有双极型和CMOS两种类型，其型号分别有NE555（或5G555）和C7555等多种。它们的结构与工作原理基本相同。通常，双极型定时器具有较大的驱动能力，而CMOS定时电路具有低功耗，输入阻抗高等优点。555定时器工作的电源电压很宽，并可承受较大的负载电流。双极型定时器电源电压围为516V，最大负载电流可达200mA；CMOS定时器电源电压围为318V，最大负载电流为4mA以下。5
37、55芯片如图3-1所示图3-1 555定时器由图3-2不难证明表3-3的正确性，表中第一行说明555定时器的清零作用。4脚加入低电平，将对RS触发器直接置“0”。接在端的三极管起跟随缓冲作用。表3-3 555定时器功能图3-2 555定时器框图当TH高触发端6脚加入的电平大于，TL低触发端2脚的电平大于时，比较器A1输出高电平，比较器A2输出低电平，触发器置“0”，放电管饱和，7脚为低电平。当TH高触发端加入的电平小于，TL低触发端的电平大于时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出低电平，触发器状态不变，仍维持前一行的电路状态，输出低电平，放电管饱和，7脚为低电平。当TH高触发端6脚加入的电平
38、小于，TL低触发端的电平小于时，比较器A1输出低电平，比较器A2输出高电平，触发器置“1”，输出高电平，放电管截止，7脚为高电平。因7脚为集电极开路输出，所以工作时应有外接上拉电阻，故7脚为高电平。当从功能表的最后一行向倒数第二行变化时，电路的输出将保持最后一行的状态，即输出为高电平，7脚高电平。只有高触发端和低触发端的电平变化到倒数第三行的情况时，电路输出的状态才发生变化，即输出为低电平，7脚为低电平。由电路框图和功能表可以得出如下结论：555定时器有两个阈值，分别是和。输出端3脚和放电端7脚的状态一致，输出低电平对应放电管饱和，在7脚外接有上拉电阻时，7脚为低电平。输出高电平对应放电管截止
39、，在有上拉电阻时，7脚为高电平。输出端状态的改变有滞回现象,回差电压为。输出与触发输入反相。（2）555定时器多谐振荡电路555定时器组成的多谐振荡器如图3-3所示，接通电源后，电容C被充电，上升，当上升到时，触发器被复位，同时放电BJT T导通，此时，为低电平，电容C通过和T放电，使下降。当下降到时，触发器又被置位，翻转为高电平。电容器C放电所需时间为 =C2 （3-1） 当C放电完毕时，T截止，Vcc将通过，向电容器C充电，由上升到所需时间为 =（+）C2 （3-2） 当上升到时，触发器又发生翻转，如此周而复始，在输出端就得到一个周期的方波，其频率为 （3-3）由于555定时器部的比较器灵
40、敏度较高，而且采用差分电路形式，它的振荡频率受电源电压和温度的影响很小。图3-3 555定时器构成的多谐振荡电路因为R1、R2都是可变电阻，因此我们可以改变它们其中任何一个值来改变T的值，即改变矩形波的周期，得到我们所需要的时钟信号。若令R1=R2=R，则: T=0.7*3RC=1( s) (3-4)其中R5.2K，而若要得到方波，则有R1R2。3 三点振荡电路（1）振荡器的组成原则三点振荡器是指LC回路的三个端点与晶体管的三个电极分别连接而成的电路,如图3-4所示。由图可见，除晶体管外还有三个电抗元件，它们构成了决定振荡频率的并联谐振回路。同时也构成了正反馈网络，为此，三者必须满足一定的关系
41、。图 3-4根据谐振回路的性质，谐振时回路应呈纯电阻性，因而有+ = 0所以电路中三个元件不能同时为感抗或容抗，必须由两种不同性质的电抗元件组成。在不考虑晶体管参数（如输入电阻，极间电容等）的影响并假设回路谐振时，有=0 ，=0。为了满足平衡条件，即正反馈，应要求=0。根据振荡器平衡条件，应与-同相，一般情况下，回路Q值很高，因此回路电流I应远大于晶体管的基极电流，集电极电流以与发射极电流，故由图3-4有 = （3-5） = - （3-6）因此，应为同性质的电抗元件。综上所述，从相位平衡条件判断图3-6所示的三端式振荡器能否振荡的原则为 和的电抗性质相同；与，的电抗性质相反。为了便于记忆，可以
42、将此原则具体化，与晶体管发射极相连的两个电抗元件必须同性质的，而不与发射极相连的另一电抗与他们的性质相反，简单可记为“射同余异”。考虑到场效应管与晶体管对应关系，只要将上述原则中的发射极改为源极即可适用于场效应管振荡器，称为“源同余异”。 三点振荡器有两种基本电路，当图3-4中，为容性，为感性，满足三点振荡电路的组成原则，反馈网络是由电容元件组成的，称为电容反馈振荡器，也称考必兹振荡器；当图3-4中，为感性，为容性，满足三点振荡电路的组成原则，反馈网络是由电感元件组成的，称为电感反馈振荡器，也称哈特来振荡器。由于电感式三点振荡电路工作频率要底于电容三点式振荡电路，且波形也逊于电容三点式振荡电路
43、，所以电容式三点振荡电路应用更为广泛。下面我们将着重电容三点式振荡电路。（2）电容反馈振荡器图3-5（a）是电容反馈式振荡器的实际电路，图3-5(b)是其交流等效电路。由图3-5（b）可看出该电路满足振荡器的相位条件，且反馈是由电容产生的，因此称为电容反馈式振荡器。图3-5（a）中，电阻，起直流偏置作用，在开始振荡前这些电阻决定了静态工作点，当振荡产生以后，由于晶体管的非线性与工作在截止状态，基极，发射极电流将发生变化，这些电阻又起自偏压作用，从而限制和稳定了振荡的幅度大小；为旁路电容，为隔直电容，保证起振时会具有适宜的静态工作点与交流通路。图中的扼流圈可防止集电极交流电流从电源入地，的交流电
44、阻很大，可以视为开路，但直流电阻很小，可为集电极提供直流通路。Q1QNPNC1C2LR1R2ReCbCeVCCLc图3-5 (a)图3-5(b)图3-5(c)下面分析该电路的振荡频率与起振条件。图3-5（c）示出了3-5（a）图的高频小信号等效电路，由于起振时晶体管工作小信号线性放大区，因此可以用小信号Y参数等效电路。为分析方便起见，在等效时作了以下简化：忽略晶体管部反馈=0 的影响；晶体管的输入电容。输出电容很小，可以忽略它们的影响，也可以将它们包含在回路电容，中，所以不单独考虑；忽略晶体管集电极电流对输入信号的相移，将用跨导表示。另外在图3-5（c）中，表示除晶体管以外的电路中所有电导折算
45、到CE两端的总电导。由3-5（c）图可以得出环路增益的表达式，并令虚部在频率为时等于零，则根据振荡器的相位平衡条件，即为振荡器的振荡频率，因此图3-5(a)电路的振荡频率为=（3-7）C为回路的总电容 C=（3-8）通常式（3-7）中的第二项远小于第一项，也就是说振荡频率可以近似用回路的谐振频率=表示，因此我们在分析计算振荡器的振荡频率时可近似用回路的谐振频率表示，即= （3-9）为保证振荡器有一定的稳定振幅，起振时的环路增益一般取35。四主要电路设计与计算1 电阻测量电路计算电阻的测量围为501M，采取两个量程，量程之间用单片机程序控制继电器自动转换。具体参数如下：表4-1 电阻测量电路参数设计量 程/R1/kC/pF周 期/s频 率/kHz50100001010000702084.8141000010000005110004914220.7202电容测量电路计算由于电容的测量围要求为50 pF-10000 pF，为了保证测量精度我们设计的电路在图1.2.3的基础上增加了5伏继电器，目的是测量时自动切换量程。按照555定时器多谐振荡电路频率计算公式，量程的设计如下表：表4-2 电容测量电路参数设计量 程/ pFR1/kR2/k周 期/s频 率/kHz5010001201202