基于矢量自由軸法的RLC測量儀設(shè)計（軟件）畢業(yè)論文

1、 學科分類號 0712 本科生畢業(yè)論文(設(shè)計)題目（中文）： 基于矢量自由軸法的rlc 測量儀設(shè)計（軟件） （英文）： the measuring instrument design based on the vector free shaft method of rlc(software) 學生姓名： xxx學號：0910xxxxxx系別：物理與信息工程系 專業(yè)： 電子信息科學與技術(shù) 指導教師：張仁民 起止日期： 年 月 日懷化學院本科畢業(yè)論文(設(shè)計)誠信聲明作者鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文(設(shè)計)，是在指導老師的指導下，獨立進行研究所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用

2、的內(nèi)容外，論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果。對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確的方式標明。本聲明的法律結(jié)果由作者承擔。本科畢業(yè)論文（設(shè)計）作者簽名：年 月 日目 錄摘要i關(guān)鍵字iabstractikey wordsii1 前言12 方案論證與選擇32.1 系統(tǒng)總體方案32.2 設(shè)計方案論證62.2.1 正弦信號發(fā)生方案論證與選擇62.2.2 基準相位發(fā)生方案論證與選擇72.2.3 前置測試電路方案論證82.2.4 放大電路方案論證92.2.5 相敏檢波方案論證與選擇92.2.6 微處理器方案論證與選擇103硬件電路設(shè)計與參數(shù)計算123.1 系統(tǒng)總體設(shè)計123.

3、2 子系統(tǒng)電路設(shè)計123.2.1基準相位信號發(fā)生電路133.2.2正弦信號發(fā)生電路143.2.3前置測試電路153.2.4放大電路163.2.5相敏檢波電路174 軟件設(shè)計194.1 軟件主流程圖194.2 系統(tǒng)時鐘軟件設(shè)計204.3 方波產(chǎn)生軟件設(shè)計224.4 測量狀態(tài)控制軟件設(shè)計234.5 ad采樣軟件設(shè)計264.6 顯示部分軟件設(shè)計295 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析295.1 測試儀器295.2 測試方案305.3 測試結(jié)果及分析305.3.1電阻測試305.3.2電容測試325.3.3電感測試336 結(jié)論34參考文獻35致 謝36附錄a37摘要：本文是基于矢量自由軸法的rlc測量儀設(shè)計。采用的

4、是超低功耗msp430g2553單片機和nokia5110液晶顯示測量電阻、電容、電感及相關(guān)輔助變量。該系統(tǒng)由自制電源、基準相位發(fā)生器、正弦波發(fā)生器、前置測量電路、放大電路、相敏檢波電路與單片機最小系統(tǒng)等構(gòu)成超低功耗。采用msp430g2553單片機的pwm輸出功能和內(nèi)部10位ad分別進行方波信號的產(chǎn)生和ad數(shù)據(jù)采集。前置測量電路由八級標準電阻和高精度的儀表運放組成，通過單片機和模擬開關(guān)能夠自動選擇相應(yīng)的標準電阻檔級與放大控制，使小阻抗信號可以精確采樣，實現(xiàn)自動測量。系統(tǒng)采用雙/4脈沖積分鑒相原理，結(jié)合矢量自由軸法提高了rlc測量的精度。關(guān)鍵字：自由軸；rlc；msp430g2553；低功耗a

5、bstract: this paper is based on vector free shaft method of rlc measuring instrument design. use of low power consumption msp430g2553 scm and nokia5110 liquid crystal display measurement resistor, capacitor, inductor and related auxiliary variable. this system is composed of homemade power supply, t

6、he reference phase generator, sine wave generator, leads the measurement circuit, the amplification circuit, phase-sensitive detection circuit and msp430g2553 minimum system composition. the msp430g2553 scm pwm output function and internal 10 ad respectively square wave signal generation and ad data

7、 acquisition. lead measurement circuit by very standard resistance and high precision instrument op-amp composition, through the single-chip microcomputer and analog switch can automatically choose corresponding standard resistance grades and amplification control, make the small impedance signal ca

8、n accurate sampling, the realization of automatic measurement. the system adopts double / 4 pulse integral phase theories, combined with vector free shaft method improves the rlc the accuracy of measurement.key words: free shaft;rlc;msp430g2553; low power consumption1、前言隨著科技的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品正以前所未有的速度，向著多功能

9、化、體積最小化、功耗最低化的方向發(fā)展，機電產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于家電、通信、一般工業(yè)。無論是日常生活乃至航空航天和軍事領(lǐng)域高端科技領(lǐng)域，電子技術(shù)的應(yīng)用均日益深入。掌握必要的電子知識成為我們常生活必要技能。在生活中我們測量電阻、電感、電容時實際需要用到多個儀表，而那些能夠完成同時測量的儀器儀表存在諸多不便，如傳統(tǒng)的rlc測量儀體積龐大，功耗大，國內(nèi)外主要儀器廠家還產(chǎn)生了內(nèi)含微處理器的各種rlc參數(shù)測量儀。這種專用的rlc測量儀具有多功能、多參量、多頻率、高速度、高精度、大屏幕、菜單方式顯示等優(yōu)點。如高頻lcr數(shù)字電橋，該產(chǎn)品是一種高準確度，寬測試范圍的lcr測量儀，有液晶顯示屏，全中文菜單。可提供穩(wěn)定的

10、6位測試分辨率，測試信號電平可進行0.01 v-2.0 v可編程設(shè)置，自動分配選擇匹配系數(shù)實現(xiàn)自動化，能適用生產(chǎn)現(xiàn)場高速檢測等應(yīng)用。雖然高頻lcr數(shù)字電橋具有許多的有點，但功耗高、價格十分昂貴。人類是不斷進步發(fā)展的，科技技能和知識不斷積累，數(shù)字信號處理技術(shù)越來越成熟，各類芯片性能不斷提升，伴隨著新技術(shù)的出現(xiàn)，各項技術(shù)都有突破進展。現(xiàn)在設(shè)計者們采用數(shù)字信號處理的方法逐漸替代了傳統(tǒng)模擬測量信號相位、頻率、幅度信息，降低了模擬器件的使用量和系統(tǒng)復(fù)雜程度，便于智能化控制。這與以往傳統(tǒng)的rlc測量方法不同，這是一種將r、l、c參數(shù)轉(zhuǎn)換成頻率信號f，然后用單片機計算后再運算求出r、l和c的方法。其轉(zhuǎn)換原理

11、分別是rc振蕩和lc三點式振蕩，這樣就能夠把模擬量近似轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，而頻率f是單片機很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化的處理一方面使測量精度提高了，另一方面也便于使儀表實現(xiàn)智能化。但這種方法實現(xiàn)上有很大的難度。設(shè)計者往往不選這種設(shè)計方法。rlc測量方法有很多，對電阻的測量最為簡單。電容電感對時變信號敏感，可將電容電感轉(zhuǎn)換成與電量、時間和頻率相關(guān)的物理量，通過對電量、時間或頻率的測量獲得電感電容值。rlc測量有電橋法、比例法、諧振法等，目前通過不同的模擬電橋電路可以實現(xiàn)rlc參數(shù)的較精確測量，在測量時需要預(yù)先判別rlc類型再選擇合適的測量電橋和測量頻率，因此測量時智能化水平不高。rlc測量方法各自有

12、著不同的優(yōu)缺點，根據(jù)實際需要選擇適合的設(shè)計方法。 交流電橋法：運用交流電橋法進行rlc測量時系統(tǒng)要達到平衡，實現(xiàn)平衡必須滿足兩個條件，必須調(diào)節(jié)兩個橋臂的參數(shù)，才能使電橋完全達到平衡，而且往往需要對這兩個參數(shù)進行反復(fù)地調(diào)節(jié)，所以交流電橋的平衡調(diào)節(jié)要比直流電橋的調(diào)節(jié)困難一些。具有較高的測量精度，被廣泛采用，現(xiàn)已派生出許多類型。但電橋法測量需要反復(fù)進行平衡調(diào)節(jié)，測量時間長，很難實現(xiàn)快速的自動測量。 諧振法：要求較高頻率的激勵信號，一般不容易滿足高精度的要求。由于測試頻率不固定，測試速度也很難提高。 伏安法：最經(jīng)典的方法，它的測量原理來源于阻抗的定義，即若已知流經(jīng)被測阻抗的電流相量并測得被測阻抗兩端的

13、電壓，則通過比率便可得到被測阻抗的相量。采用了基于矢量自由軸伏安法測量原理和四端測量技術(shù)。矢量自由軸法可將復(fù)數(shù)變換成是實數(shù)的計算。大大降低了計算的復(fù)雜度?，F(xiàn)階段各類rlc測量設(shè)計廣泛使用矢量自由軸法，此方法能智能小、巧高靈敏度地測量電阻、電感和電容，利用msp430單片機設(shè)計一種基于矢量自由軸法的智能化的rlc測量系統(tǒng)。msp430單片機是美國德州儀器（texas instruments）1996年開始推廣的一種16為超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器。針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，為各種便攜式設(shè)備儀器提供 “單片”解決方案。該系列單

14、片機多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。本設(shè)計是一種基于矢量法的rlc測量儀，系統(tǒng)由信號源產(chǎn)生電路、前置測量電路、相敏檢波電路、微處理器及顯示電路構(gòu)成。自動換擋測量電阻、電感、電容的值及相關(guān)的輔助量。2、方案論證與選擇2.1、系統(tǒng)總體方案伏安法是rlc自動測量最經(jīng)典的方法之一，它的測量原理來源于阻抗的定義。即若已知流經(jīng)被測阻抗的電流相量并測得被測阻抗兩端的電壓，通過對兩端電壓的測量經(jīng)四則運算得，到比值便是被測阻抗的相量。伏安法測量原理圖如圖2.1所示。 圖2.1 伏安法測量原理圖圖中是已知的恒流源相量；是已知的標準阻抗；被測阻抗與標準阻抗串聯(lián)。則分別測出和兩端的電壓相量和，便可通過計算得到

15、待測阻抗 (2.1)其中的大小反映了流經(jīng)被測阻抗上電流相量的大小。矢量伏安法通過測量待測量和標準量的兩個電壓分量，然后再通過一系列運算得到被測阻抗的數(shù)值。本設(shè)計是基于矢量自由軸法測量rlc的設(shè)計，自由軸法測量的原理框圖如圖2.2所示。圖2.2 自由軸法測量原理框圖通過微處理器控制模擬開關(guān)s來選擇和，對每個和進行兩次測量，這兩次測量的參考基準信號相位要求保持精確的90相位關(guān)系，以得到預(yù)期的坐標軸上投影分量，由a/d轉(zhuǎn)換器變成數(shù)字量經(jīng)接口電路送到微處理器系統(tǒng)中存儲，經(jīng)過微處理器的四則運算，即可求出最后的待測參數(shù)。采用自由軸測量時相敏檢波器的相位參考基準可以任意選擇，只要求x，y坐標軸標準正交，簡化

16、了硬件電路，提高了精確度。在自由軸法測量中、和坐標軸的關(guān)系如圖2.3所示。圖2.3 自由軸法相量圖由自由軸矢量關(guān)系圖可知 (2.2) (2.3)由此可得 (2.4)以電容測量為例，可建立測量rlc參數(shù)的數(shù)學模型如下 (2.5) (2.6)其中e為a/d轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)，即每個數(shù)字所代表的電壓值。是對應(yīng)的數(shù)字量。所以，兩矢量之商可表示為 （2.7）若采用標準電阻,則有 (2.8)將式(2. 7)代入式(2. 8)得 (2.9)所以被測參數(shù)的實部和虛部分別為 (2.10) (2.11)斜率相位角為 (2.12)2.2、設(shè)計方案論證2.2.1、正弦波信號發(fā)生方案論證與選擇方案一 基于dds的fpga

17、實現(xiàn) dds的主要優(yōu)點是它的輸出頻率、相位和幅度能夠在微控制器的控制下精確而快速的變換。原理框圖如圖2.4所示。 圖2.4 dds原理框架圖正弦波信號發(fā)生器由晶體振蕩器、數(shù)字分頻器、數(shù)字波形存儲器、d/a轉(zhuǎn)換器和濾波放大器構(gòu)成。數(shù)字波形存儲器可由fpga芯片內(nèi)嵌的rom進行波形數(shù)據(jù)存儲，在fpga地址變量的尋址下，rom輸出按正弦規(guī)律變化的數(shù)字量。經(jīng)過d/a轉(zhuǎn)換后得到階梯型正弦波。再經(jīng)過濾波器濾波后輸出1mhz的正弦信號，產(chǎn)生的信號再經(jīng)數(shù)字分頻器產(chǎn)生系統(tǒng)所需要的固定頻率送至控制端口。方案二 基于msp430單片機實現(xiàn)msp430單片機具有多個16位定時器計數(shù)器并復(fù)合了捕獲、比較寄存器。如定時器

18、a最多擁有3個捕獲、比較器可支持捕獲、比較功能、pwm輸出和定時器功能。我們可以利用msp430單片機定時器的pwm輸出功能，配置定時器相關(guān)寄存器實現(xiàn)pwm方波輸出。將輸出的方波信號通過正弦波信號產(chǎn)生電路和濾波電路產(chǎn)生相應(yīng)的正弦波信號。 由于方案二相對于方案一外圍電路簡單、功耗低、而且器件價格便宜，便于便攜式設(shè)計應(yīng)用。故選擇方案二。2.2.2、基準相位發(fā)生方案論證與選擇方案一 基于單片機和fpga實現(xiàn)基準系統(tǒng)信號源的產(chǎn)生可由單片機生成各種波形的數(shù)據(jù)表傳輸給fpga，通過利用dds技術(shù)使fpga生成對應(yīng)需要的波形輸出，通單片機控制并行總線將波形數(shù)據(jù)寫入存儲器，相位累加器輸出地址控制下將波形數(shù)據(jù)依

19、次送給高速d/a，經(jīng)濾波器后產(chǎn)生所需要的波形信號。波形信號能實時改變，利用單片機系統(tǒng)進行控制和處理后，實現(xiàn)基準信號源的產(chǎn)生。波形數(shù)據(jù)和頻率控制字k由串口寫入fpga，在本系統(tǒng)中單片機擔任著主要的控制作用。由于鑒相器要求被測信號與基準信號的頻率相同，同時兩個信號相互正交(相位相差90)。相互正交的自由軸坐標由fpga的分頻器和單片機所存儲的正交波形rom數(shù)據(jù)表組成，由于系統(tǒng)要產(chǎn)生100hz、1khz、10khz三種正交波形信號，所以rom中應(yīng)存放6組初相相位差為90的正弦波數(shù)據(jù)，產(chǎn)生三組相互正交的正弦波形。單片機利用ad進行數(shù)據(jù)采集運算，判別基準檔位選擇，達到最佳效果，可實現(xiàn)自動檔位選擇，實現(xiàn)r

20、lc高精度自動測量。方案二 利用基礎(chǔ)數(shù)字器件實現(xiàn)由msp430單片機產(chǎn)生1mhz的方波信號，然后再經(jīng)過數(shù)字器件器74ls390計數(shù)器進行分頻和將分頻后的兩路信號送至移位寄存器74hc164的數(shù)據(jù)輸入端和時鐘輸入端，后產(chǎn)生相互正交的信號。方案一采用單片機和fpga處理器利用rom存儲器存儲系統(tǒng)所需的多種信號波形數(shù)據(jù)，雖然能夠高精度、快速實時改變所需信號輸出，但設(shè)計和系統(tǒng)控制方法復(fù)雜。方案二僅使用msp430單片機作為微處理器利用簡單的數(shù)字器件，方法簡單，便于實現(xiàn)。綜合考慮后我們選擇方案二。2.2.3、前置測試電路方案論證 前置測試電路主要由反相比例運算電路構(gòu)成，該電路基本放大器的共模輸入信號為零

21、，因此對基本放大電路抑制共模能力要求降低，使測試電路受系統(tǒng)共模信號影響降低，能增加測試精度。由于待測器件上電壓和標準電阻上電壓是矢量自由軸法測量rlc的核心，所以選擇運用儀用運放ina128分別放大和。儀用放大器與普通集成運算放大器相比具有很多優(yōu)點，儀用放大器具有能夠消除任何共模信號而放大差模信號的特性，正常工作時, 它既能放大微伏級差模信號, 同時又能抑制幾伏的共模信號。同時儀用放大器還具有線性誤差小輸入阻抗高等特性，為精確測量電路提供了保障。通過微處理器計算控制模擬開關(guān)在各個標準電阻檔位之間選擇合適的檔位進行測量。實現(xiàn)自動測量，提高精度。2.2.4、放大電路方案論證由單片機編程控制多路模擬

22、開關(guān)cd4053、cd4051導通與斷開，實現(xiàn)對標準電阻上的差分電壓進行再次放大測試或?qū)Υ郎y原件上的差分電壓進行再次放大測試。同時由模擬開關(guān)選擇不同,控制運算放大器opa704的工作方式，實現(xiàn)運放工作在跟隨狀態(tài)，還是構(gòu)成同相輸入比例運算電路實現(xiàn)放大作用。2.2.5、相敏檢波方案論證與選擇 方案一數(shù)字相敏檢波數(shù)字相敏檢波器由乘法型d/a轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成，用乘法型d/a轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)字鑒相。如輸入正弦信號為，被測信號,經(jīng)過由乘法型d/a構(gòu)成的數(shù)字檢波器后輸出為 (2.1)實現(xiàn)90相移操作時正弦波信號變?yōu)?(2.2)d/a輸出為 (2.3)方案二 脈沖積分鑒相利用模擬開關(guān)進行脈沖積分鑒相，脈沖積

23、分鑒相有單/4脈沖積分鑒相和雙/4脈沖積分鑒相之分，單/4脈沖積分鑒相原理圖如圖2.5所示，可推導測量電壓在實軸上的投影為 (2.4)在虛軸上的投影為 (2.5)利用雙/4脈沖積分鑒相器可推導出測量電壓在實軸方向上的投影為 (2.6)在虛軸方向上的投影為 (2.7)由推導公式可見，用雙/4脈沖積分鑒相的波形幅度為單/4脈沖積分鑒相的倍。方案一乘法型d/a鑒相前端的直流容易產(chǎn)生漂移，乘法器中的直流也會產(chǎn)生漂移，造成的噪聲處理和濾波都很麻煩所以不選乘法型d/a鑒相。雙/4脈沖積分電路積分鑒相輸出波形幅度為單/4的倍，所以選擇方案二的雙/4脈沖積分鑒相進行相敏檢波。圖2.5 單/4脈沖積分電路原理圖

24、2.2.6、微處理器方案論證與選擇 方案一 51單片機 利用51單片機作為整個系統(tǒng)的微處理器，控制激勵的產(chǎn)生及整個測試過程的進行。stc89c52是低電壓，高性能cmos 8位單片機，片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的flash只讀程序存儲器和256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（ram），器件采用高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，與標準mcs-51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（cpu）和flash存儲單元，功能強大。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2.6所示。圖2.6 51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 方案二 msp430單片機msp430單片機針對實際應(yīng)用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字

25、電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，為各種便攜式設(shè)備儀器提供“單片”解決方案。10/12位硬件a/d轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；由于系統(tǒng)運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（am）和五種低功耗模式（lpm0lpm4）。在實時時鐘模式下，可達2.5a ，在ram保持模式下，最低可達0.1a，另外，msp430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，中斷喚醒只需5s。功能強大，功耗超低。雖然方案一和方案二都能完成系統(tǒng)所需要的功能，但方案二內(nèi)

26、嵌ad采樣器和pwm波輸出功能，通過配置寄存器便能輸出方波信號。功耗超低，可用電池供電，實現(xiàn)便攜式設(shè)計。綜合考慮選擇方案二。3、硬件電路設(shè)計與參數(shù)計算3.1、系統(tǒng)總體設(shè)計系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖3.1所示。在msp430單片機的控制下通過正弦波發(fā)生器和基準信號發(fā)生器產(chǎn)生測試所需要的三組相互正交的100hz、1khz、10khz正弦波信號，用于相敏檢波器。正弦波作為前端測試電路的激勵信號，根據(jù)自由軸法測量阻抗的相關(guān)計算，選擇是否放大基準電阻和被測電阻兩端的電壓，將放大到合適范圍內(nèi)的電壓信號進行相敏檢波，然后通過，msp430單片機進行a/d采樣存儲經(jīng)過微處理器的四則運算，即可求出最后的待測參數(shù)。ms

27、p430單片機最小系統(tǒng)正弦波發(fā)生器相敏檢波器lcd顯示放大電路前置測試電路基準相位發(fā)生電路圖3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖3.2、子系統(tǒng)電路設(shè)計 整個系統(tǒng)由正弦波發(fā)生電路、基準相位信號發(fā)生電路、前置測試電路、放大電路、相敏檢波器、微處理器及l(fā)cd顯示電路構(gòu)成。3.2.1、基準相位信號發(fā)生電路 基準相位信號發(fā)生電路如圖3.3所示。利用msp430g2553單片機定時器a的pwm輸出功能配置相關(guān)寄存器產(chǎn)生1mhz方波sinclk，經(jīng)p9端口進入基準相位發(fā)生電路，作為十進制計數(shù)器74ls390的時鐘信號。74ls390可實現(xiàn)2分頻、5分頻、乃至100分頻的任何累加倍數(shù)的周期長度,邏輯圖如圖3.2所示。圖3

28、.2 74ls390邏輯圖經(jīng)過四次分頻后得到兩路成四倍關(guān)系的信號 (3.1) (3.2)將作為74hc164移位寄存器的時鐘信號而作為其數(shù)據(jù)信號。則74hc164的相鄰輸出端口輸出相位相差90的正交方波信號0_clk和90_clk，分別輸出頻率為10khz、1khz、100hz三組相互正交的方波信號。電路中電容c26、c27、c28、c29是濾除芯片74hs390和74hc164的電源紋波。圖3.3 基準相位發(fā)生電路3.2.2、正弦信號發(fā)生電路正弦波發(fā)生器電路如圖3.4所示。將正交發(fā)生電路產(chǎn)生的0_clk信號送至八階低通濾波器max293的輸入端。再通過兩階無源rc低通濾波器進一步濾波。max

29、293是在截止頻率可控的八階巴特沃斯濾波器。截止頻率與max293時鐘輸入信號的關(guān)系為 (3.3) 采用單電源供電，v-接實地，而gnd接r31和r32分壓后得到的2.5v電壓，構(gòu)成一個虛地。輸入信號為0_clk，當0_clk為高電平即5v時，經(jīng)r19、r20、r21構(gòu)成的分壓電路后輸出電壓為3.3v，而0_clk為低電平時，輸入max293的電壓為1.7v，所以最終輸如到max293的電壓相對于2.5v的虛地為一雙極性的方波。所以當sinclk輸入方波頻率為1mhz、100khz、10khz時，對應(yīng)輸出的正弦波信號為10khz、1khz、1khz。q1、q2、q3、q4四個三極管工作在開關(guān)狀

30、態(tài)，msp430單片機可控制二階低通rc無源濾波器的截至頻率。以對前面得到的三種頻率的正弦波進一步濾波。后面的高通濾波器是為了濾除50hz市電干擾。電容c39到c44都是起濾波和退偶的作用，使電源更干凈，芯片工作更穩(wěn)定。用電壓跟隨器作為緩沖級，以加強對后面電路的驅(qū)動能力。圖3.4 正弦信號發(fā)生電路3.2.3、前置測試電路前置測試電路電路圖如圖3.6所示。前置放大電路的作用是測量流經(jīng)被測器件的電壓及代表恒定電流大小的電壓。由tl081構(gòu)成的反相比例運算電路。儀表運放ina128放大待測原件上的差分電壓和基準電阻上電壓。ina128內(nèi)部原理圖如圖3.5所示。圖3.5 儀用運放ina128內(nèi)部原理圖

31、儀用運放輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為 (3.4)檔位選擇由模擬開關(guān)cd4051控制，通過單片機控制模擬開關(guān)選擇不同的檔位的基準電阻進行測試，同時另一個模擬開關(guān)選擇需要檔位基準電阻上的電壓送入儀表運放進行放大。兩個模擬開關(guān)的控制是同時進行的。此電路的基準電阻由八個檔位構(gòu)成用來改變測量量程，分別為33.3、100、500、2.2k、10k、50k、220k、680k，各個電阻之間基本相差5倍關(guān)系，測量電阻的范圍與各當為基準電阻r的關(guān)系為 (3.5)這樣提高了換擋的精確度，使個器件的測量達到正確的檔位上去。圖3.6 前置測試電路3.2.4、放大電路放大電路電路圖如圖3.7所示。端口1、2分別與前值測量

32、電路的端口1、2相連，通過單片機控制模擬開關(guān)cd4053來控制輸入信號的選擇。當模擬開關(guān)選擇置端口1時，由opa704構(gòu)成的差分放大器測量待測阻抗上的電壓，當模擬開關(guān)置于端口2時，差分放大器便可以測量出被測器件上的電壓。和分別被差分放大器放大后，便通過開關(guān)輸入到放大器進行再次放大，放大器的增益可通過選擇模擬開關(guān)不同的工作方式加以控制。運放opa704工作在跟隨狀態(tài)時，不具備放大功能。當構(gòu)成同相輸入比例運算電路時，輸入電壓與輸出電壓之間的關(guān)系為 (3.6)由此可知該電路的放大倍數(shù)只有1倍和5倍兩檔。圖3.7 放大電路3.2.5、相敏檢波電路相敏檢波電路的作用是將、用不同的參考相位進行鑒相并將其平

33、均值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。相敏檢波有由模擬開關(guān)組成，控制模擬開關(guān)開與斷，即0或90的基準相位信號。采用雙/4脈沖積分檢相原理，原理圖如圖3.8所示。圖3.8 雙/4脈沖積分鑒相原理圖由雙/4脈沖積分鑒相可推導出測量電壓在x軸方向的投影為 (3.7)在虛軸方向上的投影為 (3.8) 相敏檢波電路圖如圖3.9所示。將相互正交的正弦波信號0_clk和90_clk由p1端口輸入，通過p2口控制模擬開關(guān)cd4053的通與斷選擇兩個信號。兩路模擬開關(guān)的通斷時間為測量信號的半個周期。采用二階有源低通濾波器來實現(xiàn)積分，濾波器的設(shè)定在1hz也就相當于一個積分器。因為采用的是雙/4脈沖積分檢相原理，所以兩路濾波器出

34、來的差模信號才是對應(yīng)被測電壓在坐標軸上的投影值，經(jīng)過差分運放再次放大。本設(shè)計是采用微處理器msp430g2553內(nèi)部ad進行電壓采集，只能采集正電壓，必須將相敏檢波后的電壓進行抬升，使電壓總大于0。由ref5030和電阻r1和r2將電壓抬升1.78v。用tl081做跟隨器，經(jīng)過加法器后輸出電壓為 (3.9)所以在用單片機進行ad采集時，將采集的電壓值減1.78v才是投影在坐標軸上的真實值。據(jù)此值，單片機進行四則運算求出待測值。圖3.9 相敏檢波電路4、軟件設(shè)計本設(shè)計使用msp430g2553單片機作為微處理器產(chǎn)生方波信號和ad數(shù)據(jù)采集，控制整個rlc測量過程的進行。4.1、軟件主流程圖 系統(tǒng)總

35、體軟件設(shè)計流程圖如圖4.1所示。初始化開始初始檔位選擇a/d采樣計算a/d采回來的數(shù)據(jù)計算出z值是否大于或小于該檔位范圍增大檔位減小檔位調(diào)用相關(guān)計算公式計算調(diào)用顯示程序顯示圖4.1 軟件流程圖4.2、系統(tǒng)時鐘軟件設(shè)計msp430g2553單片機具有獨特的時鐘系統(tǒng)，共有三個時鐘源。通過配置相應(yīng)的寄存器就能使用想要的系統(tǒng)時鐘。 lfxt1clk，為低速/高速晶振源，通常可外接32.768khz的時鐘晶振； dcoclk，數(shù)控振蕩器，為內(nèi)部晶振，由rc震蕩回路構(gòu)成； vloclk，內(nèi)部低頻振蕩器，12khz標準振蕩器,超低功耗。同時msp430g2553單片機內(nèi)部有三個時鐘系統(tǒng)，分別為 aclk 輔

36、助時鐘，可有軟件選擇作各個外圍模塊。 mclk 系統(tǒng)主時鐘單元，為系統(tǒng)和cpu提供時鐘； smclk 系統(tǒng)子時鐘, 軟件選擇作各個外圍模塊；有四個相應(yīng)的時鐘配置寄存器為dcoctl、bcsctl1、bcsctl2、bcsctl3。這些時鐘可以在指令的控制下寄存器相應(yīng)功能的打開和關(guān)閉，由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 cpu 和各功能所需的時鐘從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。 msp430g2553單片機內(nèi)部基礎(chǔ)時鐘模塊方框圖如圖4.2所示。本設(shè)計系統(tǒng)運行時鐘頻率選擇8mhz，通過控制相應(yīng)的寄存器來實現(xiàn)?？撮T狗方結(jié)構(gòu)框圖如圖4.3所示，通過配置看門狗寄存器wdtctl禁止看門狗的運行。系統(tǒng)時鐘設(shè)計實例程序如下所示。

37、void clk_init()wdtctl = wdtpw+wdthold;if (calbc1_8mhz = 0xff | caldco_8mhz = 0xff)while(1);bcsctl1 = calbc1_8mhz;dcoctl = caldco_8mhz;圖4.2 基礎(chǔ)時鐘模塊方框圖 圖4.3 看門狗結(jié)構(gòu)框圖4.3、方波產(chǎn)生軟件設(shè)計 本設(shè)計采用msp430g2553定時器a的pwm輸出功能，產(chǎn)生方波信號。定時器a結(jié)構(gòu)圖如圖4.5所示。配置定時器a控制寄存器tactl使單片機工作在單調(diào)增模式，即定時器的計數(shù)值達到taccr0時定時器就回到0重新計數(shù)。配置捕獲比較控制寄存器tacctl

38、1使定時器a處于輸出模式，各輸出模式配置后輸出波形如圖4.4所示。圖4.4 各輸出模式波形圖本設(shè)計選擇輸出模式output mode2 toggle/reset,通過改變taccr0和taccr1的值實現(xiàn)不同頻率方波信號的輸出。如系統(tǒng)時鐘為8mhz,定時器時鐘源選擇smclk，產(chǎn)生頻率f為1mhz的方波，計算得taccr0的值為 (4.1)輸出的方波占空比為50%，所以taccr1的值為 (4.2)本設(shè)計需輸出頻率為1mhz、100khz、10khz三種頻率的方波信號。所以我們將taccr0和taccr1分別設(shè)置為7和4、79和40、799和400。定時器a產(chǎn)生pwm波的實例程序如下；void

39、 ta1_init(void) /1mhz pwm波輸出ta1ccr0=7; /5usta1ccr1=3; /pwm波輸出ta1cctl1|=outmod_2;ta1ctl|=tassel_2+mc_1; /不要中斷定時中斷圖4.5 定時器a結(jié)構(gòu)圖4.4、測量狀態(tài)控制軟件設(shè)計 本設(shè)計采用了兩種模擬開關(guān)cd4051和cd4053，通過單片機編程控制開關(guān)的通與斷實現(xiàn)整個測量過程的進行。cd4051是單8通道數(shù)字控制模擬電子開關(guān)，cd4053是雙2通道數(shù)字控制模擬開關(guān)。兩模擬開關(guān)都有a、b和c三個二進制控制輸入端以及inh共4個輸入，具有低導通阻抗和很低的截止漏電流。真值表如圖4.6所示。由真值表可

40、以開關(guān)接通哪一通道，可由單片機編程控制3位地址碼abc來決定。整個芯片的工作由inh端控制，所以在硬件設(shè)計時將inh端一直拉低。由于msp430g2553單片機i/o端口有限,所以我們用74hc595串轉(zhuǎn)并芯片實現(xiàn)i/o端口的擴展。圖4.6 模擬開關(guān)真值表采用自由軸法測量時，整個測量過程按照一定的順序進行，先測量標準電阻的實部、虛部，然后再測量被測元件的實部、虛部。整個測量過程檔位轉(zhuǎn)換實例程序如下所示,測量四個狀態(tài)參數(shù)。while(1) for(n=0;n4;n+)/循環(huán)4次依次取出標準電阻實部，虛部；被測元件實部，虛部 if(n=0) /f=1采樣標準電阻，g=0采樣實部 ctrl &=f;

41、 ctrl &=g; m595_send(ctrl); _delay_cycles(10000000);/延時1s待相敏檢波輸出穩(wěn)定 adc10_sample(); nrr=val1-509; /標準電阻實部nrr 509為抬高的電平 if(n=1)/f=1采樣標準電阻,g=1采樣虛部 ctrl &=f; ctrl |=g; m595_send(ctrl); _delay_cycles(10000000);/延時1s等待輸出穩(wěn)定 adc10_sample(); nri=val1-509; /標準電阻虛部nri 509為抬高的電平 if(n=2)/ f=0待測電阻g=0實部 ctrl |=f;

42、ctrl &=g; m595_send(ctrl); _delay_cycles(10000000);/延時1s等待輸出穩(wěn)定 adc10_sample(); nxr=val1-509;/待測實部nxr 509為抬高的電平 if(n=3)/f=0待測電阻g=1實部 ctrl |=f; ctrl |=g; m595_send(ctrl); _delay_cycles(10000000);/延時1s等待相敏檢波輸出穩(wěn)定 adc10_sample(); nxi=val1-509; /待測實部nxi 509為抬高的電平 4.5、a/d采樣軟件設(shè)計 msp430g2553單片機內(nèi)部adc10是高性能的10

43、位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。模塊的結(jié)構(gòu)框圖如圖4.10所示。具有一個10位逐次逼近（sar）內(nèi)核，采用選擇控制，參考電壓產(chǎn)生器和數(shù)據(jù)傳遞控制器（dtc）。最大轉(zhuǎn)換速率為200ksps,具有采樣保持功能，并可選采樣周期?？捎绍浖蚨〞r器a初始化轉(zhuǎn)換，軟件編程選擇1.5v或2.5v內(nèi)部參考電壓。具有多路外部輸入通道，可選時鐘源，自動存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制器。 adc10工作時將采集的模擬量轉(zhuǎn)換成10位的數(shù)字形式，轉(zhuǎn)換后將結(jié)果以二進制形式存儲于adc10mem寄存器中。轉(zhuǎn)換公式為 (4.3)其中式(4.3)中和為參考電平，可由編程選擇。adc10模塊通過設(shè)置adc10ctl0(見圖4.7)和adc10ctl1

44、見圖(4.8)兩個控制寄存器完成整個轉(zhuǎn)換過程。只有在enc=0時，adc10的控制為才可以被改變，所以在進行轉(zhuǎn)換之前enc位必須設(shè)為1。圖4.7 adc10控制寄存器0圖4.8 adc10控制寄存器1adc10采樣過程如圖4.9所示，在采樣過程中，用戶必須保證在轉(zhuǎn)換結(jié)束前所選擇的adc10clk都保持在活動狀態(tài)。如果在轉(zhuǎn)換期間時鐘丟失或關(guān)閉，轉(zhuǎn)換將無法完成，本次轉(zhuǎn)換結(jié)果將無效。為了使測量結(jié)果更加精確，采用平均值濾波方法，進行多次采樣求平均值。圖4.9 adc10轉(zhuǎn)換過程圖圖4.10 adc10模塊的結(jié)構(gòu)框圖adc10初始化設(shè)置實例程序如下:void adc10_init(void)adc10c

45、tl0|=adc10on+msc+adc10sht_2+sref_0;/非中斷模式adc10ae0|= bit0; /a0adc10ctl1|=inch_0 +conseq_0; /序列通道單詞adc10單通道單次轉(zhuǎn)換的實例程序如下；void adc10_sample() /ad轉(zhuǎn)換while(adc10ctl1&adc10busy); /是否繁忙adc10ctl0|=adc10sc+enc;/開始轉(zhuǎn)換while(adc10ctl1&adc10busy);/等待轉(zhuǎn)換結(jié)束a=adc10mem; /讀出結(jié)果ad采樣值軟件濾波實例程序:for(i=0;i99;i+) adc10_sample();

46、val1=val1+a;val1=val1/100;4.6、顯示部分軟件設(shè)計 與msp430g2553單片機相同nokia5110液晶也具有低電壓、低功耗、性價比高等特點，使用單片機的i/o資源少，非常適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測試設(shè)備中使用。 數(shù)據(jù)將以字節(jié)的格式下載到nokia5110的48*84位顯示數(shù)據(jù)ram矩陣，通過地址指針尋址。在水平尋址模式(v=0)，x地址在每個字節(jié)之后遞增,經(jīng)最后的x地址(x=83)之后，x繞回0，y遞增到下一行的地址。經(jīng)最后地址之后(x=83,y=5)，地址指針繞回原始地址(x=0,y=0)。nokia5110指令格式分為兩種模式如圖4.11所示。如果d

47、/c(模式選擇)置為低，當前字節(jié)為命令字節(jié)。如果d/c置為高，為數(shù)據(jù)字節(jié)，同時接下來的字節(jié)將存儲到顯示數(shù)據(jù)ram。圖4.11 nokia5110指令集5、系統(tǒng)測試及結(jié)果分析5.1、測試儀器 數(shù)字萬用表(dt-830b)、雙蹤示波器(gds-1062a)、自制直流穩(wěn)壓源、高頻導納電橋(lcr-829)。5.2、測試方案 將待測的電阻、電感、電容先由高頻導納電橋測量并記錄其精確值，再將待測元件接入本設(shè)計的rlc測量儀。記錄測量結(jié)果并分析。5.3、測試結(jié)果及分析 在整個測試過程中，系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)將自動分辨從nokia5110液晶顯示出來。如在msp430g2553計算采集數(shù)據(jù)時nokia5110液晶的

48、顯示如圖5.1所示。圖5.1 測量時液晶顯示5.3.1、電阻測試 在測試前將每個電阻元件經(jīng)高頻導納電阻測量其精確值，然后再由系統(tǒng)進行調(diào)試測量得出電阻值，再進行誤差分析誤差值為 (5.1)設(shè)計采用了八個標準電阻檔位，其它檔位間距相應(yīng)減小，測量結(jié)果更加精確。如將1k的精確電阻接入系統(tǒng)進行測量，測量結(jié)果如圖5.2所示。電阻測量數(shù)據(jù)如表5.1所示。 圖5.2 電阻測量結(jié)果表5.1 電阻測試待測值r0()測量值r1（）誤差10100.00%22220.00%1001000.00%2002000.00%3283290.30%4324330.23%5005010.20%7707710.13%10001002

49、0.20%149814970.07%219821920.27%382438270.08%510050990.02%1000099860.14%20150201970.23%22160221350.11%46400463780.05%56180561690.02%63100630510.08%92660922810.41%1795001784300.60%3005003006000.03%4717004702000.32%6820006808000.18%100300010053470.23%5.3.2、電容測試 和電阻測量一樣，電容測量也是先由高頻導納電橋進行測量，在進行測試。如將精確10nf的電容接入測量系統(tǒng)結(jié)果顯示如圖5.3所示。電容測量結(jié)果如表5.2所示。雖然測量精度有所不同，但整體在5%以下，達到設(shè)計要求。圖5.3 電容測量結(jié)果表5.2 電容測量數(shù)據(jù)記錄類型待測值c0(pf)測量值c1(pf)誤差極性電容47.1470.21%1011000.99%2132