課程設(shè)計(jì)(論文)簡易數(shù)字式電阻、電容和電感測量儀研究報(bào)告_第1頁
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文檔簡介

1、簡易數(shù)字式電阻、電容和電感測量儀研究報(bào)告摘 要本設(shè)計(jì)采用自由軸法實(shí)現(xiàn)電阻、電容和電感的測量,電路以ti公司的16 位超低功耗微控制器msp430f149為主控制器,控制fpga以dds方式產(chǎn)生三個(gè)固定頻率的交流信號(hào),利用自動(dòng)平衡電橋,數(shù)字鑒相的自由軸法,通過測量高端和低端兩路矢量電壓的四端對(duì)測法,并結(jié)合ti公司推出的微功耗、高精度、24位-型模數(shù)轉(zhuǎn)換器來精確測量電感l(wèi)、電容c和電阻r(即rlc)。系統(tǒng)中通過鍵盤選擇被測元件類型、測量頻率和等效連接方式等,以自動(dòng)量程轉(zhuǎn)化的方式獲取大量測量結(jié)果,并利用軟件進(jìn)行了校正,提高了測量準(zhǔn)確度,達(dá)到了題目的指標(biāo)要求,系統(tǒng)具有精度高、功耗低、人機(jī)交換界面簡單等

2、特點(diǎn)。關(guān)鍵詞:rlc 數(shù)字電橋; msp430;自由軸法; fpga14目 錄1、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)11.1系統(tǒng)方案論證11.2測量方法選擇22、單元模塊設(shè)計(jì)32.1單片機(jī)及fpga最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)32.2 直接數(shù)字頻率合成信號(hào)源(dds)32.2.1 fpga部分42.2.2 d/a轉(zhuǎn)換部分42.3相敏檢波電路52.4 a/d轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)62.5直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)72.6鍵盤和顯示部分設(shè)計(jì)73、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)83.1系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)83.2數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)93.3 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換94、系統(tǒng)測調(diào)方案及測試結(jié)果104.1計(jì)算模式選擇104.2測試結(jié)果105、設(shè)計(jì)總結(jié)126、參考文獻(xiàn)121、 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)數(shù)字rl

3、c測量儀系統(tǒng)主要由直接數(shù)字頻率合成信號(hào)源(dds)、前端測量電路、數(shù)字鑒相器、ad轉(zhuǎn)換器、微處理器、基準(zhǔn)相位發(fā)生器以及鍵盤、顯示電路等模塊組成。1.1系統(tǒng)方案論證方案一:采用ti公司低功耗單片機(jī)msp430為控制核心,利用晶振分頻得到激勵(lì)信號(hào)源,采用專用dds芯片ads9851作為基準(zhǔn)相位發(fā)生器,使用四象限乘法器實(shí)現(xiàn)數(shù)字鑒相。dds產(chǎn)生正弦激勵(lì)信通過前端測量電路,產(chǎn)生幅度相位變化,通過數(shù)字鑒相器檢測相位分量,微處理器通過adc采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算,將結(jié)果顯示在lcd屏上。這種方案中信號(hào)源利用晶振分頻得到,其穩(wěn)定度和精確度均達(dá)不到系統(tǒng)要求,或者采用專用dds芯片作為激勵(lì)信號(hào)源,但外圍電路較復(fù)雜,單片

4、機(jī)i/o口資源使用較多。方案二:采用msp430單片機(jī)和fpga可編程邏輯器件相結(jié)合作為控制及數(shù)據(jù)處理為核心,由fpga實(shí)現(xiàn)直接數(shù)字頻率合成信號(hào)源(dds),使用fpga產(chǎn)生基準(zhǔn)相位源與被檢測信號(hào)相乘、濾波實(shí)現(xiàn)數(shù)字鑒相。使用單片機(jī)控制系統(tǒng)模塊的協(xié)調(diào)以及adc采樣、數(shù)據(jù)處理計(jì)算、lcd顯示等。完成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。通過fpga實(shí)現(xiàn)接數(shù)字頻率合成信號(hào)源(dds),其穩(wěn)定度、精確度高, 另外可以將濾波器控制等模塊集成于fpga芯片上,減少了外圍電路的設(shè)計(jì),同時(shí)也精簡了單片機(jī)程序,增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定型、抗干擾能力和可靠性。用fpga實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)數(shù)字部分,更可利用有效的硬件完成更多的測量功能。綜上比較可知,方案二能滿

5、足設(shè)計(jì)要求,其電路簡單,穩(wěn)定性好,精確度高,易于控制,擴(kuò)展方便,故系統(tǒng)采用方案二。其系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。微處理器(系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理)msp430f149lcd顯示乘法型dactlc7524dac轉(zhuǎn)換dac902pfgaep2mc8q208c8adc采樣ads12554x4鍵盤-+ar0zxrss直接數(shù)字頻率合成信號(hào)源(dds)數(shù)字鑒相器低通濾波圖1 rlc測量電路系統(tǒng)框圖1.2測量方法選擇由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,智能儀器的計(jì)算能力和控制能力有了較大提高,伏安法在測量rlc實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。 伏安法測量中,有固定軸法和自由軸法兩種,固定軸法要求相敏檢波器的相位參考基準(zhǔn)嚴(yán)格地與標(biāo)準(zhǔn)阻抗電壓的相位

6、相同,對(duì)硬件要求很高,并且存在同相誤差,已很少使用。自由軸法中相敏檢波器的相位參考基準(zhǔn)可以任意選擇,只要求保持兩個(gè)坐標(biāo)軸準(zhǔn)確正交(相差90),從而使硬件電路簡化。所以系統(tǒng)采用自由軸法實(shí)現(xiàn)rlc測量。其原理如圖2所示。zxiororssuxusuo-+a圖2 自由軸法rlc測量原理圖其中,r0為信號(hào)源內(nèi)阻,rs是標(biāo)準(zhǔn)電阻,zx為被測阻抗,a為高輸入阻抗、高增益放大器,主要完成電流電壓變換功能。測量時(shí),開關(guān)s通過程控置于ux或us端。2、單元模塊設(shè)計(jì)2.1單片機(jī)及fpga最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)采用ti公司fx系列的16位低功耗單片機(jī)msp430f149芯片作為核心,msp430系列單片機(jī)可工作

7、于1.81.6v電壓,并有不同的工作模式,實(shí)現(xiàn)超低功耗。msp430具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力,豐富的指令集及存儲(chǔ)空間可以參加各種運(yùn)算;具有16個(gè)中斷源,可以任意套嵌,使用靈活方便;另外,msp430具有豐富的片上模塊,可以大大簡化外圍電路的設(shè)計(jì)。其最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)將6組i/o口分別引出,方便與外圍器件、模塊的連接,使模塊的通用性增強(qiáng),并設(shè)計(jì)了jtag接口,便于在線設(shè)計(jì)與仿真,縮短開發(fā)周期。fpga最小系統(tǒng)板采用的是altera公司cyclone ii系列的epm2c8q208c8型芯片,其配置芯片為xilinx公司的專用配置prom芯片xcf02s,以實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)配置,片內(nèi)ram為165888bit

8、。核心板采用5v輸入,板上有兩塊lm317電源芯片分別輸出3.3v和2.5v電壓。板上采用50mhz有源晶振,內(nèi)含兩個(gè)pll,通過內(nèi)部倍頻系統(tǒng)工作時(shí)鐘可高達(dá)500mhz,滿足高速設(shè)計(jì)要求。核心板139只i/o口全部引出,非常便于與外圍器件的連接及系統(tǒng)的擴(kuò)展。該可編程邏輯器件邏輯資源豐富,能較好滿足本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。2.2 直接數(shù)字頻率合成信號(hào)源(dds)直接數(shù)字頻率合成信號(hào)源(dds)由標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字正弦信號(hào)發(fā)生器,和dac構(gòu)成。其中波形數(shù)據(jù)由fpga產(chǎn)生,dac選用ti公司12位數(shù)模轉(zhuǎn)換芯片dac902。模塊輸出正弦波無明顯失真,其頻率、相位、幅度可調(diào)。2.2.1fpga部分dds原理圖如圖3所示,

9、由相位累加器、波形查找表、d/a轉(zhuǎn)換器和低通濾波器等部件組成。為了防止頻率控制字和相位控制字的改變而引起相位累加器、相位調(diào)制器的正常工作。在模塊中加入了兩組寄存器,從而可以穩(wěn)定的輸入頻率控字。頻率字寄存器頻率控制字二進(jìn)制全加器n位相位寄存器波形查找表romd/a轉(zhuǎn)換低通濾波lpf相位累加器時(shí)鐘圖3 dds原理圖2.2.2d/a轉(zhuǎn)換部分d/a部分選用ti公司芯片dac902。它的工作電壓是+2.7v到+5.5v,實(shí)現(xiàn)低功耗,在5v時(shí)只有170mw,無假信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍(sfdr),以100msps速率輸出5mhz時(shí)可達(dá)68db ,擁有內(nèi)部參考源,同時(shí)也可選外部參考 。 另外,選用tlv5619為da

10、c902提供參考電壓,滿足激勵(lì)信號(hào)的電壓要求。dac模塊電路圖如圖4所示。圖4dac902電路圖2.3相敏檢波電路相敏檢波電路由電流乘法型d/a轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。乘法型dac選用ti公司tlc7524,用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字鑒相。fpga內(nèi)建rom輸出的8位數(shù)字式基準(zhǔn)正弦信號(hào)與tlc7524的參考電壓輸入端vref的被測信號(hào)相乘得到混頻信號(hào)。tlc7524電路見圖5所示。圖5 tlc7524電路圖其中,設(shè)被測信號(hào)(vref),基準(zhǔn)相位正弦信號(hào)為和(90移相后)。經(jīng)乘法型dac后輸出為: 經(jīng)過低通濾波后可以得到以及。即可得到被測信號(hào)在x,y軸上的投影分量。低通濾波器在采用ti公司四階巴特沃斯帶開關(guān)電

11、容器濾波器tlc04芯片完成,其截止頻率可控范圍是0.1hz30khz,設(shè)計(jì)中采用ttl時(shí)鐘電平驅(qū)動(dòng)的方式,其時(shí)鐘與截止頻率的關(guān)系為50:1。tlc04原理圖如圖6所示。gnd-5v+5vttl輸入filter infilter out21736458tlc04圖6 tlc04電路原理圖2.4 a/d轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)a/d變換電路以ti公司型24位雙通道adc的ads1255為核心,輔以電壓參考基準(zhǔn)電路。ads1255具有全差分輸入,vin+和vin-都可以接受電源軌范圍內(nèi)的信號(hào)進(jìn)行相減,獲得優(yōu)秀的共模抑制能力,其共模抑制比不低于100db。其次,ads1255通過過采樣、調(diào)制和數(shù)字濾波相結(jié)合,從

12、而實(shí)現(xiàn)超高精度。adc參考電源電路由ref5025專用電壓基準(zhǔn)芯片構(gòu)成。它支持大輸出電流的 3ppm/ 最大溫度漂移、高精度(0.05 最大值)低噪聲(2.5v 輸出電壓下的噪聲僅為 7.5uvpp)的cmos 電壓基準(zhǔn)芯片。a/d變換電路如圖7所示。圖7a/d變換電路圖2.5直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)直流穩(wěn)壓電源部分通過直流穩(wěn)壓電源獲得5v和33v的電壓。其中主控模塊mps430單片機(jī)fpga 3.3v的供電由三端穩(wěn)壓芯片ams1117提供。電源采用三端穩(wěn)壓器lm7805得到。其原理如圖8 所示。圖8 穩(wěn)壓電源電路圖2.6鍵盤和顯示部分設(shè)計(jì)(1)本設(shè)計(jì)采用4*4非編碼式結(jié)構(gòu)的鍵盤,矩陣式排列。功能表如

13、表2所示。表14*4行列式鍵盤功能表bt1 返回bt2 下翻bt3 上翻bt4 確定bt5 電阻并聯(lián)bt6 電阻串聯(lián)bt7 100hz bt8 無功能bt9 電感并聯(lián) bt10 電感串聯(lián) bt11 1khz bt12 量程轉(zhuǎn)換 bt13 電容并聯(lián)bt14 電容串聯(lián) bt15 10khz bt16 量程切換方式 (2)設(shè)計(jì)中使用型號(hào)為fb12864的液晶顯示器來顯示rlc數(shù)字電橋當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)以及測量參數(shù)。3、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)當(dāng)系統(tǒng)加電時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)各個(gè)模塊的功能及參數(shù)值進(jìn)行初始化,測量過程中通過鍵盤或者多級(jí)菜單的方式的選擇測試參量,計(jì)算模式,量程切換等。系統(tǒng)軟件總體流程圖如圖

14、9所示。頻率選擇計(jì)算模式選擇量程切換開始初 始 化菜單參數(shù)預(yù)置否是進(jìn)入多級(jí)菜單預(yù)置測試參數(shù)啟動(dòng)測量lcd顯示結(jié)果是否更改設(shè)置是否圖9 系統(tǒng)軟件流程圖3.2數(shù)據(jù)處理軟件設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)處理時(shí),將測到的數(shù)據(jù)根據(jù)預(yù)置的參數(shù)(如頻率f,量程電阻值rs,計(jì)算模式等)通過自由軸算法在msp430內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算。得到對(duì)應(yīng)的被測值。參數(shù)計(jì)算方法如表1所示。表2被測參數(shù)計(jì)算公式等效電路主參數(shù)副參數(shù)電阻并聯(lián)電阻串聯(lián)電感并聯(lián)電感串聯(lián)電容并聯(lián)電容串聯(lián)3.3 自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換技術(shù)可以使得儀器在很短的時(shí)間內(nèi)自動(dòng)選取最合適的量程 實(shí)現(xiàn)高精度的測量。設(shè)計(jì)中被測電壓會(huì)超過其 ad轉(zhuǎn)換器的輸入范圍,所以量程切換基本上是信號(hào)衰減倍

15、數(shù)切換的過程。根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本系統(tǒng)共設(shè)置了6個(gè)量程10、100、1k、10k、100k、1m。各量程的有效測試范圍如下表2所示。表3各量程有效測試范圍被測項(xiàng)目測試頻點(diǎn)被測元件標(biāo)準(zhǔn)值測量結(jié)果誤差電阻1khz100100.01103.002.9%10k9998.39698.43.1%1m999.48k1033.46k3.4%10khz1010.0210.634.2%100hz10m9922.7k9595.3k3.3%電容1khz100pf98.32pf106.48pf8.3%1000pf1018.4pf924.71pf9.2%10000pf10102pf11031pf9.2%10khz50pf55

16、.32pf50.00pf9.6%100hz10f9.87f8.94f9.4%電感1khz100h98.45h89.88h8.7%1000h1008.9h1100.7h9.1%10mh10.56mh11.50mh8.9%1khz50h58.34h63.53h8.9%100hz1h0.97h0.88h9.1%品質(zhì)因數(shù)1khz286.42317.3510.8%43.2447.6110.1%損耗系數(shù)1khz0.370.4111.3%3.423.7810.7%按鍵測試測量種類和單位有自制電源有測試頻點(diǎn)有鍵盤控制有l(wèi)cd顯示有菜單選擇有信號(hào)發(fā)生器有測試量程根據(jù)被測元件的阻抗值大小和各量程的有效測量范圍確定

17、。電容阻抗電感阻抗 4、系統(tǒng)測調(diào)方案及測試結(jié)果4.1計(jì)算模式選擇在實(shí)際測量中銅阻和各種損耗的存在,電感電壓超前或者電容電壓落后都小于90,這種損耗即是品質(zhì)因數(shù)q和損耗因子d。在測量過程中,把損耗的影響用電阻等效和電感電容串聯(lián)或并聯(lián),并建立適當(dāng)?shù)慕?shù)學(xué)模型,經(jīng)過數(shù)學(xué)運(yùn)算,以改變計(jì)算模式的方法得到理想的測試精度。大阻抗器件用并聯(lián)模式,小阻抗器件用串聯(lián)模式又被測件的阻抗決定串并聯(lián)計(jì)算模式計(jì)算精度高計(jì)算精度高,當(dāng)阻抗小于1k時(shí)用串聯(lián),1k到幾十k串并聯(lián)都可以,阻抗大于幾百k或m的量級(jí)就用并聯(lián)模式。4.2測試結(jié)果結(jié)果測試中,我們采用rlc數(shù)字電橋(th2811d)的測試結(jié)果做為參考指標(biāo)。將不同型號(hào),不

18、同參數(shù),不同精度的電阻、電容、電感作為被測元件進(jìn)行測量。得到測量結(jié)果結(jié)果如表3所示。表4測試結(jié)果其中,標(biāo)準(zhǔn)值是有rlc數(shù)字電橋測得,測量結(jié)果是由設(shè)計(jì)作品測得,經(jīng)過計(jì)算,誤差均在設(shè)計(jì)要求之內(nèi),其中在10khz測試頻點(diǎn)時(shí)精度較高,在100hz和10khz時(shí)精度較低,但均能滿足設(shè)計(jì)要求。5、設(shè)計(jì)總結(jié) 經(jīng)過六天的奮戰(zhàn),我們完成了題目基本要求和發(fā)揮要求,但由于時(shí)間和硬件資源的限制,個(gè)別指標(biāo)做的不是非常完善。首先,我代表我們小組感謝本次競賽的主委會(huì)和全體評(píng)審老師以及我們的輔導(dǎo)老師,謝謝你們給我們一個(gè)提高和展現(xiàn)自己的舞臺(tái),讓我們?cè)谝院蟮娜松懈幼孕藕蛨?jiān)定,另外也要感謝ti公司給我們提供了不少高質(zhì)量芯片,使我們的電子設(shè)計(jì)進(jìn)行得更加順利?;叵脒@六天緊張生活,短暫而充實(shí),從制板到編程、從示波器上波形的跳動(dòng)到穩(wěn)定,從手動(dòng)測量到自動(dòng)測量當(dāng)我們看著液晶顯示屏上顯示出精確的數(shù)據(jù)時(shí),那種喜悅是無法用語言形容的。有付出,所以有收獲,就我們組而言,大家在許多方面都有了明顯的進(jìn)步和收獲,無論是拼搏精神還是團(tuán)隊(duì)精神都是我們這一輩子的精神財(cái)富。所以不管結(jié)果如何,我們都會(huì)繼續(xù)發(fā)揚(yáng)這種精神,不斷提高和完善自己。堅(jiān)定不移地在電子設(shè)計(jì)這條路上努力,奮斗。6、參考文獻(xiàn)1 黃爭.德州儀器高性能單片機(jī)和模擬器件在高校中的應(yīng)用的選型指南m.20102

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