計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)電阻電感電容測(cè)試儀

1、電阻電感電容測(cè)試儀一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案論證與選擇 1. 系統(tǒng)方案論證 方案一. 采用諧振法: 要求較高頻率的激勵(lì)信號(hào)，不易測(cè)量阻抗值很小的電阻、電感和電容，不能滿足本題精度高、測(cè)量范圍廣的要求。 方案二. 采用電橋法：精度高是電橋法的主要特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用。但電橋法電路復(fù)雜且在測(cè)量的時(shí)候需要反復(fù)調(diào)整以達(dá)到平衡，測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)，很難實(shí)現(xiàn)快速的自動(dòng)測(cè)試。 方案三. 采用伏安法: 這是傳統(tǒng)經(jīng)典的方法。它的測(cè)量原理來(lái)源于阻抗的定義。就是通過測(cè)量經(jīng)過被測(cè)阻抗的電流相量和被測(cè)阻抗兩端的電壓相量，再經(jīng)過比率便可得到被測(cè)阻抗的相量。早期的伏安法難以實(shí)現(xiàn)高精度的測(cè)量，但如果采用低失真的正弦波和高精度a/d，加上mcu強(qiáng)大

2、的計(jì)算能力和控制能力；另外，伏安法分為固定軸法和自由軸法，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)阻抗電壓的相位相同 ,但是本法案卻能很好實(shí)現(xiàn)，且電路簡(jiǎn)單。 比較論證：通過比較上述三種方案，方案三的優(yōu)勢(shì)明顯，故采用方案三。 2. 控制部分 方案一. 采用當(dāng)前比較流行且價(jià)格便宜的51系列單片機(jī)。51系列單片機(jī)發(fā)展到現(xiàn)在各項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)很成熟，可以滿足一般的控制和數(shù)據(jù)處理功能，但此系列是8位機(jī)，處理速度慢，資源少，幾乎不能滿足本系統(tǒng)的要求，外圍電路需要自己設(shè)計(jì)和制作，用起來(lái)不方便。方案二. 選用silicon laboratories公司的c8051f020型號(hào)的單片機(jī)。c8051fxxx系列

3、單片機(jī)是完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級(jí)芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與mcs-51指令集完全兼容。其片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設(shè)及功能部件。其采用流水線結(jié)構(gòu)，大大提高了處理能力，峰值性能可達(dá)25mips。此外，其功耗低，flash存儲(chǔ)器具有重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。 比較論證：結(jié)合題目的要求及c8051f020的優(yōu)點(diǎn)，本系統(tǒng)采用方案二。3. 正弦波信號(hào)發(fā)生器部分方案一. 采用dds芯片ad9854.ad9854片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交d/a轉(zhuǎn)換器通過數(shù)字化編程可以輸出i、q兩路合成信號(hào)。在高穩(wěn)定度時(shí)鐘的驅(qū)動(dòng)下，ad9854將產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率

4、、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號(hào)。方案二. 由兩個(gè)ad9850同步輸出兩路正交的正弦波。兩個(gè)ad9850使用同一時(shí)鐘源，通過單片機(jī)控制同步端口，即可輸出兩路正交的正弦波，但其電路復(fù)雜，相位同步不夠精準(zhǔn)，信號(hào)輸出也不穩(wěn)定，很難實(shí)現(xiàn)題目所要求的精度。比較論證：方案二的電路相對(duì)復(fù)雜，測(cè)試效果不理想，而方案二可以很好的滿足要求，故采用方案二。4. 顯示部分 方案一. 數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管顯示方式單一，不能顯示題目要求的那么豐富的內(nèi)容。方案二. lcd液晶屏顯示。通過12864可以圖文顯示豐富的內(nèi)容，畫面美觀，可以很直觀的讀出測(cè)量值。比較論證：選擇方案二。 二、 總體方案 1. 工作原理根據(jù)題目要求和上

5、述分析，認(rèn)真分析取舍，確定最終總體設(shè)計(jì)方案。由dds ad9854芯片產(chǎn)生兩路正交信號(hào)，設(shè)置一路相位為0，則另一路相位90。0信號(hào)通過前端測(cè)量電路得到us和ux，然后通過乘法器將us與0信號(hào)和90信號(hào)分別相乘。得到直流信號(hào)和高頻信號(hào)，經(jīng)過濾波器濾除高頻信號(hào)，由c8051f020內(nèi)部a/d連續(xù)采樣，計(jì)算得到被測(cè)阻抗的值?？傮w設(shè)計(jì)框圖如下，其電路測(cè)量原理圖如圖2.1。2. 理論分析與計(jì)算 在圖2.1中，i0是已知的恒流源相量；rs是已知的標(biāo)準(zhǔn)電阻，被測(cè)阻抗rs與rs串聯(lián)，分別測(cè)量阻抗rs和zx兩端的電壓相量us和ux（其中us作為固定軸的x軸），通過公式（2.1）便可得到待測(cè)阻抗。zx=ux/uz

6、+rs圖（2.1）的測(cè)量電路是先分別測(cè)出兩個(gè)電壓相量的兩個(gè)分量，然后經(jīng)過a/d采集和scm的運(yùn)算得到北側(cè)值z(mì)x。三、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1 峰值連續(xù)可調(diào)部分電路設(shè)計(jì)由于dds輸出的信號(hào)峰值達(dá)不到題目的要求，所以選擇了ad603后級(jí)放大，通過調(diào)整放大器的增益來(lái)實(shí)現(xiàn)步進(jìn)可調(diào)，配合輸出阻抗調(diào)整，達(dá)到了題目的要求。具體電路實(shí)現(xiàn)見附錄一：ad603后級(jí)放大電路。3.2 相敏檢波器部分電路設(shè)計(jì)相敏檢波器部分采用模擬乘法器，使產(chǎn)生的正交基準(zhǔn)信號(hào)分別與和相乘，分別得到其在坐標(biāo)軸上的分量，減少了電路的復(fù)雜性和降低了調(diào)試的難度。具體電路實(shí)現(xiàn)見附錄一：相敏檢波部分電路。xusu3.3 時(shí)間產(chǎn)生部分電路設(shè)計(jì)時(shí)間產(chǎn)生部分采用外部時(shí)鐘芯片ds1302,并將其輔助電源接鈕扣電池，這樣在系統(tǒng)掉電的情況下時(shí)鐘依然存在，不必每次開機(jī)都校準(zhǔn)，可隨時(shí)記錄測(cè)得的數(shù)據(jù)。具體電路實(shí)現(xiàn)見附錄一：ds1302時(shí)間產(chǎn)生模塊。 3.4 手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換部分電路設(shè)計(jì) 手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換采用單片機(jī)控制繼電器通斷來(lái)切換外部手動(dòng)部分的電阻群，當(dāng)位于手動(dòng)檔時(shí)，除了切換電阻達(dá)到切量程外，還配合調(diào)整dds輸出信號(hào)的頻率，來(lái)達(dá)到精確測(cè)量的目的。四、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程 軟件設(shè)計(jì)以msp430f149單片機(jī)為核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)模塊的控制，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程見附錄三。4.2 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分軟件設(shè)