簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容和電感測(cè)量?jī)x研究報(bào)告

1、簡(jiǎn)易數(shù)字式電阻、電容和電感測(cè)量?jī)x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(cè)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(guò)測(cè)量高端和低端兩路矢量電壓的四端對(duì)測(cè)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(lái)精確測(cè)量電感L、電容C和電阻R(即RLC)。系統(tǒng)中通過(guò)鍵盤選擇被測(cè)元件類型、測(cè)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(cè)量結(jié)果,并利用軟件進(jìn)行了校正，提高了測(cè)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(jiǎn)單等

2、特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：RLC 數(shù)字電橋； MSP430；自由軸法； FPGA目 錄1、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)11.1系統(tǒng)方案論證11.2測(cè)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(cè)調(diào)方案及測(cè)試結(jié)果104.1計(jì)算模式選擇104.2測(cè)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RLC測(cè)

3、量?jī)x系統(tǒng)主要由直接數(shù)字頻率合成信號(hào)源(DDS)、前端測(cè)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(guò)前端測(cè)量電路，產(chǎn)生幅度相位變化，通過(guò)數(shù)字鑒相器檢測(cè)相位分量，微處理器通過(guò)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，單片機(jī)I

4、/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(cè)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(guò)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(jiǎn)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(cè)量功能。綜上比較可知，方案二能滿足設(shè)

5、計(jì)要求，其電路簡(jiǎn)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(cè)量電路系統(tǒng)框圖1.2測(cè)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(cè)量RLC實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用。 伏安法測(cè)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)阻抗電壓的相位相同

6、，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(jiǎn)化。所以系統(tǒng)采用自由軸法實(shí)現(xiàn)RLC測(cè)量。其原理如圖2所示。ZxIoRoRsSUxUsUo-+A圖2 自由軸法RLC測(cè)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(cè)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(cè)量時(shí)，開(kāi)關(guān)S通過(guò)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)可工作于1

7、.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(jiǎn)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(kāi)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bit。核心板采用5V

8、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(guò)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(wú)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,由相位累加器、波

9、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(wú)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DAC902提供參考

10、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(cè)信號(hào)相乘得到混頻信號(hào)。TLC7524電路見(jiàn)圖5所示。圖5 TLC7524電路圖其中，設(shè)被測(cè)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(guò)低通濾波后可以得到以及。即可得到被測(cè)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(kāi)關(guān)電容器濾波器TLC

11、04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(guò)過(guò)采樣、調(diào)制和數(shù)字濾波相結(jié)合，從而實(shí)現(xiàn)超高精度。

12、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(guò)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。功能表如表2所示。表14

13、*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(wú)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(lái)顯示RLC數(shù)字電橋當(dāng)前狀態(tài)參數(shù)以及測(cè)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(cè)量過(guò)程中通過(guò)鍵盤或者多級(jí)菜單的方式的選擇測(cè)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9所示。頻率選擇

14、計(jì)算模式選擇量程切換開(kāi)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(cè)試參數(shù)啟動(dòng)測(cè)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(cè)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(guò)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(cè)值。參數(shù)計(jì)算方法如表1所示。表2被測(cè)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(cè)量。設(shè)計(jì)中被測(cè)電壓會(huì)超過(guò)其 AD轉(zhuǎn)換器的輸入范圍，所以量程切換基本上是信號(hào)衰減倍數(shù)切換的過(guò)程。根

15、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(cè)試范圍如下表2所示。表3各量程有效測(cè)試范圍被測(cè)項(xiàng)目測(cè)試頻點(diǎn)被測(cè)元件標(biāo)準(zhǔn)值測(cè)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%10KHz50pF55.32pF50.

16、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(cè)試測(cè)量種類和單位有自制電源有測(cè)試頻點(diǎn)有鍵盤控制有LCD顯示有菜單選擇有信號(hào)發(fā)生器有測(cè)試量程根據(jù)被測(cè)元件的阻抗值大小和各量程的有效測(cè)量范圍確定。電容阻抗電感阻

17、抗 4、系統(tǒng)測(cè)調(diào)方案及測(cè)試結(jié)果4.1計(jì)算模式選擇在實(shí)際測(cè)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(cè)量過(guò)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(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算，以改變計(jì)算模式的方法得到理想的測(cè)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(cè)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(cè)試結(jié)果結(jié)果測(cè)試中，我們采用RLC數(shù)字電橋（TH2811D）的測(cè)試結(jié)果做為參考指標(biāo)。將不同型號(hào)，不同參數(shù)，不同精度

18、的電阻、電容、電感作為被測(cè)元件進(jìn)行測(cè)量。得到測(cè)量結(jié)果結(jié)果如表3所示。表4測(cè)試結(jié)果其中，標(biāo)準(zhǔn)值是有RLC數(shù)字電橋測(cè)得，測(cè)量結(jié)果是由設(shè)計(jì)作品測(cè)得，經(jīng)過(guò)計(jì)算，誤差均在設(shè)計(jì)要求之內(nèi)，其中在10KHz測(cè)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(guò)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(jìng)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)

19、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(cè)量到自動(dòng)測(cè)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(wú)法用語(yǔ)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(wú)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(zhēng).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 秦龍.MSP430單片機(jī)常用模塊與統(tǒng)合系統(tǒng)實(shí)例精講M.電子工業(yè)出版社.20073 趙茂泰.智能儀器原

20、理及應(yīng)用M. 第三版.電子工業(yè)出版社.北京.20094管致中.東南大學(xué)出版社M.19955（美）M.S.高西（M.S.Ghausi），（美）K.R.萊克（K.R.Laker）；科學(xué)出版社.劉根泉等譯.現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)：有源RC和開(kāi)關(guān)電容M.19896（美）Arth our B.Williams,Fred Fred J.Teaylor著，寧彥卿，姚金科. 電子濾波器設(shè)計(jì)M. 科學(xué)出版社.20087（美）沃爾夫（Wolf,W.） 著，閆敬文. 機(jī)械工業(yè)出版社. 基于FPGA的系統(tǒng)設(shè)計(jì)M.2006tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGtgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGshLs50cLmTWN60eo8Wgqv7XAv2OHUm32WGeaUwYDIAWGMeR4I30kA1DkaGhn3XtKknBYCUDxqA7FHYi2CHhI92tgKQcWA3PtGZ7R4I30kA1DkaG