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1、简易数字式电阻、电容和电感测量仪研究报告摘 要本设计采用自由轴法实现电阻、电容和电感的测量，电路以TI公司的16 位超低功耗微控制器MSP430F149为主控制器，控制FPGA以DDS方式产生三个固定频率的交流信号，利用自动平衡电桥，数字鉴相的自由轴法，通过测量高端和低端两路矢量电压的四端对测法，并结合TI公司推出的微功耗、高精度、24位-型模数转换器来精确测量电感L、电容C和电阻R(即RLC)。系统中通过键盘选择被测元件类型、测量频率和等效连接方式等，以自动量程转化的方式获取大量测量结果,并利用软件进行了校正，提高了测量准确度，达到了题目的指标要求，系统具有精度高、功耗低、人机交换界面简单等
2、特点。关键词：RLC 数字电桥； MSP430；自由轴法； FPGA14目 录1、系统方案设计11.1系统方案论证11.2测量方法选择22、单元模块设计32.1单片机及FPGA最小系统设计32.2 直接数字频率合成信号源(DDS)32.2.1 FPGA部分42.2.2 D/A转换部分42.3相敏检波电路52.4 A/D转换电路设计62.5直流稳压电源设计72.6键盘和显示部分设计73、系统软件设计83.1系统软件流程设计83.2数据处理软件设计93.3 自动量程转换94、系统测调方案及测试结果104.1计算模式选择104.2测试结果105、设计总结126、参考文献121、 系统方案设计数字RL
3、C测量仪系统主要由直接数字频率合成信号源(DDS)、前端测量电路、数字鉴相器、AD转换器、微处理器、基准相位发生器以及键盘、显示电路等模块组成。1.1系统方案论证方案一：采用TI公司低功耗单片机MSP430为控制核心，利用晶振分频得到激励信号源，采用专用DDS芯片ADS9851作为基准相位发生器，使用四象限乘法器实现数字鉴相。DDS产生正弦激励信通过前端测量电路，产生幅度相位变化，通过数字鉴相器检测相位分量，微处理器通过ADC采集数据进行运算，将结果显示在LCD屏上。这种方案中信号源利用晶振分频得到，其稳定度和精确度均达不到系统要求，或者采用专用DDS芯片作为激励信号源,但外围电路较复杂，单片
4、机I/O口资源使用较多。方案二：采用MSP430单片机和FPGA可编程逻辑器件相结合作为控制及数据处理为核心，由FPGA实现直接数字频率合成信号源(DDS)，使用FPGA产生基准相位源与被检测信号相乘、滤波实现数字鉴相。使用单片机控制系统模块的协调以及ADC采样、数据处理计算、LCD显示等。完成系统设计。通过FPGA实现接数字频率合成信号源(DDS)，其稳定度、精确度高， 另外可以将滤波器控制等模块集成于FPGA芯片上，减少了外围电路的设计，同时也精简了单片机程序，增加了系统的稳定型、抗干扰能力和可靠性。用FPGA实现系统数字部分，更可利用有效的硬件完成更多的测量功能。综上比较可知，方案二能满
5、足设计要求，其电路简单，稳定性好，精确度高，易于控制，扩展方便，故系统采用方案二。其系统构成如图1所示。微处理器(系统控制及数据处理)MSP430F149LCD显示乘法型DACTLC7524DAC转换DAC902PFGAEP2MC8Q208C8ADC采样ADS12554x4键盘-+AR0ZXRsS直接数字频率合成信号源(DDS)数字鉴相器低通滤波图1 RLC测量电路系统框图1.2测量方法选择由于计算机技术的发展，智能仪器的计算能力和控制能力有了较大提高，伏安法在测量RLC实际中得到广泛应用。 伏安法测量中，有固定轴法和自由轴法两种，固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与标准阻抗电压的相位
6、相同，对硬件要求很高，并且存在同相误差，已很少使用。自由轴法中相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，只要求保持两个坐标轴准确正交(相差90)，从而使硬件电路简化。所以系统采用自由轴法实现RLC测量。其原理如图2所示。ZxIoRoRsSUxUsUo-+A图2 自由轴法RLC测量原理图其中，R0为信号源内阻，RS是标准电阻，Zx为被测阻抗，A为高输入阻抗、高增益放大器，主要完成电流电压变换功能。测量时，开关S通过程控置于Ux或Us端。2、单元模块设计2.1单片机及FPGA最小系统设计单片机最小系统采用TI公司Fx系列的16位低功耗单片机MSP430F149芯片作为核心，MSP430系列单片机可工作
7、于1.81.6V电压，并有不同的工作模式，实现超低功耗。MSP430具有强大的数据处理能力，丰富的指令集及存储空间可以参加各种运算；具有16个中断源，可以任意套嵌，使用灵活方便；另外，MSP430具有丰富的片上模块，可以大大简化外围电路的设计。其最小系统设计将6组I/O口分别引出，方便与外围器件、模块的连接，使模块的通用性增强，并设计了JTAG接口，便于在线设计与仿真，缩短开发周期。FPGA最小系统板采用的是ALTERA公司Cyclone II系列的EPM2C8Q208C8型芯片，其配置芯片为Xilinx公司的专用配置PROM芯片XCF02S，以实现上电自动配置，片内RAM为165888bit
8、。核心板采用5V输入，板上有两块LM317电源芯片分别输出3.3V和2.5V电压。板上采用50MHz有源晶振，内含两个PLL，通过内部倍频系统工作时钟可高达500MHz，满足高速设计要求。核心板139只I/O口全部引出，非常便于与外围器件的连接及系统的扩展。该可编程逻辑器件逻辑资源丰富，能较好满足本系统设计要求。2.2 直接数字频率合成信号源(DDS)直接数字频率合成信号源(DDS)由标准数字正弦信号发生器，和DAC构成。其中波形数据由FPGA产生，DAC选用TI公司12位数模转换芯片DAC902。模块输出正弦波无明显失真，其频率、相位、幅度可调。2.2.1FPGA部分DDS原理图如图3所示,
9、由相位累加器、波形查找表、D/A转换器和低通滤波器等部件组成。为了防止频率控制字和相位控制字的改变而引起相位累加器、相位调制器的正常工作。在模块中加入了两组寄存器，从而可以稳定的输入频率控字。频率字寄存器频率控制字二进制全加器N位相位寄存器波形查找表ROMD/A转换低通滤波LPF相位累加器时钟图3 DDS原理图2.2.2D/A转换部分D/A部分选用TI公司芯片DAC902。它的工作电压是+2.7V到+5.5V，实现低功耗，在5V时只有170mW，无假信号动态范围(SFDR)，以100MSPS速率输出5MHz时可达68dB ，拥有内部参考源，同时也可选外部参考 。 另外，选用TLV5619为DA
10、C902提供参考电压，满足激励信号的电压要求。DAC模块电路图如图4所示。图4DAC902电路图2.3相敏检波电路相敏检波电路由电流乘法型D/A转换器和低通滤波器构成。乘法型DAC选用TI公司TLC7524，用于实现数字鉴相。FPGA内建ROM输出的8位数字式基准正弦信号与TLC7524的参考电压输入端Vref的被测信号相乘得到混频信号。TLC7524电路见图5所示。图5 TLC7524电路图其中，设被测信号（Vref），基准相位正弦信号为和（90移相后）。经乘法型DAC后输出为： 经过低通滤波后可以得到以及。即可得到被测信号在x，y轴上的投影分量。低通滤波器在采用TI公司四阶巴特沃斯带开关电
11、容器滤波器TLC04芯片完成，其截止频率可控范围是0.1Hz30KHz，设计中采用TTL时钟电平驱动的方式，其时钟与截止频率的关系为50:1。TLC04原理图如图6所示。GND-5V+5VTTL输入FILTER INFILTER OUT21736458TLC04图6 TLC04电路原理图2.4 A/D转换电路设计A/D变换电路以TI公司型24位双通道ADC的ADS1255为核心，辅以电压参考基准电路。ADS1255具有全差分输入，Vin+和Vin-都可以接受电源轨范围内的信号进行相减，获得优秀的共模抑制能力，其共模抑制比不低于100dB。其次，ADS1255通过过采样、调制和数字滤波相结合，从
12、而实现超高精度。ADC参考电源电路由REF5025专用电压基准芯片构成。它支持大输出电流的 3ppm/ 最大温度漂移、高精度（0.05 最大值）低噪声（2.5V 输出电压下的噪声仅为 7.5uVpp）的CMOS 电压基准芯片。A/D变换电路如图7所示。图7A/D变换电路图2.5直流稳压电源设计直流稳压电源部分通过直流稳压电源获得5V和33V的电压。其中主控模块MPS430单片机FPGA 3.3V的供电由三端稳压芯片AMS1117提供。电源采用三端稳压器LM7805得到。其原理如图8 所示。图8 稳压电源电路图2.6键盘和显示部分设计（1）本设计采用4*4非编码式结构的键盘，矩阵式排列。功能表如
13、表2所示。表14*4行列式键盘功能表BT1 返回BT2 下翻BT3 上翻BT4 确定BT5 电阻并联BT6 电阻串联BT7 100Hz BT8 无功能BT9 电感并联 BT10 电感串联 BT11 1KHz BT12 量程转换 BT13 电容并联BT14 电容串联 BT15 10KHz BT16 量程切换方式 （2）设计中使用型号为FB12864的液晶显示器来显示RLC数字电桥当前状态参数以及测量参数。3、系统软件设计3.1系统软件流程设计当系统加电时，系统会自动对各个模块的功能及参数值进行初始化，测量过程中通过键盘或者多级菜单的方式的选择测试参量，计算模式，量程切换等。系统软件总体流程图如图
14、9所示。频率选择计算模式选择量程切换开始初 始 化菜单参数预置否是进入多级菜单预置测试参数启动测量LCD显示结果是否更改设置是否图9 系统软件流程图3.2数据处理软件设计数据处理时，将测到的数据根据预置的参数（如频率f，量程电阻值Rs，计算模式等）通过自由轴算法在MSP430内进行数据运算。得到对应的被测值。参数计算方法如表1所示。表2被测参数计算公式等效电路主参数副参数电阻并联电阻串联电感并联电感串联电容并联电容串联3.3 自动量程转换自动量程转换技术可以使得仪器在很短的时间内自动选取最合适的量程 实现高精度的测量。设计中被测电压会超过其 AD转换器的输入范围，所以量程切换基本上是信号衰减倍
15、数切换的过程。根据设计要求，本系统共设置了6个量程10、100、1K、10k、100k、1M。各量程的有效测试范围如下表2所示。表3各量程有效测试范围被测项目测试频点被测元件标准值测量结果误差电阻1KHz100100.01103.002.9%10k9998.39698.43.1%1M999.48k1033.46k3.4%10KHz1010.0210.634.2%100Hz10M9922.7k9595.3k3.3%电容1kHz100pF98.32pF106.48pF8.3%1000pF1018.4pF924.71pF9.2%10000pF10102pF11031pF9.2%10KHz50pF55
16、.32pF50.00pF9.6%100Hz10F9.87F8.94F9.4%电感1KHz100H98.45H89.88H8.7%1000H1008.9H1100.7H9.1%10mH10.56mH11.50mH8.9%1KHz50H58.34H63.53H8.9%100Hz1H0.97H0.88H9.1%品质因数1KHz286.42317.3510.8%43.2447.6110.1%损耗系数1KHz0.370.4111.3%3.423.7810.7%按键测试测量种类和单位有自制电源有测试频点有键盘控制有LCD显示有菜单选择有信号发生器有测试量程根据被测元件的阻抗值大小和各量程的有效测量范围确定
17、。电容阻抗电感阻抗 4、系统测调方案及测试结果4.1计算模式选择在实际测量中铜阻和各种损耗的存在，电感电压超前或者电容电压落后都小于90，这种损耗即是品质因数Q和损耗因子D。在测量过程中，把损耗的影响用电阻等效和电感电容串联或并联，并建立适当的建立数学模型，经过数学运算，以改变计算模式的方法得到理想的测试精度。大阻抗器件用并联模式，小阻抗器件用串联模式又被测件的阻抗决定串并联计算模式计算精度高计算精度高，当阻抗小于1k时用串联，1K到几十k串并联都可以，阻抗大于几百k或M的量级就用并联模式。4.2测试结果结果测试中，我们采用RLC数字电桥（TH2811D）的测试结果做为参考指标。将不同型号，不
18、同参数，不同精度的电阻、电容、电感作为被测元件进行测量。得到测量结果结果如表3所示。表4测试结果其中，标准值是有RLC数字电桥测得，测量结果是由设计作品测得，经过计算，误差均在设计要求之内，其中在10KHz测试频点时精度较高，在100Hz和10KHz时精度较低，但均能满足设计要求。5、设计总结 经过六天的奋战，我们完成了题目基本要求和发挥要求，但由于时间和硬件资源的限制，个别指标做的不是非常完善。首先，我代表我们小组感谢本次竞赛的主委会和全体评审老师以及我们的辅导老师，谢谢你们给我们一个提高和展现自己的舞台，让我们在以后的人生中更加自信和坚定，另外也要感谢TI公司给我们提供了不少高质量芯片，使
19、我们的电子设计进行得更加顺利。回想这六天紧张生活，短暂而充实，从制板到编程、从示波器上波形的跳动到稳定，从手动测量到自动测量当我们看着液晶显示屏上显示出精确的数据时，那种喜悦是无法用语言形容的。有付出，所以有收获，就我们组而言，大家在许多方面都有了明显的进步和收获，无论是拼搏精神还是团队精神都是我们这一辈子的精神财富。所以不管结果如何，我们都会继续发扬这种精神，不断提高和完善自己。坚定不移地在电子设计这条路上努力，奋斗。6、参考文献1 黄争.德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用的选型指南M.20102 秦龙.MSP430单片机常用模块与统合系统实例精讲M.电子工业出版社.20073 赵茂泰.智能仪器原理及应用M. 第三版.电子工业出版社.北京.20094管致中.东南大学出版社M.19955（美）M.S.高西（M.S.Ghausi），（美）K.R.莱克（K.R.Laker）；科学出版社.刘根泉等译.现代滤波器设计：有源RC和开关电容M.19896（美）Arth our B.Williams,Fred Fred J.Teaylor著，宁彦卿，姚金科. 电子滤波器设计M. 科学出版社.20087（美）沃尔夫（Wolf,W.） 著，闫敬文. 机械工业出版社. 基于FPGA的系统设计M.2006