【正文】 32out6VCCVEEU7TL081+55R1410KR1310KC9 C81uFGND 4732out6VCCVEEU5TL081R9 10K %GND+55R12 10K %R810K %R1510K % 4732out6VCCVEEU2TL081GNDC1 105C210uC322uFGNDR1R210K+5 4732out6VCCVEEU6TL081R1610K %R175K %R10 10K %R7 10K %R6 10K %GND+55GND+5512P2C11104GNDC2010uFC10104+5GND5C2110uFC13104GNDC2210uFC12104+5GND5C2310uFC15104GNDC2410uFC14104+5GND5C2510uFC17104GNDC2610uFC16104+5GND5C2710uFC19104GNDC2810uFC18104+5GND5C2910uFNC1Vin2TEMP3GND4NR5out6NC7NC8U1REF5030GND 圖 相敏檢波電路 19 軟件設(shè)計(jì) 本 設(shè)計(jì) 使用 MSP430G2553單 片機(jī)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(jìn) 行。 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。 運(yùn)放 OPA704工作在跟隨狀態(tài)時，不具備放大功能。 INA128內(nèi)部原理圖如圖 。以對前面得到的三種頻率的正弦波進(jìn)一步濾波。 CLR2A1QA3B4QB5QC6QD7U8:1SN74LS390DCLR14A15QA13B12QB11QC10QD9U7:2SN54HC390JGND12P9GNDQ03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713A1B2CLK8MR9U674HC164VCC0_clk90_clkSinClkVCCGNDC29104C2710uFVCCGNDC28104C2610uF 圖 基準(zhǔn)相位發(fā)生電路 14 、 正弦信號發(fā)生 電路 正弦波發(fā)生器電路如圖 。 圖 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖 、 子系統(tǒng)電路設(shè)計(jì) 整個系統(tǒng)由正弦波發(fā)生電路、基準(zhǔn)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 LCD顯示電路構(gòu)成。當(dāng)系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，中斷喚醒只需 5μ s。雙 π/4脈沖積分電路積分鑒相 輸出 波形幅度為單 π/4的 22倍，所以選擇方案二的雙 π/4脈沖積分 鑒相 進(jìn)行相敏檢波。 通過微處理器計(jì)算控制 模擬開關(guān) 在 各個標(biāo)準(zhǔn)電阻 檔位 之間選擇合 9 適的檔位進(jìn)行測量。 方案二 利用 基礎(chǔ) 數(shù)字器件實(shí)現(xiàn) 由 MSP430單片機(jī)產(chǎn)生 1MHz的方波信號，然后再經(jīng)過數(shù)字器件器74LS390計(jì)數(shù)器進(jìn)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。 、基準(zhǔn)相位發(fā) 生 方案論證 與選擇 方案一 基于單片機(jī)和 FPGA實(shí)現(xiàn) 基準(zhǔn)系統(tǒng)信號源的產(chǎn)生可由單片機(jī)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(jī)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)依次送給高速 D/A，經(jīng)濾波器后產(chǎn)生所需要的波形信號。經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換后得到階梯型正弦波。 5 采用自由軸 測量時相敏檢波器的相位參考基準(zhǔn)可以任意選擇， 只要求 x， y坐標(biāo)軸標(biāo)準(zhǔn)正交， 簡化 了 硬件電路， 提高 了精確 度。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(yùn)算 得 ， 到比值便是被測阻抗的相量。大大降低了計(jì)算的復(fù)雜度。 ① 交流電橋法：運(yùn)用交流電 橋法進(jìn)行 RLC 測量時系統(tǒng)要達(dá)到平衡，實(shí)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(dá)到平衡，而且往往需要對這兩個參數(shù)進(jìn)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。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 2 機(jī) 計(jì)算后 再運(yùn)算求出 R、 L和 C的方法。掌握必要的電子知識成為我們常生活必要技能。采用 MSP430G2553單片機(jī)的 PWM輸出功能和內(nèi)部 10位 AD分別進(jìn)行方波信號的產(chǎn)生和 AD數(shù)據(jù)采集。 Key words ...................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 學(xué)科分類號 0712 本科生畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) ) 題目（中文）： 基于矢量自由軸法的 RLC 測量儀設(shè)計(jì)（軟件） （英文）： The measuring instrument Design based on the vector free shaft method of RLC(software) 學(xué)生姓 名： XXX 學(xué) 號： 0910XXXXXX 系 別： 物理與信息工程系 專 業(yè)： 電子信息科學(xué)與技術(shù) 指導(dǎo)教師： 張仁民 起止日期： 年 月 日 懷化學(xué)院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )誠信聲明 作者鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì) )，是在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。 1 前言 ............................................................................................................................ 1 2 方案論證與選擇 ........................................................................................................ 3 系統(tǒng)總體方案 .................................................................................................. 3 設(shè)計(jì)方案 論證 .................................................................................................. 6 正弦信號發(fā)生 方案論證 與選擇 ............................ 錯誤 !未定義書簽。 前置測量電路由八級標(biāo)準(zhǔn)電阻和高精度的儀表運(yùn)放組成，通過單片機(jī)和模擬開關(guān)能夠自動選擇相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)電阻檔級與放大控制，使小阻抗信號 可 以精確采樣 ， 實(shí)現(xiàn)自動測量。 在生活中我們測量電阻、電感、電容時實(shí)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。其轉(zhuǎn)換原理分別是 RC振蕩和LC三點(diǎn)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(jī)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(shí)現(xiàn)智能化。 具有較高的測量精度，被廣泛采用，現(xiàn)已派生出許多類型。 現(xiàn)階段 各類 RLC 測量設(shè)計(jì)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(jī)設(shè)計(jì)一種基于 矢量 自由軸法的智能化的 RLC 測量系統(tǒng)。伏安法 測量 原理圖如圖 。在自由軸法測量中 XU 、 SU 和坐標(biāo)軸的關(guān)系如圖 。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。波形信號能實(shí)時改變，利用單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行控制和處理后，實(shí)現(xiàn)基準(zhǔn)信號源的產(chǎn)生。 方案一 采用單片機(jī)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(shí)時改變所需信號輸出，但設(shè)計(jì)和系統(tǒng)控制方法復(fù)雜。 實(shí)現(xiàn)自動測量， 提高精度。 圖 單 π/4脈沖積分電路原理圖 、微處理器 方案論證與選擇 方案一 51單片機(jī) 利用 51單片機(jī)作為整個系統(tǒng)的微處理器，控制 激勵的產(chǎn)生及 整個 11 測試過程的進(jìn)行 。功能強(qiáng)大，功耗超低。 MSP430單片機(jī)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(zhǔn)相位發(fā)生電路 13 、 基準(zhǔn)相位 信號 發(fā)生電路 基準(zhǔn)相位信號發(fā)生電路如圖 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 。后面的高通濾波器是為了濾除 50Hz市電干擾。 圖 儀用運(yùn)放 INA128內(nèi)部原理圖 儀用 運(yùn)放輸出電壓 OV 與輸入電壓 inV 的關(guān)系為 ? ?23501 iningO VVR KV ?????????? ?? () 檔位選擇由模擬開關(guān) CD4051控制， 通過單片機(jī)控制模擬開關(guān)選擇不同的檔位的基準(zhǔn)電阻進(jìn)行測試，同時另一個模擬開關(guān)選擇需要檔位基準(zhǔn)電阻上的電壓送入儀表運(yùn)放進(jìn)行放大。當(dāng)構(gòu)成同相輸入比例運(yùn)算電路時，輸入電壓 inV 與輸 17 出電壓 outV 之間的關(guān)系為 inininout VVK KKVR RRV 55 52058 5857 ????? () 由此可知該電路的放大倍數(shù)只有 1倍和 5倍兩檔。兩路模擬開關(guān)的通斷時間為測量信號的半個周期 。 、軟件主流程圖 系統(tǒng)總體軟件 設(shè)計(jì) 流程圖如圖 。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng) 運(yùn)行 時鐘頻率 選擇 8MHz， 通過控制相應(yīng)的寄存器來實(shí)現(xiàn)。定時器 A結(jié)構(gòu)圖如圖 。 //PWM波輸出 TA1CCTL1|=OUTMOD_2。由于 MSP430G2553單片機(jī) I/O端口有限 ,所以我們用 74HC595串轉(zhuǎn)并芯片 實(shí)現(xiàn) I/O端口的擴(kuò)展。=~G。 M595_send(CTRL)。 __delay_cycles(10000000)。 Nxi=val1509。轉(zhuǎn)換公式為 ???????RRRinA D C VV VVN 1 0 2 3 () 其中式 ()中 ?RV 和 ?RV 為參考電平，可由編程選擇。 //A0 ADC10CTL1|=INCH_0 +CONSEQ_0。i99。Nokia5110指令格式分為兩種模式如圖 。 圖 測量時液晶顯示 、電阻測試 在測試前將每個 電阻元件 0R 經(jīng)高頻導(dǎo)納電阻測量其精確值，然后再由系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試測量得出電阻值 1R ， 再進(jìn)行誤差分析誤差值 α為 %100||001 ??? R RRα () 設(shè)計(jì)采用了八個標(biāo)準(zhǔn)電阻檔位， 其它檔位間距相應(yīng)減小， 測量結(jié)果更加精確。 電感測量數(shù)據(jù)表 。 可以使用更高精度的正弦波發(fā)生器產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，后續(xù)的測量電路和相敏檢波 電路信號的效果會更好，如果能同時改用更高位的 AD代替MSP430G2553單片機(jī)內(nèi)部 AD為 10位 會有 更佳的效果。掌握了整個硬件、軟件的開發(fā)及系統(tǒng)調(diào)試流程，提高了動手能力。但在是整體測試上達(dá)到設(shè)計(jì)要求。電阻 測量數(shù)據(jù)如表 。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。 val1=val1+a。ADC10BUSY)。只有在