【文章內(nèi)容簡介】 數(shù)字相敏檢波器由乘法型D/A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構成，用乘法型D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)數(shù)字鑒相。如輸入正弦信號為，被測信號,經(jīng)過由乘法型D/A構成的數(shù)字檢波器后輸出為 ()實現(xiàn)90176。相移操作時正弦波信號變?yōu)? ()D/A輸出為 ()方案二 脈沖積分鑒相利用模擬開關進行脈沖積分鑒相，脈沖積分鑒相有單π/4脈沖積分鑒相和雙π/4脈沖積分鑒相之分，單π/，可推導測量電壓在實軸上的投影為 ()在虛軸上的投影為 ()利用雙π/4脈沖積分鑒相器可推導出測量電壓在實軸方向上的投影為 ()在虛軸方向上的投影為 ()由推導公式可見，用雙π/4脈沖積分鑒相的波形幅度為單π/4脈沖積分鑒相的倍。 方案一乘法型D/A鑒相前端的直流容易產(chǎn)生漂移，乘法器中的直流也會產(chǎn)生漂移，造成的噪聲處理和濾波都很麻煩所以不選乘法型D/A鑒相。雙π/4脈沖積分電路積分鑒相輸出波形幅度為單π/4的倍，所以選擇方案二的雙π/4脈沖積分鑒相進行相敏檢波。 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 利用51單片機作為整個系統(tǒng)的微處理器，控制激勵的產(chǎn)生及整個測試過程的進行。STC89C52是低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內(nèi)含8kbytes的可反復擦寫的Flash只讀程序存儲器和256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），器件采用高密度、非易失性存儲技術生產(chǎn)，與標準MCS51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲單元，功能強大。 51單片機內(nèi)部結構圖 方案二 MSP430單片機MSP430單片機針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數(shù)字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，為各種便攜式設備儀器提供“單片”解決方案。10/12位硬件A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應用；由于系統(tǒng)運行時開啟的功能模塊不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有著顯著的不同。在系統(tǒng)中共有一種活動模式（AM）和五種低功耗模式（LPM0~LPM4）。在實時時鐘模式下， ，在RAM保持模式下，另外，MSP430系列單片機的中斷源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。當系統(tǒng)處于省電的低功耗狀態(tài)時，中斷喚醒只需5μs。功能強大，功耗超低。雖然方案一和方案二都能完成系統(tǒng)所需要的功能，但方案二內(nèi)嵌AD采樣器和PWM波輸出功能，通過配置寄存器便能輸出方波信號。功耗超低，可用電池供電，實現(xiàn)便攜式設計。綜合考慮選擇方案二。硬件電路設計與參數(shù)計算、系統(tǒng)總體設計。在MSP430單片機的控制下通過正弦波發(fā)生器和基準信號發(fā)生器產(chǎn)生測試所需要的三組相互正交的100Hz、1KHz、10KHz正弦波信號，用于相敏檢波器。正弦波作為前端測試電路的激勵信號，根據(jù)自由軸法測量阻抗的相關計算，選擇是否放大基準電阻和被測電阻兩端的電壓，將放大到合適范圍內(nèi)的電壓信號進行相敏檢波，然后通過，MSP430單片機進行A/D采樣存儲經(jīng)過微處理器的四則運算，即可求出最后的待測參數(shù)。MSP430單片機最小系統(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相位發(fā)生電路 系統(tǒng)總體設計框圖、子系統(tǒng)電路設計 整個系統(tǒng)由正弦波發(fā)生電路、基準相位信號發(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顯示電路構成。、基準相位信號發(fā)生電路 。利用MSP430G2553單片機定時器A的PWM輸出功能配置相關寄存器產(chǎn)生1MHz方波SinCLK，經(jīng)P9端口進入基準相位發(fā)生電路，作為十進制計數(shù)器74LS390的時鐘信號。74LS390可實現(xiàn)2分頻、5分頻、乃至100分頻的任何累加倍數(shù)的周期長度,。 74LS390邏輯圖經(jīng)過四次分頻后得到兩路成四倍關系的信號 () ()將作為74HC164移位寄存器的時鐘信號而作為其數(shù)據(jù)信號。則74HC164的相鄰輸出端口輸出相位相差90176。的正交方波信號0_clk和90_clk，分別輸出頻率為10kHz、1kHz、100Hz三組相互正交的方波信號。電路中電容C2C2C2C29是濾除芯片74HS390和74HC164的電源紋波。 基準相位發(fā)生電路、正弦信號發(fā)生電路 。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。再通過兩階無源RC低通濾波器進一步濾波。MAX293是在截止頻率可控的八階巴特沃斯濾波器。截止頻率與MAX293時鐘輸入信號的關系為 () 采用單電源供電，V接實地，構成一個虛地。輸入信號為0_clk，當0_clk為高電平即5V時，經(jīng)R1R而0_clk為低電平時。所以當SinClk輸入方波頻率為1MHz、100KHz、10KHz時，對應輸出的正弦波信號為10KHz、1KHz、1KHz。QQQQ4四個三極管工作在開關狀態(tài)，MSP430單片機可控制二階低通RC無源濾波器的截至頻率。以對前面得到的三種頻率的正弦波進一步濾波。后面的高通濾波器是為了濾除50Hz市電干擾。電容C39到C44都是起濾波和退偶的作用，使電源更干凈，芯片工作更穩(wěn)定。用電壓跟隨器作為緩沖級，以加強對后面電路的驅(qū)動能力。 正弦信號發(fā)生電路、前置測試電路。前置放大電路的作用是測量流經(jīng)被測器件的電壓及代表恒定電流大小的電壓。由TL081構成的反相比例運算電路。儀表運放INA128放大待測原件上的差分電壓和基準電阻上電壓。 儀用運放INA128內(nèi)部原理圖儀用運放輸出電壓與輸入電壓的關系為 ()檔位選擇由模擬開關CD4051控制，通過單片機控制模擬開關選擇不同的檔位的基準電阻進行測試，同時另一個模擬開關選擇需要檔位基準電阻上的電壓送入儀表運放進行放大。兩個模擬開關的控制是同時進行的。此電路的基準電阻由八個檔位構成用來改變測量量程，、100Ω、500Ω、10KΩ、50KΩ、220KΩ、680KΩ，各個電阻之間基本相差5倍關系，測量電阻的范圍與各當為基準電阻R的關系為 ()這樣提高了換擋的精確度，使個器件的測量達到正確的檔位上去。 前置測試電路、放大電路。端口2分別與前值測量電路的端口2相連，通過單片機控制模擬開關CD4053來控制輸入信號的選擇。當模擬開關選擇置端口1時，由OPA704構成的差分放大器測量待測阻抗上的電壓，當模擬開關置于端口2時，差分放大器便可以測量出被測器件上的電壓。和分別被差分放大器放大后，便通過開關輸入到放大器進行再次放大，放大器的增益可通過選擇模擬開關不同的工作方式加以控制。運放OPA704工作在跟隨狀態(tài)時，不具備放大功能。當構成同相輸入比例運算電路時，輸入電壓與輸出電壓之間的關系為 ()由此可知該電路的放大倍數(shù)只有1倍和5倍兩檔。 放大電路、相敏檢波電路相敏檢波電路的作用是將、用不同的參考相位進行鑒相并將其平均值轉(zhuǎn)換成相應的數(shù)字量。相敏檢波有由模擬開關組成，控制模擬開關開與斷，即0176?；?0176。的基準相位信號。采用雙π/4脈沖積分檢相原理。 雙π/4脈沖積分鑒相原理圖由雙π/4脈沖積分鑒相可推導出測量電壓在x軸方向的投影為 ()在虛軸方向上的投影為