【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 wtVv sin2 22 ? 那么，在倍增型 0V 可用式（ 1）表示，同步式 0V 可用式（ 2）表示： ?cos210 VVV ? （ 1） ?? /co s22 10 VV ? （ 2） 如果 1v 、 2v 相差 900 輸出 0V 為 0，如果 dv 是輸入信號(hào)，橋式電路中另一個(gè)指定信號(hào)是參考信號(hào)，相敏計(jì)輸出為 0，這將意味著 dv 和指定電壓相位差 900,表明是 半 平衡狀態(tài)。 在兩個(gè)指定電壓下，能夠獲得兩個(gè)獨(dú)立的半平衡。達(dá)到平衡時(shí)所測(cè)得的數(shù)據(jù) x 和 SR用來(lái)計(jì)算未知參數(shù) Z 。根據(jù)被測(cè)阻抗的特性按照以下分析可以得到兩種平衡。 圖 測(cè)量阻抗 Z 的電橋電路和電感阻抗半平衡向量圖 利用 NE555 芯片和電容電感組成的震蕩電路 測(cè)量 原理 該方法是利用 NE555 芯片和電容電感構(gòu)成震蕩電路，把較難測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)變成精度較高且較容易測(cè)量的物理量。把電子元件的集中參數(shù) R、 L、 C 轉(zhuǎn)換成頻率信號(hào) f，然后利用單片機(jī)計(jì)數(shù)后在運(yùn)算求出 R、 L、 C的值， 并送顯示，轉(zhuǎn)換的原理分別是 RC 震蕩和 LC三點(diǎn)式震蕩。這種轉(zhuǎn)換就是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，頻率 f 是單片機(jī)很容易處理的數(shù)字量，這種數(shù)字化處理一方面便于使儀表實(shí)現(xiàn)智能化，另一方面也避免了由指針讀數(shù)引起的誤差。缺點(diǎn)是，外圍電路較復(fù)雜，并且測(cè)量范圍有限。 利用運(yùn)算放大器 LM311 及外圍組成的震蕩電路測(cè)量原理 該電路外圍電路簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定可靠， LM311 輸出的方波波形整齊 穩(wěn)定，方便單片3 機(jī)或者計(jì)數(shù)器的測(cè)量。 LM311 和電容電感配合組成的震蕩電路最高震蕩頻率可達(dá) 4MHz，所以可以測(cè)量很寬范圍內(nèi)的電容值和電感值。該方案原理圖 如圖 所示 ： 圖 LM311和電容電感組成的震蕩電路 經(jīng)過(guò)仔細(xì)比較和優(yōu)化，本系統(tǒng)最終 決定 采用 LM311 和電容電感組成振蕩電路 的方法來(lái)進(jìn)行電容電感， 然后通過(guò)單片機(jī)和計(jì)數(shù)器組成的頻率測(cè)量電路最終計(jì)算出電容值和電感值。 選擇該方案的原因是由于該方案可行性比較高，外圍電路難度適中，測(cè)量范圍 寬 ，系統(tǒng)總體功耗較低，可以滿足本次設(shè)計(jì)要求。 本系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)的 的功能和指標(biāo) 本次設(shè)計(jì)的題目源于 2021年四川省 TI杯模擬及模數(shù)混合電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽題目的 A題。這是一個(gè)綜合性挺強(qiáng)的題目，主要考察學(xué)生的數(shù)模混合電路的設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上稍加改動(dòng)，既滿足了畢業(yè)設(shè)計(jì)的難度要求，又符合自己的興趣愛(ài)好。原題的要求如下： （ 1）測(cè)量電阻范圍： 100?～ 1M?，測(cè)量精度： 5%? ； （ 2）測(cè)量電容范圍： 100pF～ 10000 pF，測(cè)量精度： 10%? ； （ 3）測(cè)量電感范圍： 100?H～ 10mH，測(cè)量精度： 10%? ； （ 4）使用鍵來(lái)設(shè)置測(cè)量的種類和單位，并顯示； （ 5）自制電源。 本 次設(shè)計(jì) 中 擴(kuò)展了題目中要求的范圍， 并且還增加了良好的人機(jī)交互界面。按鍵控4 制、 128 64 寬屏液晶顯示測(cè)量結(jié)果，操作簡(jiǎn)便，一目了然。 擴(kuò)展后的范圍如下： （ 1）測(cè)量電阻范圍： 1?～ 1M?，測(cè)量精度： 5%? ； （ 2）測(cè)量電容范圍： 10pF～ 100000 pF，測(cè)量精度： 10%? ； （ 3）測(cè)量電感范圍： 30?H～ 500mH，測(cè)量精度： 10%? ； 2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)和分析 簡(jiǎn)易電阻、電容電感測(cè)量?jī)x的原理 本系統(tǒng)的基本工作原理 是將電阻，電容，電感的變化量最終變成脈沖波頻率的變化量，通過(guò) 單片機(jī)和由 數(shù)字芯片 搭建 的 計(jì)數(shù)器電路可以很方便的計(jì)算出脈沖波的頻率，確定頻率之后可以通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算出各個(gè)器件的參數(shù)。 系統(tǒng) 可以分為三部分：即電阻測(cè)量部分、電容測(cè)量部分、電感測(cè)量部分。 每個(gè)部分對(duì)應(yīng)一塊模擬電路，實(shí)現(xiàn)了相應(yīng)元件的參數(shù)轉(zhuǎn)換為脈沖波頻率的變化。 電阻測(cè)量的核心芯片是 ADVFC32，該芯片功能是將電壓的變化轉(zhuǎn)換為隨電壓線性變化的頻率的變化。電感測(cè)量電路的核心是 LC 震蕩電路，電路由已知電容和被測(cè)電感組成震蕩回路，產(chǎn)生頻率隨被測(cè)電感值變化的正弦波。電容測(cè)量電路和電感測(cè)量電路原理一樣，只是將已知電容換成已知電感，被測(cè)電容和已知電感構(gòu)成震蕩回路。 簡(jiǎn)易電阻、電容電感測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)分析 簡(jiǎn)易電阻、電容電感測(cè)量?jī)x 系統(tǒng)主要包括電阻值到方波脈沖頻率的轉(zhuǎn)換，電容值到方波脈沖頻率的轉(zhuǎn)換，電感值 到方波脈沖頻率的轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換后的各路方波脈沖經(jīng)過(guò)繼電器選擇后進(jìn)入 24 位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器模塊，在單片機(jī)定時(shí)器的控制下，計(jì)算出檢測(cè)到方波脈沖的頻率。得到頻率值后，單片機(jī)根據(jù)相應(yīng)元器件 參數(shù)的計(jì)算公式計(jì)算出元器件的參數(shù)并且在 128 64寬屏液晶上面顯示出結(jié)果。 系統(tǒng)一開(kāi)機(jī) 128 64 液晶顯示提示信息，提示用戶選擇需要測(cè)量的元件，選擇后繼電器會(huì)跳動(dòng)，選擇相應(yīng)的測(cè)量檔位，然后系統(tǒng)進(jìn)入等待狀態(tài)中。當(dāng)用戶插入需要測(cè)量的元件之后系統(tǒng)會(huì)在 1s 內(nèi)測(cè)出元器件的所有參數(shù)， 并且在液晶屏上顯示出來(lái)， 完成自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換 。 經(jīng)過(guò)分析，該系統(tǒng)的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于測(cè)量電路的精確性和穩(wěn)定性，測(cè)量精度完全取決于測(cè)量電路的特性，所以我們決定使用標(biāo)準(zhǔn)精密電阻電容作為標(biāo)稱元件，用它們和實(shí)5 際待測(cè)元件進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，從而得到被測(cè)元件的實(shí)際值。 簡(jiǎn)易電阻、電容電感測(cè)量?jī)x的系統(tǒng)框圖 本設(shè)計(jì)的原理框圖如下圖 ，系統(tǒng)以 MSP430F149 單片機(jī)為控制核心 ，按鍵和128 64 液晶實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互。 圖 3 系統(tǒng)的控制部分及人機(jī)交互處理 MSP430F149 單片機(jī) MSP430F149 單片機(jī)簡(jiǎn)介 TI 公司的 MSP430 系列是一個(gè)特別強(qiáng)調(diào)超低功耗的單片機(jī)品種，很適合應(yīng)用于采用電池供電 的長(zhǎng)時(shí)間工作場(chǎng)合。在這個(gè)系列中有很多型號(hào)，它們是由一些基本功能模塊按不同的應(yīng)用目標(biāo)組合而成。 MSP430 系列的 CPU 采用 16 位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，集成有 16 位寄 MSP430F149 單片機(jī) 按鍵 電容、電感 測(cè)量電路 頻率計(jì)數(shù)器 量程切換 待測(cè)電容 或電感 128 64 液晶 電阻測(cè)量電路 量程切換 待測(cè)電阻 6 存器和常數(shù)發(fā)生器，發(fā)揮了最高的代碼效率。它采用數(shù)字控制振蕩器（ DCO），使得從低功耗模式到喚醒模式的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于 6us。其中 MSP430x41x 系列微控制器設(shè)計(jì)有一個(gè) 16位定時(shí)器，一個(gè)比較器， 96 段 LCD驅(qū)動(dòng)器和 48個(gè)通用 I/O 引腳。 典型應(yīng)用：捕獲傳感器的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)加以處理后發(fā)送到主機(jī)。其中芯片中的比較器和定時(shí)器是工業(yè)儀表、計(jì)數(shù)裝置和手持式儀表等產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的理想選擇。 該系列的單片機(jī)的特點(diǎn)如下所述： （ 1） 低電壓范圍： … （ 2） 超低功耗：活動(dòng)模式 電流為 225uA，待機(jī)模式電流為 , 掉電模式（ RAM數(shù)據(jù)保持）電流為 （ 3） 五種省電模式 （ 4） 從待機(jī)模式到喚醒模式響應(yīng)時(shí)間不超過(guò) 6us （ 5） 頻率鎖相環(huán) PLL+ （ 6） 16 位精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，指令周期 125ns （ 7） 帶有三個(gè)捕獲 /比較寄存器的 16位定時(shí)器 （ 8） 集成 96 段 LCD 驅(qū)動(dòng)器 （ 9） 片內(nèi)比較器 （ 10） 串行在線可編程，無(wú)需提供外部編程電壓。 （ 11） 采用保險(xiǎn)熔絲的可編程代碼保護(hù)措施 （ 12） 閃爍存儲(chǔ)器，器件具有 bootstrap 程序裝載器 （ 13） 64 腳 QFP封裝形式 MSP430F149 單片機(jī)主要功能部件 CPU: MSP430F149 單片機(jī)的 CPU 和通用微處理器基本相同，只是在設(shè)計(jì)上采用了面向控制的結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)。 MSP430F149 的內(nèi)核 CPU 結(jié)構(gòu)是按照精簡(jiǎn)指令集和高透明的宗旨而設(shè)計(jì)的，使用的指令有硬件執(zhí)行的內(nèi)核指令和基于現(xiàn)有硬件結(jié)構(gòu)的仿真指令。這樣可以提高指令執(zhí)行 速度和效率，增強(qiáng)了 MSP430F149 的實(shí)時(shí)處理能力。 存儲(chǔ)器：存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)以及外圍模塊的運(yùn)行控制信息。有程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。對(duì)程序存儲(chǔ)器訪問(wèn)總是以字節(jié)形式取得代碼，而對(duì)數(shù)據(jù)可以用字或者字節(jié)方式訪問(wèn)。 外圍模塊：經(jīng)過(guò) MAB、 MADB、中斷服務(wù)及請(qǐng)求線與 CPU 相連。 MSP430F149 包含：時(shí)鐘模塊、看門狗、定時(shí)器 A、定時(shí)器 B、比較器 A、串口 0/模數(shù)轉(zhuǎn)換、端口、基本 定時(shí)器、 DMA 控制器。圖 所示為 MSP430F149 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 ，圖 所示為MSP430F149 單片機(jī)的芯片管腳圖。 7 圖 MSP430F149內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖 圖 MSP430F149芯片管腳圖 8 MSP430F149 單片機(jī)最小系統(tǒng)簡(jiǎn)介 MSP430F149 單片機(jī)的最小系統(tǒng)原理圖主要包括電源電路， I/O接口電路 ， MAX232 串口通信電路，并口調(diào)試電路，單片機(jī)復(fù)位電路，時(shí)鐘電路。 單片機(jī)的最小系統(tǒng)的 電源電路 電源電路 以 三端穩(wěn)壓芯片 ，將輸入的 5V電壓穩(wěn)定到 供單片機(jī)及外圍芯片使用 。該電路最終產(chǎn)生兩路電壓，一路為模擬電路供電，一路為數(shù) 字電路供電。模擬地和數(shù)字地需要用零歐電阻或者電感隔開(kāi)以防止兩邊電 路互相干擾。圖 所示電路即為 MSP430F149 單片機(jī) 最小系統(tǒng)電源電路。 圖 電源電路 串口通信電路 該電路的主要功能是實(shí)現(xiàn) TTL電平和電腦 RS232 之間的轉(zhuǎn)換。單片機(jī)通用的 TTL電平 標(biāo)準(zhǔn) 規(guī)定：大于 為高電平，小于 為低電平 ， 而電腦 上 RS232 電平標(biāo)準(zhǔn)是：+10V 到 +15V 表示邏輯 0， 10V 到 15V 表示邏輯 1。所以要想實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和電腦通信，就必須使用電平轉(zhuǎn)換芯片 MAX232 或者其他電平轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)電腦和單片機(jī)之間高低電平的統(tǒng)一。圖 MSP430F149 單片機(jī) 的電平轉(zhuǎn)換電路，有了該電路就可以實(shí)現(xiàn)單片機(jī)和電腦串口的通信，最終實(shí)現(xiàn)利用電腦遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的目的。 9 圖 MAX232串口通信電路 復(fù)位電路 復(fù)位電路的作用是實(shí)現(xiàn)單片機(jī)的異步復(fù)位，當(dāng)單片機(jī) 程序 運(yùn)行時(shí)發(fā)生死機(jī)，或者系統(tǒng)需要重啟時(shí)，可以按下復(fù)位按鍵，單片機(jī)復(fù)位后 PC指針將指向程序最開(kāi)始的地方。單片機(jī)要想實(shí)現(xiàn)復(fù)位，就必須在復(fù)位端口上持續(xù) 10ms 以上的低電平，所以該復(fù)位電路中使用了一個(gè) 的電容實(shí)現(xiàn)了上電復(fù)位的目的。上電 后 ，電容充電需要一段時(shí)間，電容充電時(shí)，電容和單片機(jī)復(fù)位管腳 相連的地方電壓緩慢上升，只要保持 10ms 的低電平時(shí)間就實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)的上電復(fù)位。圖 為 MSP430F149 單片機(jī) 最小系統(tǒng) 的復(fù)位電路原理圖： 圖 異步復(fù)位 電路 時(shí)鐘電路 時(shí)鐘電路 是協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)同步運(yùn)行的重要電路，時(shí)鐘電路的穩(wěn)定性決定了單片機(jī)工作的穩(wěn)定度。 MSP430F149 單片機(jī) 外圍配備了兩個(gè)無(wú)源晶振，一個(gè) 8MHz，一個(gè) 32768Hz。 單片機(jī)內(nèi)部有 PLL 鎖相環(huán)電路，可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘倍頻。圖 所示 為 時(shí)鐘電路原理圖 ： 10 圖 時(shí)鐘 電路 并口調(diào)試電路 MSP430F149 單片機(jī) 支持并口在線調(diào)試，通過(guò)并口調(diào)試可以很方便的實(shí)現(xiàn)單片機(jī)單步運(yùn)行，全速運(yùn)行，斷點(diǎn)調(diào)試等，并且可以觀察到各個(gè)變量及寄存器的具體數(shù)值。支持在線調(diào)試可以大大縮短了開(kāi)發(fā)周期，易于查錯(cuò)。圖 ： 圖 并口調(diào)試接口 電路 128 64 液晶顯示器 128 64 液晶簡(jiǎn)介 HS1286415 系列中文圖形液晶模塊的特性主要由其控制器 ST7920 決定。 ST7920 同時(shí)作為控制器和驅(qū)動(dòng)器，它可提供 33 路 輸出和 64 路 seg 輸出。在驅(qū)動(dòng)器 ST7921 的配合下，最多可以驅(qū)動(dòng) 256 32 點(diǎn)陣液晶。 圖 所示為 128 64液晶原理簡(jiǎn)圖 11 圖 128 64液晶原理簡(jiǎn)圖 HS1286415系列產(chǎn)品硬件特性如下： （ 1） 提供 8 位， 4位并行接口及串行接口可選 （ 2） 并行接口適配 M6800 時(shí)序 （ 3） 自動(dòng)電源啟動(dòng)復(fù)位功能 （ 4） 內(nèi)部自建振蕩源 （ 5） 64 16 位字符顯示 RAM（ DDRAM 最多 16 字符 4 行）， LCD顯示范圍 16 2行） （ 6） 2M 位中文字型 ROM（ CGROM） ，總共提供 8192 個(gè)中文字型（ 16 16） （ 7） 16K 位半字寬字型 ROM（ HCGROM），總共提供 126 個(gè)西文字型（ 16 8） （ 8） 64 16 位字符產(chǎn)生 RAM（ CGRAM） HS1286415系列產(chǎn)品軟件特性如下： （ 1） 文字與圖形混合顯示功能 （ 2） 畫面清除功能 （ 3） 光標(biāo)歸位功能 （ 4） 顯示開(kāi) /關(guān)功能 （ 5） 光標(biāo)顯示 /隱藏功能 （ 6） 顯示字體閃爍功能 （ 7） 光標(biāo)移 位功能 （ 8） 顯示移位功能 （ 9） 垂直畫面旋轉(zhuǎn)功能 （ 10） 反白顯示功能 12 （ 11） 休眠