【正文】 從前期的選題，收。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。 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。 采用 MSP430G2553作為微處理器控制整個系統(tǒng)進(jìn)行。能用普通的鋰電池進(jìn)行供電，實(shí)現(xiàn)了便攜式設(shè)計(jì)。但在是整體測試上達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 電感測量數(shù)據(jù)表 。雖然測量精度有所不同，但整體在5%以下，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。 如 將精確 10nF 的 電容 接入 測量 系統(tǒng) 結(jié)果顯示如圖 所示。電阻 測量數(shù)據(jù)如表 。 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。 、測試結(jié)果及分析 在整個測試過程中，系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)將自動分辨從 Nokia5110液晶顯示出來。 30 、 測試方案 將待測的電阻、電感、電容先由高頻導(dǎo)納電橋測量并記錄其精確值， 再將待測元件接入本設(shè)計(jì)的 RLC測量儀。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。Nokia5110指令格式分為兩種模式如圖 。在水平尋址模式 (V=0)， X地址在每個字節(jié)之后遞增 ,經(jīng)最后的 X地址 (X=83)之后， X繞回 0， Y遞增到下一行的地址。 、 顯示部分軟件設(shè)計(jì) 與 MSP430G2553單片機(jī)相同 Nokia5110液晶 也 具有低電壓、低功耗、性價(jià)比高等特點(diǎn)， 使用單片機(jī)的 I/O資 源少， 非常適合于電池供電的便攜式通信設(shè)備和測試設(shè)備中 使用。 val1=val1+a。i99。 //等待轉(zhuǎn)換結(jié)束 a=ADC10MEM。 //開始轉(zhuǎn)換 while(ADC10CTL1amp。ADC10BUSY)。 //A0 ADC10CTL1|=INCH_0 +CONSEQ_0。 圖 ADC10轉(zhuǎn)換過程圖 圖 ADC10模塊的 結(jié)構(gòu) 框 圖 28 ADC10初始化設(shè)置實(shí)例程序如下 : void ADC10_init(void) { ADC10CTL0|=ADC10ON+MSC+ADC10SHT_2+SREF_0。如果在轉(zhuǎn)換期間時鐘丟失或關(guān)閉，轉(zhuǎn)換將無法完成，本次轉(zhuǎn)換結(jié)果將無效。只有在 ENC=0時， ADC10的控制為才可以被改變，所以在進(jìn)行轉(zhuǎn)換之前 ENC位必須設(shè)為 1。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。 具有多路外部輸入通道，可選時鐘源，自動存儲轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換控制器。 最大轉(zhuǎn)換速率為 200ksps,具有采樣保持功能，并可選采樣周期。模塊的 結(jié)構(gòu) 框 圖如圖 。 Nxi=val1509。 26 __delay_cycles(10000000)。 CTRL |=G。 Nxr=val1509。 __delay_cycles(10000000)。=~G。 //標(biāo)準(zhǔn)電阻虛部 NRi 509為抬高的電平 } if(n==2) // F=0待測電阻 G=0實(shí)部 { CTRL |=F。//延時 1s等待 輸出穩(wěn)定 ADC10_sample()。 M595_send(CTRL)。=~F。 25 NRr=val1509。 __delay_cycles(10000000)。=~G。=~F。n4。整個測量過程檔位轉(zhuǎn)換實(shí)例程序如下所示 ,測量四個狀態(tài)參數(shù)。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。 由真值表可以 開關(guān)接通哪一通道，可由單片機(jī)編程控制 3位地址碼 ABC來決定。兩模擬開關(guān)都 有 A、 B和 C三個二進(jìn)制控制輸入端以及 INH共 4個輸入，具有低導(dǎo)通阻抗和很低的截止漏電流。 //不要中斷定時中斷 } 圖 定時器 A結(jié)構(gòu)圖 、 測量狀態(tài) 控制軟件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用了兩種模擬 開關(guān) CD4051和 CD4053， 通過單片機(jī)編程控制開關(guān)的通與斷實(shí)現(xiàn)整個測量過程的進(jìn)行。 //PWM波輸出 TA1CCTL1|=OUTMOD_2。 23 定時器 A產(chǎn)生 PWM波的實(shí)例程序如下 ； void TA1_init(void) //1MHZ PWM波 輸出 { TA1CCR0=7。如 系統(tǒng)時鐘fclk 為 8MHz,定時器時鐘源選擇 SMCLK， 產(chǎn)生 頻率 f為 1MHz的方波 ，計(jì)算得 TACCR0的值為 711810 ????? M H zM H zffT A C C R c lk () 輸出的方波占空比為 50%，所以 TACCR1的值為 42 172 101 ????? T A C C RT A C C R () 本設(shè)計(jì)需輸出頻率為 1MHz、 100KHz、 10KHz三種頻率的方波信號。配置捕獲比較控制 寄存器 TACCTL1使定時器 A處于輸出模式，各輸出模式配置后輸出波形如圖 。定時器 A結(jié)構(gòu)圖如圖 。 DCOCTL = CALDCO_8MHZ。 if (CALBC1_8MHZ == 0xFF || CALDCO_8MHZ == 0xFF) { while(1)。 系統(tǒng)時鐘設(shè)計(jì)實(shí)例程序如下所示。 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)。 這些時鐘可以在指令的控制下 寄存器相應(yīng)功能的 打開和關(guān)閉， 由系統(tǒng)時鐘系統(tǒng)產(chǎn)生 CPU 和各功能所需的時鐘 從而實(shí)現(xiàn)對總體功耗的控制。 同時 MSP430G2553單 片機(jī)內(nèi)部有三個時鐘系統(tǒng)，分別為 ① ACLK 輔助時鐘 ，可有軟件選擇作各個外圍模塊。通過配置相應(yīng)的寄存器就能使用想要的系統(tǒng)時鐘。 、軟件主流程圖 系統(tǒng)總體軟件 設(shè)計(jì) 流程圖如圖 。據(jù)此值，單片機(jī)進(jìn)行四則運(yùn)算求出待測值。由 REF5030和電阻 R1和 R2將電壓抬升 。因?yàn)?采用的是雙 π/4脈沖積分檢相原理 ，所以 兩路濾波器出來的差模信號才是對應(yīng)被測電壓在坐標(biāo)軸上的投影值，經(jīng)過差分運(yùn)放再次放大。兩路模擬開關(guān)的通斷時間為測量信號的半個周期 。 圖 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(dǎo)出測量電壓在 x軸方向的投影為 ? ? ? ?? ? ? ?0000 c o s2c o sc o s2 ???? πATAI ??? () 在虛軸方向上的投影為 18 ? ? ? ?? ? ? ?000 s i n2s i ns i n22 ??? ππ ATATQ ????? () 相敏檢波電路圖如圖 。的基準(zhǔn)相位信號。相敏檢波有 由 模擬開關(guān)組成，控制模擬開關(guān) 開 與斷 ，即 0176。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。 xU 和 SU 分別被差分放大器放大后 ，便通過開關(guān)輸入到放大器進(jìn)行再次放大，放大器的增益可通過 選擇 模擬開關(guān) 不同的工作方式加以控制。 端口 2分別與前值測量電路的端口 2相連，通過單片機(jī)控制模擬開關(guān) CD4053來控制輸入信號的選擇。此電路的基準(zhǔn)電阻由八個檔位構(gòu)成 用來改變測量量程 ，分別為 、 100Ω、 500Ω、 、 10KΩ、 50KΩ、 220KΩ、 680KΩ， 16 各個 電阻之間基本相差 5倍關(guān)系，測量電阻 XR 的范圍與各當(dāng)為基準(zhǔn)電阻 R的關(guān)系為 RRRX 2552 ?? () 這樣提高了換擋的精確度，使個器件的測量 達(dá)到正確的檔位上去。 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。儀表運(yùn)放 INA128放大待測原件上的差分電壓和基準(zhǔn)電阻上電壓。 前置放大電路的作用是 測量流經(jīng)被 測器件的電壓 XU 及代表恒定電流大小的電壓 SU 。用電壓跟隨器作為緩沖級，以加強(qiáng)對后面電路的驅(qū)動能力。后面的高通濾波器是為了濾除 50Hz市電干擾。 Q Q Q Q4四個三極管工作在開關(guān)狀態(tài)， MSP430單片機(jī) 可控制二階低通 RC無源濾波器的截至頻率。輸入信號為 0_clk，當(dāng) 0_clk為高電平即 5V時，經(jīng) R1 R R21構(gòu)成的分壓電路后輸出電壓為 ，而 0_clk為低電平時，輸入 MAX293的電壓為 ，所以最終輸如到 MAX293的電壓相對于 的方波。 MAX293是在截止頻率可控的八階巴特沃斯濾波器。 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 。 電路中電容 C2 C2 C2 C29 是濾除芯片 74HS390 和74HC164 的電源紋波。則74HC164 的相鄰輸出端口輸出相位相差 90176。 74LS390 可實(shí)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 ,邏輯圖如圖 所示。 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。 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(guān)計(jì)算 ，選擇是否放大基準(zhǔn)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(jìn)行相敏檢波， 然后通過 ， MSP430單片機(jī)進(jìn)行 A/D采樣存儲經(jīng)過微處理器的四則運(yùn)算，即可求出最后的待測參數(shù) 。 硬件電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 。功耗超低，可用電池供電， 實(shí)現(xiàn)便攜式設(shè)計(jì)。功能強(qiáng)大，功耗超低。 在實(shí)時時鐘模式下，可達(dá) A ，在 RAM保持模式下，最低可達(dá) A， 另外， MSP430系列單片機(jī)的 中斷 源較多，并且可以任意嵌套，使用時靈活方便。 10/12位硬件 A/D轉(zhuǎn)換器有較高的轉(zhuǎn)換速率，最高可達(dá) 200kbps ，能夠滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集應(yīng)用；由于系統(tǒng)運(yùn)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。內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖 所示。 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 。 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。 如輸入正弦信號為 ? ?t?cos ，被測信號? ??? ?? tUU mX cos ,經(jīng)過由乘法型 D/A構(gòu)成的數(shù)字檢波器后輸出為 ? ? ? ? ? ?? ??????? c o s2c o s21c o sc o s ???? tUttUmm () 實(shí)現(xiàn) 90176。 同時由模擬開關(guān)選擇不同 ,控制運(yùn)算放大器 OPA704的工作方式 ， 實(shí)現(xiàn)運(yùn)放工作在跟隨狀態(tài) ， 還是構(gòu)成 同相輸入比例運(yùn)算電路 實(shí)現(xiàn)放大作用 。 實(shí)現(xiàn)自動測量， 提高精度。 同時 儀用放大器 還具有 線性誤差小 輸入阻抗高等特性， 為精確測量電路提供了保障。 由于待測器件上電壓 XU 和標(biāo)準(zhǔn)電阻上電壓 SU 是 矢量 自由軸法測量 RLC的核心，所以選擇 運(yùn)用 儀用 運(yùn)放 INA128分別 放大 XU 和 SU 。 綜合考慮后我們選擇方案二。 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。單片機(jī)利用 AD 8 進(jìn)行數(shù)據(jù)采集運(yùn)算，判別基準(zhǔn)檔位選擇，達(dá)到最佳效果，可實(shí)現(xiàn)自動檔位選擇，實(shí)現(xiàn) RLC高精度自動測量。相互正交