【正文】 ......................................................... 6 正弦信號發(fā)生 方案論證 與選擇 ............................ 錯誤 !未定義書簽。 Abstract .......................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計）作者簽名： 年 月 日 目 錄 摘 要 ............................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。對論文的研究做出重要貢獻的個人 和集體均已在文中以明確的方式標明。 學科分類號 0712 本科生畢業(yè)論文 (設(shè)計 ) 題目（中文）： 基于矢量自由軸法的 RLC 測量儀設(shè)計（軟件） （英文）： The measuring instrument Design based on the vector free shaft method of RLC(software) 學生姓 名： XXX 學 號： 0910XXXXXX 系 別： 物理與信息工程系 專 業(yè)： 電子信息科學與技術(shù) 指導教師： 張仁民 起止日期： 年 月 日 懷化學院本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 )誠信聲明 作者鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)論文 (設(shè)計 )，是在指導老師的指導下，獨立進行研究所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的成果。本聲明的法律結(jié)果由作者承擔。 關(guān)鍵字 ............................................................................................ 錯誤 !未定義書簽。 Key words ...................................................................................... 錯誤 !未定義書簽。 基準相位發(fā)生方案 論證與選擇 ............................................................ 7 前置測試電路 方案論證 ........................................ 錯誤 !未定義書簽。 微處理器 方案 論證與選擇 .................................................................. 10 3 硬件電路設(shè)計與參數(shù)計算 ....................................................................................... 12 系統(tǒng)總體設(shè)計 ................................................................................................ 12 子系統(tǒng) 電路 設(shè)計 ............................................................................................ 12 基 準相位 信號 發(fā)生電路 ....................................................................... 13 正弦信號發(fā)生電路 ............................................................................... 14 前置測試電路 ....................................................................................... 15 放大電路 .............................................................. 1 錯誤 !未定義書簽。 采用 的是 超低 功耗 MSP430G2553單片機和 Nokia5110液晶顯示測量電阻、電容、電感及相關(guān)輔助變量。采用 MSP430G2553單片機的 PWM輸出功能和內(nèi)部 10位 AD分別進行方波信號的產(chǎn)生和 AD數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)采用雙 π /4脈沖積分鑒相原理，結(jié)合矢量自由軸法 提高了 RLC測量的精度 。RLC。 Low power consumption 1 前言 隨著科技的不斷發(fā)展，電子產(chǎn)品正以前所未有的速度，向著多功能化、體積最小化、功耗最低化的方向發(fā)展，機電產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于家電、通信、一般工業(yè)。掌握必要的電子知識成為我們常生活必要技能。這種專用的 RLC測量儀具有多功能、多參量、多頻率、高速度、高精度、大屏幕、菜單方式顯示等優(yōu)點?？商峁┓€(wěn)定的 6位測試分辨率，測試信號電平可進行 V可編程設(shè)置，自動分配選擇匹配系數(shù)實現(xiàn)自動化，能適用生產(chǎn)現(xiàn)場高速檢測等應(yīng)用。 人類 是不斷進步發(fā)展的，科技技能和知識不斷積累，數(shù)字信號處理 技術(shù)越來越成熟，各類芯片性能不斷提升， 伴隨著新技術(shù)的出現(xiàn) ，各項技術(shù)都有突破進展 。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 計算后 再運算求出 R、 L和 C的方法。但這種方法實現(xiàn)上有很大的難度。 RLC測量方法有很多，對電阻的測量最為簡單。 RLC測量有電橋法、比例法、諧振法等，目前通過不同的模擬電橋電路可以實現(xiàn) RLC參數(shù)的較精確測量，在測量時需要預(yù)先判別 RLC類型再選 擇 合適的測量電橋和測量頻率，因此測量時智能化水平不高。 ① 交流電橋法：運用交流電 橋法進行 RLC 測量時系統(tǒng)要達到平衡，實現(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)，才能使電橋完全達到平衡，而且往往需要對這兩個參數(shù)進行反復地調(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。但電橋法測量需要反復進行平衡調(diào)節(jié)，測量時間長，很難實現(xiàn)快速的自動測量。由于測試頻率不固定，測試速度也很難提高。采用了基于 矢量 自由軸伏安 法測量 原理和四端測量技術(shù)。大大降低了計算的復雜度。 MSP430 單片機是美國德州儀 器 （ Texas Instruments） 1996 年開始推廣的一種 16為超低功耗 、具有 精簡指令集 的混合信號處理器。該系列單片機多應(yīng)用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。自動換擋測量電阻、電感、電容的值及相關(guān)的輔助量。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)四則運算 得 ， 到比值便是被測阻抗的相量。 4 圖 伏安法測量原理圖 圖中 XI OI 是已知的恒流源相量； SZ 是已知的標準阻抗；被測阻抗 XZ 與標準阻抗 SZ 串聯(lián)。 矢量 伏安法通過 測量 待測量和標準量的兩個電壓分 量，然后再通過一系列運算得到被測 阻抗 XZ 的數(shù)值。 圖 自由軸法測量原理框圖 通過微處理器控制模擬開關(guān) S來選擇 XU 和 SU ， 對每個 XU 和 SU 進行兩次測量，這兩次測量的參考基準信號 相位 要求保持精確的 90176。 5 采用自由軸 測量時相敏檢波器的相位參考基準可以任意選擇， 只要求 x， y坐標軸標準正交， 簡化 了 硬件電路， 提高 了精確 度。 圖 自由軸法相量圖 由自由軸矢量關(guān)系圖可知 ?? ?? 21 UjUU X () ?? ?? 43 UjUU S () 由此可得 2341 jUU jUURUURZ SSXSX ?????? ?? ???????? ??????? 2423 31422423 4231 UU UUUUjUU UUUUR S () 以電容測量為例，可建立 測量 RLC參數(shù) 的數(shù)學模型如下 2121 jeNeNjUUU X ???? () 4332 jeNeNjUUU S ???? () 其中 e為 A/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)，即每個數(shù)字所代表的電壓值。所以，兩矢量之商可表示為 2221 32412221 423121 43 NN NNNNjNN NNNNje NeN je NeNUU XS ????????? （ ） 若 SZ 采用標準電阻 SR ,則有 SXSXSX CjGRUUZ ?????? 11 () 6 將式 (2. 7)代入式 (2. 8)得 ???????? ???????? 2221 32412221 42311 NN NNNNjNN NNNNRCjG SSX ? () 所以被測參數(shù)的實部和虛部分別為 2221 42311 NN NNNNRG SX ????? () 2221 32411 NN NNNNRG SS ????? () 斜率相位角 XD 為 2221 4231 NN NNNNCGD XXX ???? ? () 、設(shè)計方案論證 、正弦波信號發(fā)生方案論證與選 擇 方案一 基于 DDS的 FPGA實現(xiàn) DDS的主要優(yōu)點是它的輸出頻率、相位和幅度能夠在微控制器的控制下精確而快速的變換。 圖 DDS原理框架圖 正弦波信號發(fā)生器由晶體振蕩器、數(shù)字分頻器、數(shù)字波形存儲器、D/A轉(zhuǎn)換器和濾波放大器構(gòu)成。經(jīng)過 D/A轉(zhuǎn)換后得到階梯型正弦波。 方案二 基于 MSP430單片機實現(xiàn) 7 MSP430單片機具有多個 16位定時器計數(shù)器并復合了捕獲、比較寄存器。 我們可以利用 MSP430單片機定時器的 PWM輸出功能，配置定時器相關(guān)寄存器實現(xiàn) PWM方波輸出。 由于方案二相對于方案一外圍電路簡單、功耗低、而且器件價格便宜，便于便攜式設(shè)計應(yīng)用。 、基準相位發(fā) 生 方案論證 與選擇 方案一 基于單片機和 FPGA實現(xiàn) 基準系統(tǒng)信號源的產(chǎn)生可由單片機生成各種波形的數(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。波形數(shù)據(jù)和頻率控制字 K由串口寫入 FPGA，在本系統(tǒng)中單片機擔任著主要的控制作用。)。的正弦波數(shù)據(jù)，產(chǎn)生三組相互正交的正弦波形。 方案二 利用 基礎(chǔ) 數(shù)字器件實現(xiàn) 由 MSP430單片機產(chǎn)生 1MHz的方波信號，然后再經(jīng)過數(shù)字器件器74LS390計數(shù)器進行分頻和 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。 方案二僅使用 MSP430單片機作為微處理器 利用 簡單的數(shù)字器件，方法簡單，便于實現(xiàn)。 、前置測試電路方案論證 前置測試電路 主要由 反相比例運算電路構(gòu)成， 該電路基本放大器的共模輸入信 號為零，因此對基本放大電路抑制共模能力要求降低，使 測試電路受系統(tǒng)共模信號影響降低，能增 加測試精度。 儀用放大器與普通集成運算放大器相比具有很多優(yōu) 點， 儀用放大器具有能夠消除任何共模信號 而 放大差模信號的特性 ， 正常工作 時 , 它既能放大微伏級差模信號 , 同時又能抑制幾伏的共模信號 。 通過微處理器計算控制 模擬開關(guān) 在 各個標準電阻 檔位 之間選擇合 9 適的檔位進行測量。 、放大電路方案論證 由單片機編程控制 多路 模擬開關(guān) CD405 CD4051導通與斷開，實現(xiàn)對標 準電阻上的差分電壓