【正文】 ut6VCCVEE185RGRGRefU11INA128R3610K %R341MR331KR371MR381KC47220nFC51220nFGNDGNDGNDIN/OUT_41IN/OUT_62OUT/IN3IN/OUT_74IN/OUT_55INH6VEE7VSS8C9B10A11IN/OUT_312IN/OUT_013IN/OUT_114IN/OUT_215VDD16U13CD4051R45100R46500R47R4910KR5050KR51220K+5R4110KGNDC54104GND123P ？ 15R5310KC59104GND 4732out6VCCVEE185RGRGRefU12 INA128R4210K %R401MR391KR441MR481KC53220nFC57220nFGNDGNDIN/OUT_41IN/OUT_62OUT/IN3IN/OUT_74IN/OUT_55INH6VEE7VSS8C9B10A11IN/OUT_312IN/OUT_013IN/OUT_114IN/OUT_215VDD16U14CD4051+5R5410KGNDC62104GND5R59 10KC66104GNDCBAABC0123456701234567 4732out6VCCVEEU17 TL081GND+55+55V_RLCC69 104C70 10uFGNDC63104GNDC6710uFC45104C4610uFGNDC4910uFC50104+5C48104C5210uFGNDGND5C5510uFC56104R52680K1212P1312P14AB 圖 前置測試電路 、 放大電路 放大電路電路圖如圖 。 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。當(dāng)模擬開關(guān)選擇置 端口 1時，由 OPA704構(gòu)成的差分放大器測量待測阻抗 xz 上的電壓 xU ，當(dāng)模擬開關(guān)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 SU 。 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。 運放 OPA704工作在跟隨狀態(tài)時，不具備放大功能。當(dāng)構(gòu)成同相輸入比例運算電路時，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。 5R6010KC65104GNDGND12P15R585KR5720KGND 4732out6VCCVEEU16OPA704+5C58104C61 10uFGND5C64104C6810uFGNDR5610KGNDAB12+5R5510KGNDC60104aX12aY13bX2bY1cX5cY3INH6C9B10A11VSS8VEE7c4b15a14VDD16U15CD405312P16 圖 放大電路 、 相敏檢波電路 相敏檢波電路的作用是將 XU 、 SU 用不同的參考相位進(jìn)行鑒相并將其平均值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字量。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。或 90176。的基準(zhǔn)相位信號。 采用 雙 π/4脈沖積分檢相原理 ，原理圖如圖 。 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 。 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。兩路模擬開關(guān)的通斷時間為測量信號的半個周期 。 采用二階有源低通濾波器來實現(xiàn)積分，濾波器的 Lf 設(shè)定在 1Hz也就相當(dāng)于一個積分器 。因為 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)過差分運放再次放大。本設(shè)計是采用微處理器 MSP430G2553內(nèi)部 AD進(jìn)行電壓采集， 只 能采集正電壓， 必須 將相敏檢波后的電壓進(jìn)行抬升， 使 電壓總 大于 0。由 REF5030和電阻 R1和 R2將電壓抬升 。用 TL081做跟隨器，經(jīng)過加法器后輸出電壓為 )1010(1022121 ?????? VVVKVKVKV out () 所以在用單片機(jī)進(jìn)行 AD采集時，將采集的電壓值減 投影在坐標(biāo)軸上的真實值。據(jù)此值，單片機(jī)進(jìn)行四則運算求出待測值。 0_clk90_clkaX12aY13bX2bY1cX5cY3INH6C9B10A11VSS8VEE7c4b15a14VDD16U4 CD4053 C5 104R510K+5GND12P312P15R11 10KC7104GNDGND 4732out6VCCVEEU3TL081+55R410KR310KC6 C41uFGND 4732out6VCCVEEU7TL081+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 本 設(shè)計 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。 、軟件主流程圖 系統(tǒng)總體軟件 設(shè)計 流程圖如圖 。 圖 軟件流程圖 初始化 開始 初始 檔位選擇 A/D采樣 計算 A/D采回來的數(shù)據(jù) 計算出 Z值 是否大于或小于該檔位范圍 增大檔位 減小檔位 調(diào)用相關(guān)計算公式計算 調(diào)用顯示程序顯示 20 、 系統(tǒng)時鐘軟件設(shè)計 MSP430G2553單片機(jī)具有 獨特的時鐘系統(tǒng) ， 共有三個時鐘源 。通過配置相應(yīng)的寄存器就能使用想要的系統(tǒng)時鐘。 ① LFXT1CLK，為低速 /高速晶振源，通?？赏饨?時鐘晶振； ② DCOCLK，數(shù)控振蕩器，為內(nèi)部晶振，由 RC震蕩回路構(gòu)成； ③ VLOCLK，內(nèi)部低頻振蕩器， 12kHz標(biāo)準(zhǔn)振蕩器 ,超低功耗 。 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。 ② MCLK 系統(tǒng)主時鐘單元，為系統(tǒng)和 CPU提供時鐘 ； ③ SMCLK 系統(tǒng)子時鐘 , 軟件選擇作各個外圍模塊 ； 有四個 相應(yīng)的時鐘配置寄存器 為 DCOCTL、 BCSCTL BCSCTLBCSCTL3。 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 從而實現(xiàn)對總體功耗的控制。 MSP430G2553單片機(jī)內(nèi)部基礎(chǔ)時鐘模塊方框圖如圖 。 本設(shè)計系統(tǒng) 運行 時鐘頻率 選擇 8MHz， 通過控制相應(yīng)的寄存器來實現(xiàn)。 看 門狗方 結(jié)構(gòu) 框圖如圖 ，通過配置看門狗寄存器 WDTCTL禁止看門狗的運行。 系統(tǒng)時鐘設(shè)計實例程序如下所示。 void CLK_init() { 21 WDTCTL = WDTPW+WDTHOLD。 if (CALBC1_8MHZ == 0xFF || CALDCO_8MHZ == 0xFF) { while(1)。 } BCSCTL1 = CALBC1_8MHZ。 DCOCTL = CALDCO_8MHZ。 } 圖 基礎(chǔ)時鐘模塊方框圖 22 圖 看門狗結(jié)構(gòu)框圖 、 方波產(chǎn)生軟件設(shè)計 本設(shè)計采用 MSP430G2553定時器 A的 PWM輸出功能， 產(chǎn)生方波信號。定時器 A結(jié)構(gòu)圖如圖 。 配置 定時器 A控制寄存器 TACTL使單片機(jī)工作在 單調(diào)增模式，即定時器的計數(shù)值達(dá)到 TACCR0時 定時器就回到 0重新計數(shù) 。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 。 圖 各輸出模式波形圖 本設(shè) 計選擇輸出 模式 OutPut Mode2 toggle/Reset,通 過改變TACCR0和 TACCR1的 值實現(xiàn)不同頻率方波信號的輸出。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)計需輸出頻率為 1MHz、 100KHz、 10KHz三種頻率的方波信號。所以我們將 TACCR0和 TACCR1分別設(shè)置為 7和 79和 799和 400。 23 定時器 A產(chǎn)生 PWM波的實例程序如下 ； void TA1_init(void) //1MHZ PWM波 輸出 { TA1CCR0=7。 //5US TA1CCR1=3。 //PWM波輸出 TA1CCTL1|=OUTMOD_2。 TA1CTL|=TASSEL_2+MC_1。 //不要中斷定時中斷 } 圖 定時器 A結(jié)構(gòu)圖