电赛报告.doc

目录一、题目分析与方案论证21.题目分析22.方案论证2 3. 测量部分. 4. 单片机部分. 5. 系统电路图.二、模块电路设计与参数计算2 1. I/V变换模块电路电路分析.2.电阻计算23.spwm34.幅度测量45.电源设计4三、软件设计5摘要：本简易LCR测量系统以MSP430G2553最小系统为控制核心，由信号产生、数据采集、存储处理、显示等功能模块组成。其中，信号产生由DDS技术实现，信号测量用软件算法完成。并制作了二阶有源低通滤波器和四阶有源低通滤波器作为信号产生网络，用I/V变换作为被测网络，可实现自动识别和显示。一 题目分析与方案论证1. 题目分析任务：设计并制作一个简易电阻、电容、电感测量系统，能够测量并显示电阻、电容、电感的值。系统功能及指标： （1）正弦波发生器：产生一个频率1kHz、10kHz、100kHz的正弦波，峰峰值为3.3V，频率和幅度误差不大于5%，输出阻抗低于10，无明显失真； （2）测量范围：电阻1001M，电容100pF10000pF，电感100H10mH，电容和电感误差不大于10%，电阻误差不大于5%，测量值以数字方式显示； （3）测试一个元件的时间不超过2s（从接入元件开始测量计算）。2. 方案论证1. 电源供电部分系统只提供3V电源，所以采用LT1302芯片得到+5V，采用LT1617芯片得到-5V，单片机采用3V直接供电。2. 正弦波发生器采用DDS方法产生激励电压信号。DDS具有频率分辨率高、频率精确度高、相对带宽宽的优点，因此本设计采用此方案。采用单片机产生一路方波，频率可变（1kHz、10kHz、100kHz），经过模拟开关CD4051，分别输入到三个有源低通滤波器，得到所需的正弦波。3. 测量部分测量部分采用下面的电路可得：|Uo|=|Ui|Rf/|Zx|对于Zx=R|Uo|=|Ui|Rf/R对于Zx=1/jC|Uo|=|Ui|RfC对于Zx=jL|Uo|=|Ui|Rf/L因此只要知道|Uo|，就可求出待测量。4. 单片机部分单片机要完成的功能主要有：输出PWM波，选择模拟开关通道以切换量程，AD采样并计算待测量，将结果输出到显示屏以及通过PWM输出来控制LCD显示屏的亮度。5. 系统电路图 二 模块电路设计与参数计算1. I/V变换模块电路电路分析1. 当信号进来时，先过了两个跟随器。第一个跟随器是用tlc2262做的，因为2262的输出电压最接近vcc，第二个跟随器是用NE5532做的，因为2262的输出电流能力不够，而5532的电流输出能力最强（注：在现有的运放中），这样不会使得后面的程控增益模块当待测区和反馈区电阻较小时出现限幅的情况。2. 程控增益是用NE5532做的，因为tlc2262和tlc082的带宽不够，而我们是用100KHZ正弦波作为输入源。程控增益的反馈端是用CD4051来控制通道的切换，又因为4051在VCC为5V的情况下，导通电阻大概在175欧左右，而我们的最小档位反馈电阻为100欧，所以在4051与运放的负端之间加了一个继电器，继电器一短连着4051，另一端连着100欧的电阻。3. 我们总共用了6个档位，第一档反馈电阻为100欧，第二档位为620欧，第三档为4.2K欧，第四档为26.6K欧，第五档为68.6K欧，第六档为623K欧，第二档放大倍数为0.251.7倍，其它档位为0.251.6倍，这样理论上可以完成要求。4. 我们的电容和电感用前三个档位就可以完成，但是当待测区放入电容时NE5532会自激，所以要在反馈端加电容来消除自激，刚开始时我在前三个档位的电阻上并联了一个102电容（只有102的效果是最好的），但波形不是那么漂亮，之后改进了电路，如电路图所示，在运放的负端和输出端用继电器链接一个101的电容用单片机来控制继电器的通断，因为101电容并到大电阻上会产生较大的影响，就无法完成测试要求，所以只在用到前三档位是让继电器导通来消除自激，而且波形特别漂亮。5. 当100khz信号加到输入端，当反馈端电阻比较小是还没什么影响，但我们最大档位的反馈电阻为623K欧，当在这个档位时如果待测区没加任何东西，理论上输出为0，但实际上输出为一峰峰值400mv与输入同频反相的正弦波，这影响了放大倍数，但如果输入信号换为10K的正弦波，则一切正常。这是由于把待测区当成一个电容计算进去了，由于我们高档为只用来测试电阻，所以如果判断出待测原件为电阻，则把输入信号频率由100K换成10K，根据输出计算其阻值。6. 程控增益之后是精密峰值检波，在进入峰值检波之前要先进行隔直，因为虽然在程控增益之前进行了隔直，但芯片存在零漂，故要重新隔直。而且要在隔直电路之前加一跟随器，防止隔直电路的电容影响程控增益电路。2. 电阻计算1. 选择合适的电阻Rf，确定各待测量的量程。对于待测电阻R，分4档量程： 100-1k：Rf=200；1k-10k：Rf=2k； 10k-100k：Rf=20k；100k-1M：Rf=200k对于待测电容C，分3档量程：100pF-500pF：Rf=5k；500pF-2nF：Rf=1k；2nF-10nF：Rf=200对于待测电感L，分3档量程： 100H-500H：Rf=100；500H-2mH：Rf=500；2mH-10mH：Rf=2000Rf共有八种取值：100，200，500，1k，2k，5k，20k，200k。2. 系统的功耗估算待写3. spwm滤波器波形查表相位累加器频率控制spwm原理如上图所示。输出频率、时钟频率与频率控制字K的关系为，为波形存储器中所存储的一个波形周期的采样点数。通过改变K即可改变输出的频率。由奈奎斯特采样定理，输出频率最高为时钟频率的一半，我们取。为使输出频率达到10KHz，由定时器设置时钟频率为12MHz。输出频率分辨率为，取一周期1024点存入波形表。4. 滤波放大根据spwm输出信号频谱，得出滤波器截止频率应为我们选，设计电路如图所示。满足设计要求。对于100khz频率的方波，为了得到100khz的正弦波，应滤去200khz的谐波，只剩下基波。5. 幅度测量对峰值检波电路而言，输出的时间常数越大越好，但是越大就意味着系统的反应时间越长，综合考虑应该选择电阻为22M，电容为0.1uF。6. 电源设计1）.设计任务和要求 设计并制作有一定输出电压。基本要求如下： 输出直流电压5V和5V 输出最大电流为560mA2).设计方案滤波根据设计任务要求，数控直流稳压电源的工作原理框图如图1所示。主要包括三大部分：稳压电源和整流、滤波部分，单片机控制部分 。直流稳压电源MSP430图1直流稳压电源框图3).电路设计1滤波电路设计滤波选用电解电容滤波，为了能够稳压应选择电阻较小的大电感。电路如图2所示图2 整流滤波电路电路的输出电压UI应满足下式：UUomax+（UI-UO）min+UI 式中，Uomax为稳压电源输出最大值；（UI-UO）min为集成稳压器输入输出2 控制电路设计选择开关应该选择导通电阻较小的元件，PMOS满足。图3 控制电路电路应满足当单片机管脚输出高电平时，PMOS截止，控制电路输出低电平，为了使功耗降低，应该选用大电阻以限流。3 功率输出电路设计1. 正电源输出电路设计正电源应选择LT1302，LT1302开关电源有选通管脚，可以在系统不工作时关闭转换以节能2. 元器件选择1 因为输入电压较小，因此可以选用0.1nF的瓷片电容并接在输入管脚和地之间2 输出电容应该选择大电容且ESR较小的电容，因为电解电容的ESR普遍较大，而瓷片电容的ESR虽然较小，但是电容量也较小，因此，可在电解电容两端并接上几个瓷片电容以满足电容容量较大且ESR较小。= 在这里，Vos=15mv,Vout=5v,Vref=5v,因此，ESRmax不大于15毫欧姆3 因为转换的输出电压较小，因此可以选择一个10uH的电感。4 为了使输出纹波最小，二极管应选择肖特基二极管。5 因为选用LT13025的芯片，因此输出端可直接接在反馈端，但是为了可调节，而且使输出电压稳定，应接一个大电阻3 电路图设计图4.正电源电路4.负电源设计负电源应选择LT1617，LT1617开关电源有选通管脚，内部基准电压为-1.23V，可以满足+3v到-5v的电平转换，可以在系统不工作时关闭负电源换以节能5.负电源元器件选择1. 输入电感选择， Vd为0.4V（肖特基二极管电压）Vout为输出电压，Llim为350mA,Toff为400ns.可以算的电感可以选择一个10uH的电感2 . 为了减少纹波，输出电容可以选择ESR较小的电容，因此我们在一个10uH的电解电容两端并接了瓷片电容以减