SCJ-01-本-A2.doc

四川省电子设计大赛报告 简易数字式电阻、电容和电感测量仪4简易数字式电阻、电容和电感测量仪摘要：本设计主要采用了基于自由轴法的RLC测量系统设计，同时采用一种基于数字鉴相的测量方法。利用单片机（MSP430F149）产生100Hz1kHz的信号源，同时通过编程产生与信号源同一频率，两个正交的相位参考基准信号, 应用乘法型D/ A（TLC7524） 对被测信号与相位参考基准信号进行数字鉴相,获得被测阻抗电压及标准阻抗电压在正交坐标轴上的投影分量。经测试，整机功能齐全，能完成量程自动转换，各元件阻抗、品质因数Q、损耗系数D的测量范围及测量精度等各项性能指标均达到设计要求。关键词：MSP430F149 自由轴法 数字鉴相器 相敏检波器 信号发生器1、 方案论证1.1 电阻、电容、电感测试仪设计方案比较（1）方案1 谐振法777图1 系统设计框图此方案利用555多谐振荡电路将电阻，电容参数转化为频率，而电感则是根据电容三点式电路也转化为频率，这样就能够把模拟量近似的转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，一方面测量精度高，另一方面便于使仪表实现自动化，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统扩展、系统配置灵活。容易构成各种规模的应用系统，且应用系统有较高的软、硬件利用系数。单片机具有可编程性，硬件的功能描述可完全在软件上实现，而且设计时间短，成本低，可靠性高。但电压U不易稳定，放大器有相移等问题，精度不够高，功能很简单。（2）方案2 基于数字鉴相的自由轴法（V-I复数测量法）图2 自由轴法RLC测量电路框图V-I复数测量法框图如图2主要由正弦信号源U0、前端测量电路、相敏检波器、AD转换器、微处理器、基准相位发生器以及键盘、显示电路等组成。R0为信号源内阻，RS是标准电阻，Zx为被测阻抗，A为高输入阻抗、高增益放大器，主要完成电流一电压变换功能。测量时，开关S通过程控置于Ux或Us端。被测阻抗ZX为： （1）由式(1)可知，只要测出Ux，Us在直角坐标系中两坐标轴x，y上的投影分量，经过四则运算，即可求出测量结果。图2中，被测信号与相位参考基准信号经过相敏检波器后，输出就是被测信号在坐标轴上的投影分量（如图3）。相位参考基准代表着坐标轴的方向，为了得到每一被测电压(Us或Ux)在两坐标轴上的投影分量，基准相位发生器需要提供两个相位相差90的相位参考基准信号。需要指出的是在自由轴法中，相位参考基准与Us没有确定关系，可以任意选择，即x，y坐标轴可以任意选择，只需保持两坐标轴准确正交90。Ux，Us和坐标轴的关系如图3所示。XYUxUsUxyUsyUxxUsx图3 自由轴法矢量图应用图2测量时，通过开关S选择某一被测量（如Ux)，基准相位发生器依次送出两个相位相差90的相位参考基准信号，经相敏检波器后分别得到Ux在两坐标轴上的投影分量Uxx，Uxy。类似，当开关S选择Us时，可分别得到Us在两坐标轴上的投影分量Usx，Usy。各投影分量经AD转换器可得对应的数字量，再经微处理器计算便得到被测元件参数值。综上所述，方案2能完成各元件阻抗、品质因数、损耗值等参数的测量，充分利用了单片机的控制和计算能力，硬件电路比较简单，并能达到较高的精度，所以本设计采用此方法来进行测量和计算。1.2 理论分析与计算下面以电容并联电路的测量为例，推导RLC参数的数学模型。由图3可得： (2) (3)式中：Ni为Ui对应的数字量，e为AD转换器的刻度系数，即每个数字所代表的电压值。由式(2)，式(3)可得： (4)直接通过对N1N4数值的运算，即可完成矢量除法运算。由式(1)，式(4)可求得被测阻抗中的电容值Cx及损耗角正切值。 (5)式中：GX为介质损耗电导。进而有： (6) (7) (8)有此推出阻抗Zx和被测电阻、电容和电感的计算公式： （9) Zx=a+jb (10) (11) (12) (13) (14) (15)2 系统设计2.1 系统设计框图采用自由轴法测RLC的简易数字式电阻、电容和电感测量仪的电原理框图如图4所示。为了提高信号源精度，正弦信号源U0应采用直接数字频率合成信号源(DDS)。但因考虑到成本，这里选择自制信号发生器，用单片机软件实现，分别产生100Hz、1kHz的的正弦信号。/P1 P2P3P5 P412位ADC P6.0按 键显 示D0D1D2D3D4D5D6D7D0D1D2D3D4D5D6D7TLC7524 A/D变换TLC7524 A/D变换滤波放大待测RLC电路低通滤波双极性变单极性电路图4 系统具体框图2.2 单元硬件电路设计（1） 正弦信号源产生为了保证RLC测试仪的精度，要求信号源U0产生的正弦信号波形失真小，幅值稳定。自由轴法中，还要求信号源频率和相敏检波器相位基准信号的频率相同。所以正弦信号源与基准相位发生器在电路上密切相关。为了保证测试精度，采用直接数字频率合成DDS技术产生正弦信号激励源。DDS具有系统稳定性强，以及相位、频率精确可调的优点。我们采用软件的方式实现正弦信号的产生，由于晶振和软件延迟的原因，只能达到100Hz和1kHz，10kHz不能实现，如图6，单片机定时产生脉冲后，外接乘法D/A TLC7524，得到正弦信号。图5 正弦信号发生电路（2）信号调理电路图6 信号调理电路 多路电路的前级放大采用输入偏置电流较小的OPA227运放，档位及测量电压切换采用CD4051模拟切换开关，可变增益放大采用PGA205.（3） 相敏检波器相敏检波器由乘法型DA转换器和低通滤波器构成。乘法型DA转换器用于实现数字鉴相。ROM2输出的8位数字式基准正弦信号送到8位乘法型DA转换器，与加至DA转换器参考电压VREF端的被测电压Ux(或Us)相乘，再经低通滤波便得到被测信号Ux(或Us)在坐标轴上的投影分量。分析如下，先使P20，设ROM2输出正弦信号为Sin(t)，被测信号UX=UmSin(t+)，经乘法型DA后输出为： (13) 再经低通滤波器后输出为UmSin，它是被测信号UX在x坐标轴上的投影。然后使P2=1实现90移相操作，此时ROM2输出为Sin(t+2)，被测信号Ux仍然为UmSin(t+)，DA转换器输出为： (14) 经低通滤波可以得到Ux在y坐标轴上的投影分量Umsin 信号。同理，可以得到Us在x，y坐标轴上的投影分量。图7 相敏检波电路（4）显示和按键电路LCD显示的8个接口接单片机的P5口，3条控制线接P3口，按键分别由P1.0，P1.1，P1.2，P1.3控制，P1.0控制测试元件的转换，P1.1控制设置频点的转换，P1.2控制量程之间的转换，P1.3备用。图8 显示和按键电路 （5）自制电源用固定式三端集成稳压电路7805设计制作连续可调直流稳压的实际电路如图9所示，图中R1取220，R2取680主要用来调整输出电压。输出电压UoUxx(1+R2/R1)，该电路可在512V稳压范围内实现输出电压连续可调。图10是电源的PCB板原理图。图9 电源原理图图10 电源2.3 软件设计测量a和b关键是完成测量并计算a和b值的，测量时它先测出电压和电流的实部和虚部，然后按串联或并联测量方式测量计算相应的a和b值。初 始 化测量Us、Ux测量Us、Ux的实部，虚部数据计算数据显示复 位结 束图11 主程序结构流程图计算测试元件值显 示 数 据测量电压变量=0测量电压变量=4取测量电压值看门狗定时1S中断现场保护NY测量电压变量+1 图12 看门狗定时中断处理程序框图中断处理模块是本仪器的关键部分，波形产生、A/D转换积分定时、鉴相、显示扫描等均由该程序完成。3 系统测试3.1 测试仪器和方法 仪器：LCR数字电桥，参考型号:TH2811D 根据数字电桥测量的值与LCD显示的值对比，LCD测出值为原件实际值，LCD显示值为原件检测值，填入表格，对比计算并计算测量精度。3.2 测试结果设置频点：100Hz 1kHz 10kHz 表1 电阻、电容和电感在三种频点下的测试项目与指标频点元件实际值元检测试值电阻R100Hz1kHz10kHz电容C100pF10000pF100Hz1kHz10kHz电感L100uH10mH100Hz1kHz10kHz表2 电容、电感其它重要参数测量测量参数频点测量值电容损耗因数D100Hz1kHz10kHz电感品质因数Q100Hz1kHz10kHz表3 测量精度计算测量参数实际值测量值精度RCL4 参考文献【1】全国大学生电子设计竞赛培训系列教程 电子工业出版社 高吉祥主编 2007版【2】单片机技术基础教程与实践 电子工业出版社 夏路易主编 2008版【3】电子系统设计 电子工业出版社 李金平 沈明山 姜余祥编著 2007.8版 【4】综合电子系统设计与实践 北京航空航天大学出版社 藏春华 邵杰 魏小龙编著2009版5 附录附录1 主要元器件清单MSP430149fOPA227TLC7524PGA20540514052LCD1062220V/9V变压器电桥堆附录2 部分程序清单#include #include#include#include#includevoid main(void) P3DIR=0xff; /P3作为LCD控制端 WDTCTL=WDT_ADLY_1000; /定时1s IE1=WDTIE; /看门狗开中断 open_xt2(); /选择系统时钟为高速晶振 open_adc12(); P2DIR=0xff; /P2作为余弦输出 P4DIR = 0xff; /P4作为正弦输出 P1DIR = 0xf0; P1IFG|=0x0f; P1IE|=0x0f; P1IES|=0x0f; P1OUT=0; lcd_init(); /LCD初始化显示 for(cs=0;cs16;cs+) lcd_w_a(cs); longdelay(60000); lcd_w_d(lcd_begincs); lcd_w_yj(); _EINT(); while(1) /输出同相和正交波形 fun_100hz_z();if(ADC12IFG) adcmax=ADC12MEM0; if(adcmax1adcmax) adcmax1=adcmax; #pragma vector=PORT1_VECTOR _interrupt void port1(void) / 键盘中断 unsigned int i; unsigned char temp;