数字式电参数测试仪论文

1、数字式电参数测试仪（H）高职高专武汉工程大学优点与信息工程学院邮科院校区 张杰 杜俊 陈程摘要本系统的控制为MSP-EXP430G2单片机，8位AD转换芯片TLC549CP是模数转换的桥梁。本系统分为四个测量模式，分别可测量电压，电流，电阻，和频率。电压测量范围：100mV10V，将其分为两个档，分别为100mV5V，5V10V，相对误差0.1%；电流测量范围：100µA10mA，将其分为两档，分别为100uA5mA，5mA10mA，相对误差0.2%；电阻测量范围：1001M，将其分为四档，分别为1001k，1k10k，10k100k，100k1M，相对误差0.2%；频率测量范围：1

2、0Hz100kHz，相对误差0.01%，最小输入信号为50mV的正弦交流信号；系统工作电源可采用自制电源,具有量程自动切换功能，整个系统测量模式采用按键选择，有LCD显示相应的参数，测量及显示刷新周期2秒。本系统由以上模块构成一台能对电阻、电压、电流和频率的测量构成一部数字式电参数测试仪。关键字：MSP-EXP430G2 TLC549CP LCD显示 电参数测试仪一、 系统总体设计方案1.1设计思路 测量直流电流和电阻不好直接用A/D将其值测得，就将它们转化为电压，再来用A/D芯片来测得相应的电压，再由单片机计算出它们的值，通过LCD显示出来，当然电压时可以直接由A/D芯片测得的，测量频率，是

3、将一定频率的正弦信号，通过电压比较器，以及整形电路得到同频率的方波，送入单片机，再通过等时间间距测脉冲数法算出原正弦信号的频率，并将其值显示在LCD上。由于本系统要测四种电参数，于是便用到了两块单刀八置模拟开关CD4051，对按键进行编码，由按键来控制选路，具体编码设定是，按下第一个按键，得到000的三位二进制编码，此时编号为0的一路导通，本次设定的是测电压的电路导通，当按下第二个按键，得到001的三位二进制编码，此时编号为1的一路导通，本次设定的是测电流的电路导通，当按下第三个按键，得到010的三位二进制编码，此时编号为2的一路导通，本次设定的是测电阻的电路导通，当按下第四个按键，得到011

4、的三位二进制编码，此时编号为3的一路导通，本次设定的是测频率的电路导通，这样便实现了四种测量模式的选路测量直流电压直流电流电阻频率直流电压转换转换A/D转换单片机MSP430电压比较器整形系统原理框图1.2方案选择与论证1) 电流测量方案选择与论证:使电流流过一定值电阻，得到一个电压，通过A/D芯片测得此电压，将此电压送入单片机，由单片机对这个电压进行处理，并由预先设定好的公式算出相应的电流，并送到显示屏将其显示出来。此方案原理及外围电路简单，便于实现，且较为精确。2) 电压测量方案选择与论证: 采用直接测量法，用A/D芯片采集输入的电压，将此电压送入单片机，由单片机对这个电压进行处理，并送到

5、显示屏将其显示出来。此方案原理及外围电路简单，便于实现，且较为精确。3) 电阻测量方案选择与论证: 方案一：谐振法，采用LC组成谐振回路，将被测电感串入电路或将电容并入回路中进行测量。但谐振法要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求。由于测试频率不固定，测试速度也很难提高，误差就很难达到要求。方案二：伏安法测量R,它的测量原理来源于阻抗的定义。即若已知流经被测阻抗的电流，通过A/D将被测阻抗两端的电压的模拟量转化为数字信号送入单片机，可得被测电阻两端的电压，则通过欧姆定律可得到被测电阻阻值。此方法原理简单，外部硬件较少，便于操作。方案三：交流电桥测量法，交流电桥的构造及原理均与直流惠

6、斯通电桥相同，电源使用交流电，四臂的阻抗 Z1、Z2、Z3、Z4，可以用电阻、电感、电容或其他组合，电桥平衡的条件是此条件显示交流电桥不同于直流电桥：首先条件有两个，因此，需要调节两个参数才能使电桥平衡；其次，阻抗的多样性可以组合成各具特色的电桥，但非所有电桥都能同时满足达到平衡的条件。综合比较以上三种方案，我们选择方案二4) 频率测量方案选择与论证:方案一：测周期法。 测周期法是将整形后的信号送入单片机的外部中断口（INT0、INT1），检测到第一个下降沿开定时器，检测到第二个下降沿则关定时器，定时器中的时间值就是信号的周期值，由频率计算式可得被测信号频率f=1/T。但这种方法在检测高频信号

7、时有比较大的误差，难以达到精度要求。方案二：等时间间距测脉冲数法。测脉冲数法是利用定时器和计数器，在定时一定时间(T)内记录脉冲个数(N)，从而计算出被测信号频率f=N/T。这种方法在高频信号检测中是非常适宜的，软件设计简单，原理及外围电路简单，较容易实现，且精度较高。方案三：准周期数、定时时间可调测量法。在定时的时间中保证使检测到脉冲数一定是整数个，弥补了前面方案二、三中的缺陷。方案的特色是，利用外中断INT0的下降沿中断溢出信号口IE0来开启和关闭定时的时间，同时也将信号接至计数器口，记录下降沿脉冲数。定时时间是在检测到外中断INT0标志位至1时开启，在定时到自然溢出Ns次后，再次等待外中

8、断标志位至1，然后关定时器，可得出定时时间为： 定时溢出数Ns*65536+(TH0、TL0)。此方法虽然精度很高，但是原理及外围电路较为复杂，软件编程及计算也较为复杂。 综上所述，所以选用方案二。5) A/D转换方案选择与论证:方案一：模数转换选用A/D0809，作为单片机输入的采样信号，虽然也能完成模数转换，但是，0809芯片速率较低，转换时间为100us左右，而且0809的最高分辨率为8位，综合起来看，不能满足设计要求的精度。方案二：TLC549是 TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，虽然它也是8位的，但是它是以8位开关电容逐次逼近的方法实现 A/D转换，尤其它转换速度小

9、于 17us，最大转换速率为 40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为 3V至 6V。它与A/D0809相比性能优越了许多，而且它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。综上所述，所以选用方案二。6) 显示方案选择与论证:方案一：采用LED数码管显示。使用多个数码管动态显示，由于显示的内容较多，过多增加数码管个数显然不可行，进行轮流显示则控制复杂，加上数码管需要较多连线，使得电路复杂，功耗比较大。方案二：采用字符型LCD显示。可以显示英文及数字，利用FPGA来驱动液晶显示模块，设计简单，且界面美观舒适，耗电小。综上所述方案二采用LCD实时显示电压值、

10、电流值、电阻、频率。二、单元电路设计 2.1直流电流测量电路 由于考虑到没有可变的直流源，于是就将一个可变的电压加到一个1k的定值电阻上，由此组成一个可变直流电流源，将电流源流过定值电阻的到一个电压，用A/D测得这个电压送入单片机，单片机通过预先设定好的公式计算出电流源的大小，在将计算出的电流送入LCD来显示出来，定值电阻分为两个1k和0.5k，由开关来选择，当接入R1时，电流的测量范围为100uA5mA，当接入R2时，电流的测量范围为5mA10mA，整个的测量范围为100uA10mA，满足题意。 直流电流测量电路2.2直流电压测量电路 方法与测直流电流的方法相似，将电压源加到定值电阻上，用A

11、/D测得定值电阻上的电压，将其值转化为数字的电压送入单片机，单片机对此电压信号进行处理，再送入LCD进行显示。此种测量方法同样分为两个档，当开关闭合时，只有R2接入，此时的此时的测量范围为100mV5V，当开关断开时，R1，R2都接入了，R1对R2分压，此时的测量范围为5V10V，这样总共的测量范围为100mV10V，满足题意。直流电压测量电路2.3电阻测量电路 测量电阻同样用的是电压转化法，将电源加到两个电阻上，前面的基准 电阻对Rx进行分压，通过A/D测得Rx上的电压，将其送入单片机，单片机对对这个电压信号进行处理，并由相应的公式Rx=Ux*Ri/(Ucc-Ux) ， (i=1,2,3,4

12、)算出待测电阻Rx的值，再送入LCD进行显示。本方案共有四个档，当接入R1时，测量范围是1001k，当接入R2时，测量范围是1k10k，但接入R3时，测量范围是10k100k，当接入R4时，测量范围是100k1M。这样便满足题目的要求测量范围是1001M。 电阻测量电路2.4 频率测量电路 本次测量频率才用的是等时间间距测脉冲数法。即函数信号发生器输入一个任意频率（范围在10Hz100kHz内）的正弦信号到电压比较器LM393，进行比较，并通过稳压管和两个非门，得到与信号源频率相同的方波，在将这个方波送入单片机，单片机利用定时器和计数器，在定时一定时间(T)内记录脉冲个数(N)，从而计算出被测

13、信号频率f=N/T。频率测量电路2.5 A/D转换电路 此电路中，2脚测量电压的输入端，5，6，7端分别于单片机相连，用来将电压测量值送入单片机。2.6 电源电路 本次电源设计为线性电源，即将220V的市电通过中心抽头变压器降压为低压的交流电，再通过桥式整流，电容滤波，以及LM7805和LM7905将其分别稳压为+5V和-5V，用以对整个电路的各个单元进行供电。电源电路三、 系统软件设计开始模式选择AD转换LCD显示模式选择电压电流电阻频率100mv1v1v10v100uA1mA1mA10mA101K1K10K10K100K100K1M总流程图测量模块程序流程图四、 测试方法与测试结果采用先分

14、别调试各个单元模块，调试后再进行整机调试的方法，提高调试效率。4.1 测试器件 数字万用表（UT51 MULTIMETER） 一台 稳压电源(RXN-302D-) 一台示波器（TDS 1012D-EDU） 一台数字函数信号发生器(SG 1020) 一台4.2 硬件调试 包括对MSP-EXP430G2、键盘和显示电路。检查碰线故障和其他硬件故障，杜绝出现电源短路，并测试电路的各项测试是否满足题目的要求。同时，从硬件上适当的采取抗干扰技术，如电气隔离。提高系统的可靠性。尤其对运放电路的硬件调试要极为仔细。4.3 软件调试 主要检查软件的语法错误以及程序的逻辑结构错误。并且对各个软件模块进行测试，以

15、便进行软硬件联机调试。4.4 联机调试 在硬件和软件调试无误的基础上，进行软硬件联机调试。调试重点在于程序各模块之间接口正确，并相互匹配。另外，适当采取软件抗干扰技术，提高系统抗干扰性。4.5 测试结果（表一）频率测量频率实际值/Hz频率测量值/Hz测量误差/Hz相对误差10.00009.999800.00020.002%50.000050.00020.00020.001%100.00099.99980.00020.0002%200.000200.0030.0030 0.0015%500.000500.0040.00400.0008%1000.001000.000.0000100%5OOO.0

16、05000.010.01000.002%100000.0100000.010.01000.00001%（表二）电压测量 电压实际值/V电压测量值/V测量误差/V相对误差0.13350.13330.00020.1498%126680.26710.00030.0236%1.14001.14040.00040.0351%2.33802.33400.00400.1710%4.65804.65800.0000100%5.00005.00040.00040.0080%5.41305.41000.00300.0554%8.66708.66400.00300.0346%（表三）电流测量电流实际值/mA电流测量

17、值/mA测量误差/mA相对误差0.100000.100010.0000101000%0.500000.500030.000030.006%0.800000.800040.000040.0050%1.000001.000020.000020.0020%2.000002.000070.000070.0035%4.000004.000100.000100.0025%8.000008.000080.000080.0010%10.0000010.000050.000050.0005% （表四）电阻测量电阻实际值/电阻测量值/测量误差/相对误差10.00010.0010.0010.1000%100.000

18、100.0040.0040.0040%1000.0001000.0100.0100.0010%10000.00010000.2000.2000.0020%100000.000100000.8000.8000.0008%1000000.0001000001.0001.0000.0001%10000000.00010000007.0007.0000.00007%100000000.000100000030.00030.0000.0004%4.6 误差分析与改善措施 在早测量电压时，发现怎么测都不对，经过多次检查，才发现是由于有一个插针焊点脱落了，补上后，还是测不出正确的数据，于是就再次检查，经多次检查才发现是有一个脚虚焊，补焊以