精品基于矢量自由轴法的RLC测量仪设计软件毕业论文设计.docx

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精品基于矢量自由轴法的RLC测量仪设计软件毕业论文设计

学科分类号0712

本科生毕业论文（设计）

题目（中文）：

基于矢量自由轴法的RLC

测量仪设计（软件）

（英文）：

Themeasuringinstrument

Designbasedonthevectorfree

shaftmethodofRLC（software）

学生姓名：

　　XXX　　　　　

学　　号：

　　0910XXXXXX　　　　

系　　别：

　物理与信息工程系　

专　　业：

电子信息科学与技术　

指导教师：

　　　张仁民　　　　　

起止日期：

年月日

怀化学院本科毕业论文（设计）诚信声明

作者郑重声明：

所呈交的本科毕业论文（设计），是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。

除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的成果。

对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。

本声明的法律结果由作者承担。

本科毕业论文（设计）作者签名：

年月日

摘　要I

关键字I

AbstractI

KeywordsII

1前言1

2方案论证与选择3

2.1系统总体方案3

2.2设计方案论证6

2.2.1正弦信号发生方案论证与选择6

2.2.2基准相位发生方案论证与选择7

2.2.3前置测试电路方案论证8

2.2.4放大电路方案论证9

2.2.5相敏检波方案论证与选择9

2.2.6微处理器方案论证与选择10

3硬件电路设计与参数计算12

3.1系统总体设计12

3.2子系统电路设计12

3.2.1基准相位信号发生电路13

3.2.2正弦信号发生电路14

3.2.3前置测试电路15

3.2.4放大电路16

3.2.5相敏检波电路17

4软件设计19

4.1软件主流程图19

4.2系统时钟软件设计20

4.3方波产生软件设计22

4.4测量状态控制软件设计23

4.5AD采样软件设计26

4.6显示部分软件设计29

5系统测试及结果分析29

5.1测试仪器29

5.2测试方案30

5.3测试结果及分析30

5.3.1电阻测试30

5.3.2电容测试32

5.3.3电感测试33

6结论34

参考文献35

致谢36

附录A37

摘要：

本文是基于矢量自由轴法的RLC测量仪设计。

采用的是超低功耗MSP430G2553单片机和Nokia5110液晶显示测量电阻、电容、电感及相关辅助变量。

该系统由自制电源、基准相位发生器、正弦波发生器、前置测量电路、放大电路、相敏检波电路与单片机最小系统等构成超低功耗。

采用MSP430G2553单片机的PWM输出功能和内部10位AD分别进行方波信号的产生和AD数据采集。

前置测量电路由八级标准电阻和高精度的仪表运放组成，通过单片机和模拟开关能够自动选择相应的标准电阻档级与放大控制，使小阻抗信号可以精确采样，实现自动测量。

系统采用双π/4脉冲积分鉴相原理，结合矢量自由轴法提高了RLC测量的精度。

关键字：

自由轴；RLC；MSP430G2553；低功耗

Abstract:

ThispaperisbasedonvectorfreeshaftmethodofRLCmeasuringinstrumentdesign.UseoflowpowerconsumptionMSP430G2553SCMandNokia5110liquidcrystaldisplaymeasurementresistor,capacitor,inductorandrelatedauxiliaryvariable.Thissystemiscomposedofhomemadepowersupply,thereferencephasegenerator,sinewavegenerator,leadsthemeasurementcircuit,theamplificationcircuit,phase-sensitivedetectioncircuitandMSP430G2553minimumsystemcomposition.TheMSP430G2553SCMPWMoutputfunctionandinternal10ADrespectivelysquarewavesignalgenerationandADdataacquisition.Leadmeasurementcircuitbyverystandardresistanceandhighprecisioninstrumentop-ampcomposition,throughthesingle-chipmicrocomputerandanalogswitchcanautomaticallychoosecorrespondingstandardresistancegradesandamplificationcontrol,makethesmallimpedancesignalcanaccuratesampling,therealizationofautomaticmeasurement.Thesystemadoptsdoubleπ/4pulseintegralphasetheories,combinedwithvectorfreeshaftmethodimprovestheRLCtheaccuracyofmeasurement.

Keywords:

Freeshaft;RLC;MSP430G2553;Lowpowerconsumption

1、前言

随着科技的不断发展，电子产品正以前所未有的速度，向着多功能化、体积最小化、功耗最低化的方向发展，机电产品广泛应用于家电、通信、一般工业。

无论是日常生活乃至航空航天和军事领域高端科技领域，电子技术的应用均日益深入。

掌握必要的电子知识成为我们常生活必要技能。

在生活中我们测量电阻、电感、电容时实际需要用到多个仪表，而那些能够完成同时测量的仪器仪表存在诸多不便，如传统的RLC测量仪体积庞大，功耗大，国内外主要仪器厂家还产生了内含微处理器的各种RLC参数测量仪。

这种专用的RLC测量仪具有多功能、多参量、多频率、高速度、高精度、大屏幕、菜单方式显示等优点。

如高频LCR数字电桥，该产品是一种高准确度，宽测试范围的LCR测量仪，有液晶显示屏，全中文菜单。

可提供稳定的6位测试分辨率，测试信号电平可进行0.01V-2.0V可编程设置，自动分配选择匹配系数实现自动化，能适用生产现场高速检测等应用。

虽然高频LCR数字电桥具有许多的有点，但功耗高、价格十分昂贵。

人类是不断进步发展的，科技技能和知识不断积累，数字信号处理技术越来越成熟，各类芯片性能不断提升，伴随着新技术的出现，各项技术都有突破进展。

现在设计者们采用数字信号处理的方法逐渐替代了传统模拟测量信号相位、频率、幅度信息，降低了模拟器件的使用量和系统复杂程度，便于智能化控制。

这与以往传统的RLC测量方法不同，这是一种将R、L、C参数转换成频率信号f，然后用单片机计算后再运算求出R、L和C的方法。

其转换原理分别是RC振荡和LC三点式振荡，这样就能够把模拟量近似转换为数字量，而频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化的处理一方面使测量精度提高了，另一方面也便于使仪表实现智能化。

但这种方法实现上有很大的难度。

设计者往往不选这种设计方法。

RLC测量方法有很多，对电阻的测量最为简单。

电容电感对时变信号敏感，可将电容电感转换成与电量、时间和频率相关的物理量，通过对电量、时间或频率的测量获得电感电容值。

RLC测量有电桥法、比例法、谐振法等，目前通过不同的模拟电桥电路可以实现RLC参数的较精确测量，在测量时需要预先判别RLC类型再选择合适的测量电桥和测量频率，因此测量时智能化水平不高。

RLC测量方法各自有着不同的优缺点，根据实际需要选择适合的设计方法。

1交流电桥法：

运用交流电桥法进行RLC测量时系统要达到平衡，实现平衡必须满足两个条件，必须调节两个桥臂的参数，才能使电桥完全达到平衡，而且往往需要对这两个参数进行反复地调节，所以交流电桥的平衡调节要比直流电桥的调节困难一些。

具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。

但电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。

2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。

3伏安法：

最经典的方法，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相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。

采用了基于矢量自由轴伏安法测量原理和四端测量技术。

矢量自由轴法可将复数变换成是实数的计算。

大大降低了计算的复杂度。

现阶段各类RLC测量设计广泛使用矢量自由轴法，此方法能智能小、巧高灵敏度地测量电阻、电感和电容，利用MSP430单片机设计一种基于矢量自由轴法的智能化的RLC测量系统。

MSP430单片机是美国德州仪器（TexasInstruments）1996年开始推广的一种16为超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。

针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，为各种便携式设备仪器提供“单片”解决方案。

该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

本设计是一种基于矢量法的RLC测量仪，系统由信号源产生电路、前置测量电路、相敏检波电路、微处理器及显示电路构成。

自动换挡测量电阻、电感、电容的值及相关的辅助量。

2、方案论证与选择

2.1、系统总体方案

伏安法是RLC自动测量最经典的方法之一，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相量并测得被测阻抗两端的电压，通过对两端电压的测量经四则运算得，到比值便是被测阻抗的相量。

伏安法测量原理图如图2.1所示。

图2.1伏安法测量原理图

图中是已知的恒流源相量；是已知的标准阻抗；被测阻抗与标准阻抗串联。

则分别测出和两端的电压相量和，便可通过计算得到待测阻抗

（2.1）

其中的大小反映了流经被测阻抗上电流相量的大小。

矢量伏安法通过测量待测量和标准量的两个电压分量，然后再通过一系列运算得到被测阻抗的数值。

本设计是基于矢量自由轴法测量RLC的设计，自由轴法测量的原理框图如图2.2所示。

图2.2自由轴法测量原理框图

通过微处理器控制模拟开关S来选择和，对每个和进行两次测量，这两次测量的参考基准信号相位要求保持精确的90°相位关系，以得到预期的坐标轴上投影分量，由A/D转换器变成数字量经接口电路送到微处理器系统中存储，经过微处理器的四则运算，即可求出最后的待测参数。

采用自由轴测量时相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，只要求x，y坐标轴标准正交，简化了硬件电路，提高了精确度。

在自由轴法测量中、和坐标轴的关系如图2.3所示。

图2.3自由轴法相量图

由自由轴矢量关系图可知

（2.2）

（2.3）

由此可得

（2.4）

以电容测量为例，可建立测量RLC参数的数学模型如下

（2.5）

（2.6）

其中e为A/D转换器的刻度系数，即每个数字所代表的电压值。

是对应的数字量。

所以，两矢量之商可表示为

（2.7）

若采用标准电阻,则有

（2.8）

将式（2.7）代入式（2.8）得

（2.9）

所以被测参数的实部和虚部分别为

（2.10）

（2.11）

斜率相位角为

（2.12）

2.2、设计方案论证

2.2.1、正弦波信号发生方案论证与选择

方案一基于DDS的FPGA实现

DDS的主要优点是它的输出频率、相位和幅度能够在微控制器的控制下精确而快速的变换。

原理框图如图2.4所示。

图2.4DDS原理框架图

正弦波信号发生器由晶体振荡器、数字分频器、数字波形存储器、D/A转换器和滤波放大器构成。

数字波形存储器可由FPGA芯片内嵌的ROM进行波形数据存储，在FPGA地址变量的寻址下，ROM输出按正弦规律变化的数字量。

经过D/A转换后得到阶梯型正弦波。

再经过滤波器滤波后输出1MHz的正弦信号，产生的信号再经数字分频器产生系统所需要的固定频率送至控制端口。

方案二基于MSP430单片机实现

MSP430单片机具有多个16位定时器计数器并复合了捕获、比较寄存器。

如定时器A最多拥有3个捕获、比较器可支持捕获、比较功能、PWM输出和定时器功能。

我们可以利用MSP430单片机定时器的PWM输出功能，配置定时器相关寄存器实现PWM方波输出。

将输出的方波信号通过正弦波信号产生电路和滤波电路产生相应的正弦波信号。

由于方案二相对于方案一外围电路简单、功耗低、而且器件价格便宜，便于便携式设计应用。

故选择方案二。

2.2.2、基准相位发生方案论证与选择

方案一基于单片机和FPGA实现

基准系统信号源的产生可由单片机生成各种波形的数据表传输给FPGA，通过利用DDS技术使FPGA生成对应需要的波形输出，通单片机控制并行总线将波形数据写入存储器，相位累加器输出地址控制下将波形数据依次送给高速D/A，经滤波器后产生所需要的波形信号。

波形信号能实时改变，利用单片机系统进行控制和处理后，实现基准信号源的产生。

波形数据和频率控制字K由串口写入FPGA，在本系统中单片机担任着主要的控制作用。

由于鉴相器要求被测信号与基准信号的频率相同，同时两个信号相互正交（相位相差90°）。

相互正交的自由轴坐标由FPGA的分频器和单片机所存储的正交波形ROM数据表组成，由于系统要产生100Hz、1KHz、10KHz三种正交波形信号，所以ROM中应存放6组初相相位差为90°的正弦波数据，产生三组相互正交的正弦波形。

单片机利用AD进行数据采集运算，判别基准档位选择，达到最佳效果，可实现自动档位选择，实现RLC高精度自动测量。

方案二利用基础数字器件实现

由MSP430单片机产生1MHz的方波信号，然后再经过数字器件器74LS390计数器进行分频和将分频后的两路信号送至移位寄存器74HC164的数据输入端和时钟输入端，后产生相互正交的信号。

方案一采用单片机和FPGA处理器利用ROM存储器存储系统所需的多种信号波形数据，虽然能够高精度、快速实时改变所需信号输出，但设计和系统控制方法复杂。

方案二仅使用MSP430单片机作为微处理器利用简单的数字器件，方法简单，便于实现。

综合考虑后我们选择方案二。

2.2.3、前置测试电路方案论证

前置测试电路主要由反相比例运算电路构成，该电路基本放大器的共模输入信号为零，因此对基本放大电路抑制共模能力要求降低，使测试电路受系统共模信号影响降低，能增加测试精度。

由于待测器件上电压和标准电阻上电压是矢量自由轴法测量RLC的核心，所以选择运用仪用运放INA128分别放大和。

仪用放大器与普通集成运算放大器相比具有很多优点，仪用放大器具有能够消除任何共模信号而放大差模信号的特性，正常工作时,它既能放大微伏级差模信号,同时又能抑制几伏的共模信号。

同时仪用放大器还具有线性误差小输入阻抗高等特性，为精确测量电路提供了保障。

通过微处理器计算控制模拟开关在各个标准电阻档位之间选择合适的档位进行测量。

实现自动测量，提高精度。

2.2.4、放大电路方案论证

由单片机编程控制多路模拟开关CD4053、CD4051导通与断开，实现对标准电阻上的差分电压进行再次放大测试或对待测原件上的差分电压进行再次放大测试。

同时由模拟开关选择不同,控制运算放大器OPA704的工作方式，实现运放工作在跟随状态，还是构成同相输入比例运算电路实现放大作用。

2.2.5、相敏检波方案论证与选择

方案一数字相敏检波

数字相敏检波器由乘法型D/A转换器和低通滤波器构成，用乘法型D/A转换器实现数字鉴相。

如输入正弦信号为，被测信号,经过由乘法型D/A构成的数字检波器后输出为

（2.1）

实现90°相移操作时正弦波信号变为

（2.2）

D/A输出为

（2.3）

方案二脉冲积分鉴相

利用模拟开关进行脉冲积分鉴相，脉冲积分鉴相有单π/4脉冲积分鉴相和双π/4脉冲积分鉴相之分，单π/4脉冲积分鉴相原理图如图2.5所示，可推导测量电压在实轴上的投影为

（2.4）

在虚轴上的投影为

（2.5）

利用双π/4脉冲积分鉴相器可推导出测量电压在实轴方向上的投影为

（2.6）

在虚轴方向上的投影为

（2.7）

由推导公式可见，用双π/4脉冲积分鉴相的波形幅度为单π/4脉冲积分鉴相的倍。

方案一乘法型D/A鉴相前端的直流容易产生漂移，乘法器中的直流也会产生漂移，造成的噪声处理和滤波都很麻烦所以不选乘法型D/A鉴相。

双π/4脉冲积分电路积分鉴相输出波形幅度为单π/4的倍，所以选择方案二的双π/4脉冲积分鉴相进行相敏检波。

图2.5单π/4脉冲积分电路原理图

2.2.6、微处理器方案论证与选择

方案一51单片机

利用51单片机作为整个系统的微处理器，控制激励的产生及整个测试过程的进行。

STC89C52是低电压，高性能CMOS8位单片机，片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用高密度、非易失性存储技术生产，与标准MCS-51指令系统及8052产品引脚兼容，片内置通用8位中央处理器（CPU）和Flash存储单元，功能强大。

内部结构图如图2.6所示。

图2.651单片机内部结构图

方案二MSP430单片机

MSP430单片机针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，为各种便携式设备仪器提供“单片”解决方案。

10/12位硬件A/D转换器有较高的转换速率，最高可达200kbps，能够满足大多数数据采集应用；由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式（AM）和五种低功耗模式（LPM0~LPM4）。

在实时时钟模式下，可达2.5μA，在RAM保持模式下，最低可达0.1μA，另外，MSP430系列单片机的中断源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。

当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需5μs。

功能强大，功耗超低。

虽然方案一和方案二都能完成系统所需要的功能，但方案二内嵌AD采样器和PWM波输出功能，通过配置寄存器便能输出方波信号。

功耗超低，可用电池供电，实现便携式设计。

综合考虑选择方案二。

3、硬件电路设计与参数计算

3.1、系统总体设计

系统总体设计框图如图3.1所示。

在MSP430单片机的控制下通过正弦波发生器和基准信号发生器产生测试所需要的三组相互正交的100Hz、1KHz、10KHz正弦波信号，用于相敏检波器。

正弦波作为前端测试电路的激励信号，根据自由轴法测量阻抗的相关计算，选择是否放大基准电阻和被测电阻两端的电压，将放大到合适范围内的电压信号进行相敏检波，然后通过，MSP430单片机进行A/D采样存储经过微处理器的四则运算，即可求出最后的待测参数。

图3.1系统总体设计框图

3.2、子系统电路设计

整个系统由正弦波发生电路、基准相位信号发生电路、前置测试电路、放大电路、相敏检波器、微处理器及LCD显示电路构成。

3.2.1、基准相位信号发生电路

基准相位信号发生电路如图3.3所示。

利用MSP430G2553单片机定时器A的PWM输出功能配置相关寄存器产生1MHz方波SinCLK，经P9端口进入基准相位发生电路，作为十进制计数器74LS390的时钟信号。

74LS390可实现2分频、5分频、乃至100分频的任何累加倍数的周期长度,逻辑图如图3.2所示。

图3.274LS390逻辑图

经过四次分频后得到两路成四倍关系的信号

（3.1）

（3.2）

将作为74HC164移位寄存器的时钟信号而作为其数据信号。

则74HC164的相邻输出端口输出相位相差90°的正交方波信号0_clk和90_clk，分别输出频率为10kHz、1kHz、100Hz三组相互正交的方波信号。

电路中电容C26、C27、C28、C29是滤除芯片74HS390和74HC164的电源纹波。

图3.3基准相位发生电路

3.2.2、正弦信号发生电路

正弦波发生器电路如图3.4所示。

将正交发生电路产生的0_clk信号送至八阶低通滤波器MAX293的输入端。

再通过两阶无源RC低通滤波器进一步滤波。

MAX293是在截止频率可控的八阶巴特沃斯滤波器。

截止频率与MAX293时钟输入信号的关系为

（3.3）

采用单电源供电，V-接实地，而GND接R31和R32分压后得到的2.5V电压，构成一个虚地。

输入信号为0_clk，当0_clk为高电平即5V时，经R19、R20、R21构成的分压电路后输出电压为3.3V，而0_clk为低电平时，输入MAX293的电压为1.7V，所以最终输如到MAX293的电压相对于2.5V的虚地为一双极性的方波。

所以当SinClk输入方波频率为1MHz、100KHz、10KHz时，对应输出的正弦波信号为10KHz、1KHz、1KHz。

Q1、Q2、Q3、Q4四个三极管工作在开关状态，MSP430单片机可控制二阶低通RC无源滤波器的截至频率。

以对前面得到的三种频率的正弦波进一步滤波。

后面的高通滤波器是为了滤除50Hz市电干扰。

电容C39到C44都是起滤波和退偶的作用，使电源更干净，芯片工作更稳定。

用电压跟随器作为缓冲级，以加强对后面电路的驱动能力。

图3.4正弦信号发生电路

3.2.3、前置测试电路

前置测试电路电路图如图3.6所示。

前置放大电路的作用是测量流经被测器件的电压及代表恒定电流大小的电压。

由TL081构成的反相比例运算电路。

仪表运放INA128放大待测原件上的差分电压和基准电阻上电压。

INA128内部原理图如图3.5所示。

图3.5仪用运放INA128内部原理图

仪用运放输出电压与输入电压的关系为

（3.4）

档位选择由模拟开关CD4051控制，通过单片机控制模拟开关选择不同的档位的基准电阻进行测试，同时另一个模拟开关选择需要档位基准电阻上的电压送入仪表运放进行放大。

两个模拟开关的控制是同时进行的。

此电路的基准电阻由八个档位构成用来改变测量量程，分别为33.3Ω、100Ω、500Ω、2.2KΩ、10KΩ、50KΩ、220KΩ、680KΩ，各个电阻之间基本相差5倍关系，测量电阻的范围与各当为基准电阻R的关系为

（3.5）

这样提高了换挡的精确度，使个器件的测量达到正确的档位上去。

图3.6前置测试电路

3.2.4、放大电路

放大电路电路图如图3.7所示。

端口1、2分别与前值测量电路的端口1、2相连，通过单片机控制模拟开关CD4053来控制输入信号的选择。

当模拟开关选择置端口1时，由OPA704构成的差分放大器测量待测阻抗上的电压，当模拟开关置于端口2时，差分放大器便可以测量出被测器件上的电压。

和分别被差分放大器放大后，便通过开关输入到放大器进行再次放大，放大