数字式电阻电容电感测试仪.docx

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数字式电阻电容电感测试仪

数字温度计

设计与总结报告

摘要

本设计以现场可编程逻辑器件FPGA（EP2C5T114）和TI公司的低功耗单片机MSP430F149为核心，设计并制作了简易数字式电阻、电容和电感测量仪。

系统采用伏安法自由轴测量原理；激励信号直接使用数字频率合成技术，产生失真度小、幅度稳定的正弦信号；采用全数字相敏检波技术，大大提高鉴相的精度；设计采用TI公司推出的微功耗、高精度、24位Δ－Σ型模数转换器ADS1255，提高了转换精度。

系统性能稳定，选用低功耗表贴器件，降低电路中的功耗，提高电源利用率，系统元件少，性价比高，具有很好的实用性。

用320*240液晶来显示预置参数和测量值，结合菜单显示方式以及独立式键盘控制，操作方便简洁。

关键词自由轴ADS1255微功耗

一、方案论证与比较

分析题目中的各项要求，我们将本设计分为以下几个模块：

前置放大电路、DDS模块、相敏检波器、ADC采样模块、键盘显示及处理、滤波器和稳压电源模块。

系统总体框图如下：

1、前置电路

方案一：

采用分立元件搭建前端的测量电路。

此方案元器件成本低，易于购置。

但是设计、调试难度太大，周期很长，尤其是短时间内手工制作难以保证可靠性及指标，故不采用此方案。

方案二：

采用TI公司的OPA690高速宽带集成运放设计。

此方案优势是电路容易实现，OPA690带宽达到500MHz，而前端电路对带宽的要求不是很高，如果采用高速运放，可能噪声会比较大，故不采用此方案。

方案三：

采用精密低噪声运放OP07做差分放大。

用模拟开关CD4501来控制标称电阻、该电路采用差分输入模式，共模抑制极高，控制方便。

综合上述比较我们最终选择方案三来实现前置电路。

2、信号源模块

方案一：

采用两个DDS芯片AD9851。

一个用来作为基准信号源，另一个做为激励源。

由于两个DDS芯片独立，在相位和频率的控制不能很好的达到同步。

故不采用此方案。

方案二：

采用FPGA和TLC7524产生两路DDS信号。

一路作为激励源，一路作为基准源，产生的DDS频率不仅稳定，而且控制简单。

综合上述比较我们最终选择方案二来实现信号源部分。

4、相敏检波模块

方案一：

采用模拟相敏检波器AD630来实现，此方案电路简单，容易调试，但是测量精度低，速度慢。

故不采用此方案。

方案二:

采用TLC7524乘法型DA加低通滤波来实现，乘法型D／A转换器用于实现数字鉴相，数字相敏检波器比传统的模拟相敏检波器具有无法比拟的优点。

通过乘法型D／A转换器进行数字鉴相，减少了传统模拟鉴相器开关动作过程中出现的尖脉冲，提高了测量精度。

故我们采用此方案。

5、A/D采样模块

方案一：

采用MSP430内部自带的A/D。

MSP430F149内部自带的12位A/D，内部参考电压低，不能满足设计的要求。

故不采用此方案。

方案二：

使用TI的24位∑-△型模数转换器ADS1255，ADS1255具有系统自校差，积分和数字滤波的功能，达到的18位的分辨率（最后6位跳变）可以使得前端的分档减少，电路简单容易实现，而且积分功能正好符合相敏检波后积分的需要，所以选择方案二。

6、滤波器设计

方案一：

采用巴特沃斯滤波器，虽然带内可以足够平坦。

但是远远不能做到高频和低频点的陡峭度。

方案二：

采用切比雪夫滤波器，虽然在高频和低频点可以做到很陡峭，但带内平坦度不能做到≤1dB。

方案三：

采用贝塞尔滤波器，虽然阶跃响应最好，过冲和震荡非常小，缺点是衰减速率差。

综合上诉方案，我们还是选择巴特沃斯滤波器，通过增加介数来将陡峭度做到最好。

7、选用TI器件的依据，选型理由

（1）MSP430F149

MSP430是业内低功耗最出色的混合信号处理器它把许多模拟、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，集成了丰富的外围功能模块及总线控制模块，提供了“单片”解决方案。

MSP430最大的特色是它的超低功耗，这样就特别适用于低功耗应用场合。

而选择MSP430F149是由于它集成的功能模块比较齐全（例如ADC、USART0、USART1、DMA等）而且有60KBflash与2KB的RAM存储器。

（2）ADS1255

ADS1255是TI公司推出的微功耗、高精度、24位Δ－Σ型模数转换器，其内部集成了输入模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器、可编程数字滤波器.、具有业界最高性能的模数转换器.其由模拟多路开关（MUX）、输入缓冲器（BUF）、可编程增益放大器（PGA）、四阶Δ-Σ调制器再加一个可编程数字滤波器组成，完美组合了一流的无噪声精度、数据速率以及多种功能，本系统要求的设计精度非常高，所以我们选用此芯片。

（3）TLC7524

TLC7524是TI公司推出的8位乘法型DAC，它能方便地与大多数微处理器接口，2象限或4象限接法成为许多微处理器控制的增益设置和信号控制应用的理想选择，所以我们选用TLC7524的四象限接法。

二、理论分析与参数计算

1、系统设计原理

RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法、伏安法。

电桥法具有较高的测量精度，但是电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速自动测量。

谐振法要求有较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度测量的要求。

伏安法是最经典的测量方法，它的测量原理来源于阻抗的定义，伏安法在设计中必须完成矢量测量及除法运算，为了实现高精度测量，我们采用直接数字频率合成技术和高精度的A／D来实现。

伏安法测量中，有固定轴法和自由轴法两种，固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与标准阻抗电压的相位相同，对硬件要求很高，并且存在同相误差，已很少使用。

自由轴法中相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，只要求保持两个坐标轴准确正交（相差90°），从而使硬件电路简化。

图一自由轴法RLC测量电路框图

为了提高信号源精度，正弦信号源U0采用直接数字频率合成信号源（DDS）。

如图一所示，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。

由图1有：

Ux=IoZx，Us=-IoRs，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1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。

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2所示。

图2自由轴法矢量图

应用图1测量时，通过开关S选择某一被测量（如Ux），90°的相位参考基准信号，经相敏检波器后分别得到基准相位发生器依次送出两个相位相差UX在两坐标轴上的投影分量U1，U2。

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U3，U4。

各投影分量经A／D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。

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2可得：

（2）

（3）

式中：

Ni为Ui对应的数字量，e为A／D转换器的刻度系数，即每个数字所代表的电压值。

式

（2），式（3）可知：

（4）

直接通过对N1～N4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Dx。

（5）

式中：

Gx为介质损耗电导。

   进而有：

（6）

（7）

（8）

同理可以导出被测参数R，C的计算公式。

表1被测参数的计算公式（我们选用电阻串联等效方式，计算公式如上图。

）

等效电路

主参数

副参数

电容并联

电容串联

电感并联

电感串联

电阻并联

电阻串联

2、相敏检波器

相敏检波器由乘法型D／A转换器和低通滤波器构成。

乘法型D／A转换器用于实现数字相敏检波器。

通滤波器后输出为Umcosψ，它是被测信号Ux在x坐标轴上的投影。

然后通过单片机控制FPGA，实现90°移相操作，此时ROM2输出为cos（ωT+π／2），被测信号Ux仍然为Umcos（ωt+ψ），D／A转换器输出为：

（10）

经低通滤波可以得到Ux在y坐标轴上的投影分量Umsinψ信号。

同理，可以得到Us在x，y坐标轴上的投影分量。

三、系统各模块电路的设计

1、前端电路模块

前端测量电路的作用是分别测出流经被测件的电压Ux及代表恒定电流大小的电压Us。

前端电路采用OP07低噪声、精密运算放大器搭建起来，而且采用差分接法，具有很高的共模抑制比。

图三

2、相敏检波模块

通过乘法型D/A转换器TLC7524和低通滤波器来构成相敏检波模块，TLC7524采用四象限接法。

这种鉴相方式是全数字的，提高了精度；此外鉴相器使用D／A转换器后电路的温度系数进一步减小。

图四

3、A/D采集模块

ADS1255是TI公司推出的微功耗、高精度、24位Δ－Σ型模数转换器，其内部集成了输入模拟多路开关、输入缓冲器、可编程增益放大器、可编程数字滤波器。

图五

4、D/A转换模块

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。

用可编程逻辑器件FPGA和数模转换器TLC7524来实现信号源电路。

图六

5、低通滤波器模块

为了满足系统的需要，我们设计了一个4阶巴特沃斯有源低通滤波器，采用双运放NE5532来设计实现。

如图七为1KHZ的低通滤波器，100Hz和10K只改变R1、R2、C1、C2仿真图如图八所示。

图七

图八

6、频率合成器

该系统设计采用直接数字式频率合成DDS（DirectDigitalFrequencySynthesis）技术，采用ROM存储所需的量化数据，按照不同频率求出频率控制字。

以K为步进对相位累加器进行累加，每累加一次，取出累加器的高8位数据送至ROM，ROM根据不同的地址取出不同的数据送TLC7524进行转换。

再经过滤波即可得到所需要波形。

由于DDS具有相对带宽很宽，频率转换时间极短，频率分辨率高等优点。

此外，全数字化结构便于集成，输出相位连续，频率，相位和幅度均可实现程控。

图九

7、MCU及显示键盘系统

单片机采用MSP430F149控制，用4*4矩阵式键盘,方便输入预置的参数，按键的处理变得简单、易控。

采用320*240大屏幕显示各种预制和显示数据。

四、软件设计

1、软件开发工具

MSP430单片机编译器：

IAR

单片机仿真器：

J-LINK

模拟部分仿真：

Multisim10.1

滤波器仿真：

Tina-TI

2、软件实现功能

本系统中单片机起控制和数据处理以及显示控制作用，所以软件设计比较简单，启动后进入参数设置。

3、软件流程图

五、测试方案与测试结果

1、测试条件

室温25℃，工频220V交流电源

2、测试仪器

信号发生器：

YB1605

60MHz数字示波器：

TDS1002

四位半数字万用表：

VC9806

电阻箱：

ZX76B直流电阻箱

LCRMeter：

TH2811D

3、测试结果

频率

测量值

允许范围

100Hz

100.0132Hz

（99.98-100.02）Hz

1KHz

1.00162KHz

（0.9998-1.0002）KHz

10KHz

10.0030KHz

（9.998-10.002）KHz

基本部分测试参数

1、电阻测量

标称电阻

实测标称值

液晶显示值

允许范围

精度

100Ω

100.01Ω

96.871Ω

（95-105）Ω

-3.13%

1KΩ

1.0034KΩ

0.989KΩ

（0.950-1.05）KΩ

-4.3%

10KΩ

10.001KΩ

9.630KΩ

（9.95-10.50）KΩ

-3.81%

100KΩ

100.02KΩ

104.315KΩ

（95.0-105.0）KΩ

+4.3%

1MΩ

1.0021MΩ

1.046MΩ

（0.950-1.05）MΩ

+3.8%

2、电容测试

标称电容

实测标称值

液晶显示值

允许范围

精度

100pF

100.03pF

91.652pF

（90-110）pF

-8.348%

200pF

200.05pF

218.212pF

（180-220）pF

+9.1%

1000pF

1000.1pF

1086.253pF

（900-1100）pF

+8.6%

2200pF

2200.2pF

2398.251pF

（1980-2420）pF

+9.01%

10nF

10.325nF

10095.121pF

（9000-11000）pF

+9.5%

3、电感测试

标称电感

实测标称值

液晶显示值

允许范围

精度

100uH

99.998uH

91.201uH

（90-110）uH

-8.8%

1mH

0.9999mH

0.9917mH

（0.9-1.1）mH

-8.724%

10mH

10.001mH

10.156mH

（9-11）mH

+8.4313%

发挥部分测试参数

1、电阻测量

100Hz电阻测试

标称电阻

实测标称值

液晶显示值

允许范围

精度

10Ω

10.235Ω

9.654Ω

（9.8-10.2）Ω

-3.73%

100Ω

100.01Ω

96.871Ω

（98-102）Ω

-3.13%

1KΩ

1.0034KΩ

0.984KΩ

（0.980-1.02）KΩ

-4.7%

10KΩ

10.012KΩ

9.572KΩ

（9.80-10.20）KΩ

-4.39%

100KΩ

100.01KΩ

105.006KΩ

（98.0-102.0）KΩ

+4.9%

1MΩ

1.0071MΩ

1.056MΩ

（0.980-1.02）MΩ

+4.8%

10MΩ

10.012MΩ

9.652MΩ

（9.80-10.20）MΩ

-3.348%

1KHz电阻测试

标称电阻

实测标称值

液晶显示值

允许范围

精度

10Ω

10.045Ω

9.672Ω

（9.8-10.2）Ω

-3.72%

100Ω

100.01Ω

96.871Ω

（98-102）Ω

-3.13%

1KΩ

1.0034KΩ

0.985KΩ

（0.980-1.02）KΩ

-4.3%

10KΩ

10.001KΩ

9.630KΩ

（9.80-10.20）KΩ

-3.81%

100KΩ

100.02KΩ

104.312KΩ

（98.0-102.0）KΩ

+4.3%

1MΩ

1.0021MΩ

1.046MΩ

（0.980-1.02）MΩ

+3.8%

10MΩ

10.026MΩ

10.293MΩ

（9.80-10.20）MΩ

+2.92%

10KHz电阻测试

标称电阻

实测标称值

液晶显示值

允许范围

精度

10Ω

10.005Ω

9.586Ω

（9.8-10.2）Ω

-4.14%

100Ω

100.01Ω

95.541Ω

（98-102）Ω

-4.56%

1KΩ

1.0989KΩ

0.9563KΩ

（0.980-1.02）KΩ

-3.97%

10KΩ

10.051KΩ

9.532KΩ

（9.80-10.20）KΩ

-4.65%

100KΩ

100.02KΩ

102.940KΩ

（98.0-102.0）KΩ

+2.94%

1MΩ

1.0094MΩ

1.0312MΩ

（0.980-1.02）MΩ

+3.07%

10MΩ

10.034MΩ

10.372MΩ

（9.80-10.20）MΩ

+3.76%

2、电容测量

100Hz电容测试

标称电容

实测标准值

液晶显示值

允许范围

精度

51pF

51.003pF

55.523pF

（46.92-55.08）pF

+8.86%

100pF

100.06pF

108.701pF

（92.00-108.00）pF

+8.72%

1000pF

1000.1pF

1085.207pF

（920.00-1080.00）pF

+8.51%

10000pF

10.002nF

10845.009pF

（9200.00-10800.07）pF

+8.45%

10uF

10.005uF

10.810uF

（9.204-10.800）uF

+8.13%

1KHz电容测试

标称电容

实测标准值

液晶显示值

允许范围

精度

51pF

51.004pF

55.456pF

（46.92-55.08）pF

+8.73%

100pF

100.04pF

108.670pF

（92.00-108.00）pF

+8.67%

1000pF

1000.02pF

1088.005pF

（920.00-1080.00）pF

+8.81%

10000pF

10.03nF

10824.051pF

（9200.0-10800.0）pF

+8.24%

10uF

10.004uF

10.894uF

（9.20-10.80）uF

+8.90%

10KHz电容测试

标称电容

实测标准值

液晶显示值

允许范围

精度

51pF

51.004pF

55.375pF

（46.92-55.08）pF

+8.57%

100pF

100.04pF

108.920pF

（92.00-108.00）pF

+8.92%

1000pF

1.0052nF

1084.305pF

（920.06-1080.00）pF

+8.43%

10000pF

10.002nF

10898.002pF

（9200.00-10800.07）pF

+8.98%

10uF

10.004uF

10.904uF

（9.20-10.80）uF

+9.03%

3、电感测量

4、

100Hz测试

标称电感

实测标称值

液晶显示值

允许范围

精度

50uH

50.092uH

56.752uH

（46-54）uH

+13.33%

100uH

100.001uH

91.501uH

（92-108）uH

-8.52%

1mH

0.9989mH

0.908mH

（0.92-1.08）mH

-9.12%

10mH

10.005mH

10.887mH

（9.2-10.8）mH

-8.87%

1000mH

1.0051mH

1.148mH

（920-1080）mH

+14.74%

1KHz测试

标称电感

实测标称值

液晶显示值

允许范围

精度

50uH

50.082uH

56.726uH

（46-54）uH

+13.25%

100uH

100.01uH

91.301uH

（92-108）uH

-8.69%

1mH

0.9998mH

0.927mH

（0.92-1.08）mH

-8.624%

10mH

10.001mH

10.178mH

（9.2-10.8）mH

-8.461%

1000mH

1.0015mH

1.128mH

（920-1080）mH

+12.65%

10kHz测试

标称电感

实测标称值

液晶显示值

允许范围

精度

50uH

50.021uH

56.253uH

（46-54）uH

+12.44%

100uH

100.04uH

91.571uH

（92-108）uH

-9.43%

1mH

0.9956mH

0.908mH

（0.92-1.08）mH

-9.1%

10mH

10.002mH

10.852mH

（9.2-10.8）mH

-8.49%

1000mH

1.0023mH

1.138mH

（920-1080）mH

+13.78%

4、误差分析

RLC参数测量仪在测量中除含有随机误差外，还有内部固定偏移、输入端的各种杂散参数以及测试信号中谐波分量等因素所引起的系统误差。

并且仪表精度不够高，人为读数存在误差。

测量的值达不到理论计算的值，但是我们已经经过多次测量取平均将误差降到最小。

六、设计总结

综合上述各部分的测试结果，本设计圆满完成了题目基本部分的要求，发挥部分还有待提高，发挥部分的精度达不到，主要是本系统的电源纹波需要进一步改进，如果电源的纹波进一步改进，此系统的精度将进一步提高。

七、参考文献

[1]、《智能仪器原理及应用》第三版茂泰主编北京：

电子工业出版社2006

[2]、《MSP430系列16位超低功耗单片机原理与应用》沈建国，杨艳琴等编著北京：

清华大学出版社2004.

[3]全国大学生电子设计竞赛试题精解选.北京：

电子工业出版社2007.

[4]罗杰，谢自美.电子线路设计·实验·测试.北京：

电子工业出版社.2008.

附录一：

电源模块原理图

陈明吴江张超洋