原创 【TI博客大赛】电子设计竞赛作品——数字式LCR测量仪

摘  要

本文设计了一个基于MSP430F5438A的低功耗RLC参数自动测试仪，采用数字电桥测量方法测量电阻、电容、电感值及电容电感的D值和Q值。该系统由自制电源模块、基准信号源、前端测量电路、相敏检波电路、键盘、12864液晶显示、FPGA、MSP430F5438A小系统等组成。其中，基准信号源用FPGA采用直接数字频率合成器（DDS）技术，产生较为精确的信号。前端测量电路采用半桥测量，由四级标准电阻和高精度仪器仪表放大器构成，能够自动选择相应的标准电阻和放大倍数进行测量，完成自动量程转换功能。另外，相敏检波电路利用DAC输出等于Vref与输入数字相乘的特性，完成矢量电压虚、实部的电压值转换。最后结合MSP430单片机控制和键盘、液晶显示，完成人机界面操作。

由于使用的是FPGA来产生正弦激励信号，具有较高的频率分辨率，比较好的完成频率切换并且能在频率改变时保持相位的连续。采用高速、低功耗的MSP430F5438A单片机完成自动切换量程和放大倍数的控制及最后的处理数据，使测量结果精确稳定。

关键词：FPGA、MSP430F5438A、数字电桥、相敏检波、12864液晶显示、按键

1.   系统方案设计与论证
1. 系统总体方案设计

系统方框图如图１

1. 系统整体方案框图
1. 主要模块方案选择和论证

    1、谐振法：谐振法是由555定时器构成RC多谐振荡器产生脉冲波，是通过测量脉冲频率，根据频率和RC的关系，由测得的频率换算出被测电容电阻的大小。但是，该方案没有信号源部分，不满足提高要求，其次，电路的稳定性不够好，由于频率的不固定，测试时会带来很大误差，较难提高精度，而且不能测量电容电感的损耗系数和品质因数，不满足题目的要求。

    2、交流电桥法：该方法具有较高的测量精度，但是该方法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，电路调整复杂，且不便于自动化测量。

    3、伏安法：伏安法有固定轴法和自由轴法两种，区别在于相敏检波器的相位参考基准选取的不同。实际上，相敏检波的相位参考基准代表坐标轴的方向，相敏检波器的输出就是待测电压在坐标轴方向上的投影。根据要求，我们选择该方法。

2.   理论分析与计算

由系统框图可知，被测阻抗  

，由这式可知，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.

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，为了得到每一个被测电压（Ux或Us）在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度的相位参考基准信号。而自由轴法中，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，只需要保持两坐标轴准确正交90度。

通过模拟开关S选择某一被测量（如Ux或Us），基准相位发生器依次送出两个相位相差90度的相位参考基准信号，经相敏检波器后分别得到Ux或Us在两坐标轴上的投影分量Ux0，Ux90，Us0，Us90，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测量元件参数值。

以下以电容串联电路的测量为例，推导出RLC参数的数学模型。

Ux=Ux0+jUx90

Us=Us0+jUs90

即：

所以：

同理，可推导出R，L的计算公式以及Qx的值。

3.   硬件电路设计

1. 基准信号源电路：

    如上图所示，FPGA输出的波形数据经过数/模转换器AD7524进行数/模转换，AD7524是一种高速电流输出型的转换器，其典型的电流建立时间为0.1us，能够输出10KHz的要求。由FPGA输出的波形数据经AD7524和两片OP07实现双极性的模拟信号出。

2 .前端测量和放大倍数选择电路：

     测量时，先通过模拟开关CD4053控制选通Ux或Us，并选择放大倍数，然后根据第一次的测量结果，判断该被测件应该适合哪个量程，然后再通过选通CD4052，选择合适的标称电阻，再进行正式测量。只有这样，出来的Ux和Us值才不会因为标称电阻的缘故出现太大而增大误差。

3.准数字相敏检波电路：

     相敏检波器采用准数字相敏检波器，电路如上图所示，该电路主要完成矢量电压虚、实部电压值的转换。被测信号经过前端电路处理后，接到AD7524的Vref端，D0到D7是FPGA输出的与基准信号同步且正交的波形数据，这样就可以在产生基准信号的同时也产生了同频率的正交信号，利用了DAC输入数字与Vref相乘的特性，实现了准数字全波鉴相。

4.   软件设计
4. 系统软件设计

软件部分由FPGA和MSP430F5438A 两部分组成，其中FPGA实现DDS信号发生器，为前端测量电路提供激励信号，MSP430F5438A 实现自动切换量程，放大倍数控制，FPGA的信号频率和相位控制，按键和液晶显示控制，以及各种数据计算处理。

软件设计流程图如下：

4. 模块软件设计

FPGA模块：

 FPGA作为控制产生基准正弦信号发生器和准数字相敏检波的控制模块，主要是产生两路正弦波，一路作为基准信号，另一路用于准数字相敏检波器，其原理框图如下图：

MSP430F5438A模块：

控制FPGA的输出相应频率和相位，由单片机控制智能切换量程，以获得比较精确的数据，并对相敏检波后的电压进行放大倍数控制，降低AD电压采集的困难和数据的稳定，控制按键，实现人机操作，并实现数据的运算处理，将数据显示在液晶上。  

5.   测试方案与测试结果
5. 测试方案

测试用仪器：双通道示波器 ，数字示波器，RLC测量仪表，单片机最小系统，函数信号发生器，FPGA系统板等。

测试时，先连接好电路图，然后在相应的位置处插入要测量的参数，从液晶显示上读取相应的数值。用RLC测量仪表测量该测量物，记录所得数据。将上述所得的两者数据进行比较，算出误差的大小。

5. 测试结果及分析
6. 电阻RX的测试结果

1. 电容CX的测试结果

1. 电感LX的测试结果

从所测数据看，电阻、电容、电感的测量精度达到基本要求和大部分发挥部分的要求。

6.   结论

经过团队的几天的不懈努力，终于将电阻电容电感简易测量仪制作完成，本设计完成了设计要求基本部分的全部要求，发挥部分绝大部分要求。整个装置测量可靠，稳定性好，使用FPGA制作DDS作为激励信号的产生，前端测量电路对测量信号选择合适的量程，并对信号进行放大滤波等处理，使得到的信号准确平稳，最后使用液晶显示，使显示更加明朗清晰。而自动切换量程又使得这个测量仪表具有较高的智能化水平。

参考文献

[1]   潘松，黄继业．EDA技术实用教程[M]．北京：科学出版社，2002年

[2]   曾凡泰，陈美金．VHDL程序设计[M]．北京：清华大大学学出版社，2001年

[3]   黄智伟．全国大学生电子设计竞赛训练教程[M]．北京：电子工业出版式社，2005年

附录

附录1     键盘原理图