标签: 电子设计大赛

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  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     系统方案设计与论证 系统总体方案设计 系统方框图如图１   系统整体方案框图 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。   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。   硬件电路设计 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。   软件设计 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：   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。     测试方案与测试结果 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。 测试结果及分析 电阻RX的测试结果   标值 实际R值 测量R值 误差 10Ω 9.9356 9.934 -0.016% 100Ω 98.8639 99.045 0.183% 220Ω 217.722 218.388 0.306% 510Ω 510.193 511.94 0.342% 1000Ω 990.89 990.763 -0.013% 10KΩ 9.937 9.939 0.020% 51KΩ 49.8463 49.656 -0.382% 100KΩ 101.22 101.277 0.056% 510KΩ 506.816 505.674 -0.225% 1MΩ 1.00788 1.000361 -0.746% 5.1MΩ 4.97661 4.989 0.249% 10MΩ 10.072 9.992 -0.794%   电容CX的测试结果   标值 实际C值 测量C值 误差 实际D值 测量D值 误差 10PF 10.055 10.16 1.044% 0.00512 0.00338 -33.984% 100PF 104.408 103.85 -0.534% 0.00211 0.00197 -6.635% 1000PF 1044 1036 -0.766% 0.0088 0.00881 0.114% 10nF 10.256 10.259 0.029% 0.0052 0.00513 -1.346% 100nF 94.422 94.403 -0.020% 0.0055 0.0056 1.818% 1UF 1.0156 1.01477 -0.082% 0.0026 0.00256 -1.538% 10UF 9.7914 9.78618 -0.053% 0.039 0.03689 -5.410% 33UF 32.13 31.993 -0.426% 0.072 0.07324 1.722% 100UF 96.211 96.232 0.022% 0.0884 0.08885 0.509% 220UF 192.266 196.053 1.970% 0.09295 0.09212 -0.893% 470UF 448.58 451.861 0.731% 0.11134 0.10632 -4.509%     电感LX的测试结果   标值 实际L值 测量L值 误差 实际Q值 测量Q值 误差 10uH 9.8448 9.776 -0.699% 1.13 1.1044 -2.265% 20uH 21.7385 21.582 -0.720% 1.88 2.02497 7.711% 100uH 94.8051 94.864 0.062% 3.2 2.887 -9.781% 220uH 192.94 194.636 0.879% 2.09 2.2341 6.895% 470uH 454.72 455.594 0.192% 0.52 0.54318 4.458% 1mH 989.35 984.756 -0.464% 0.06 0.05906 -1.567% 10mH 10.728 10.589 -1.296% 0.12 0.11862 -1.150% 33mH 33.485 33.282 -0.606% 0.2 0.21035 5.175% 100mH 106.69 106.471 -0.205% 0.31 0.31239 0.771%   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。   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   潘松，黄继业．EDA技术实用教程 ．北京：科学出版社，2002年   曾凡泰，陈美金．VHDL程序设计 ．北京：清华大大学学出版社，2001年   黄智伟．全国大学生电子设计竞赛训练教程 ．北京：电子工业出版式社，2005年 附录   附录1     键盘原理图