简易数字式电阻、电容、电感测量仪1

1论文题目：简易数字式电阻、电容、电感测量仪1绪论1.1元器件参数测量仪在现代化生产、学习、实验当中，往往需要对某个元器件的具体参数进行测量，在这之中万用表以其简单易用，功耗低等优点被大多数人所选择使用。然而万用表有一定的局限性，比如：不能够测量电感，而且容量稍大的电容也显得无能为力。所以制作一个简单易用的电抗元器件测量仪是很有必要的。现在国内外有很多仪器设备公司都致力于低功耗手持式电抗元器件测量仪的研究与制作，而且精度越来越高，低功耗越来越低，体积小越来越小一直是他们不断努力的方向。该类仪器的基本工作原理是将电阻器阻值的变化量，电容器容值的变化量，电感器电感量的变化量通过一定的调理电路统统转换为电压的变化量或者频率的变化量等等，再通过高精度AD采集或者频率检测计算等方法来得到确定的数字量的值，进而确定相应元器件的具体参数。电阻的参数主要是电阻值，电容的参数包括:电容值、损耗系数，电感的参数包括:电感值、品质因素。1.2元器件参数测量仪常用解决方案1.2.1平衡电桥法测量原理桥电路由未知阻抗z，已知标准电阻SR和具有总电阻PR的电阻性电位计组成，电桥各元素分别是Z、sR、PRx1、PxR。其中x代表电位计变换的位置。电桥由正弦交流电源0u供电，频率为dU0为桥路输出电压。当改变电位计x的位置时，就可得到半平衡电桥。真正的半平衡状态是dU与一个特定的桥路电压相差900。可用相敏检测仪检测出来。通常相敏计有倍增式和同步式两种，其检出信号0V取决于输入1v和另一个参考电压22v，设)sin(211wtVvwtVvsin222那么，在倍增型0V可用式（1）表示，同步式0V可用式（2）表示：cos210VVV（1）/cos2210VV（2）如果1v、2v相差900输出0V为0，如果dv是输入信号，桥式电路中另一个指定信号是参考信号，相敏计输出为0，这将意味着dv和指定电压相位差900,表明是半平衡状态。在两个指定电压下，能够获得两个独立的半平衡。达到平衡时所测得的数据x和SR用来计算未知参数Z。根据被测阻抗的特性按照以下分析可以得到两种平衡。图1.1测量阻抗Z的电桥电路和电感阻抗半平衡向量图1.2.2利用NE555芯片和电容电感组成的震荡电路测量原理该方法是利用NE555芯片和电容电感构成震荡电路，把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。把电子元件的集中参数R、L、C转换成频率信号f，然后利用单片机计数后在运算求出R、L、C的值，并送显示，转换的原理分别是RC震荡和LC三点式震荡。这种转换就是把模拟量转换为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。缺点是，外围电路较复杂，并且测量范围有限。31.2.3利用运算放大器LM311及外围组成的震荡电路测量原理该电路外围电路简单，工作稳定可靠，LM311输出的方波波形整齐稳定，方便单片机或者计数器的测量。LM311和电容电感配合组成的震荡电路最高震荡频率可达4MHz，所以可以测量很宽范围内的电容值和电感值。该方案原理图如图1.2所示：12345678U5LM311H2151KR4B314100KR4C116100KR4A51247KR4E+5.0VGND10uFC910uFC7611100KR4F471C11L4GND电容电感图1.2LM311和电容电感组成的震荡电路经过仔细比较和优化，本系统最终决定采用LM311和电容电感组成振荡电路的方法来进行电容电感，然后通过单片机和计数器组成的频率测量电路最终计算出电容值和电感值。选择该方案的原因是由于该方案可行性比较高，外围电路难度适中，测量范围宽，系统总体功耗较低，可以满足本次设计要求。1.3本系统实现的的功能和指标本次设计的题目源于2010年四川省TI杯模拟及模数混合电子设计竞赛题目的A题。这是一个综合性挺强的题目，主要考察学生的数模混合电路的设计。在此基础上稍加改动，既满足了毕业设计的难度要求，又符合自己的兴趣爱好。原题的要求如下：（1）测量电阻范围：100～1M，测量精度：5%；（2）测量电容范围：100pF～10000pF，测量精度：10%；（3）测量电感范围：100H～10mH，测量精度：10%；（4）使用键来设置测量的种类和单位，并显示；4（5）自制电源。本次设计中扩展了题目中要求的范围，并且还增加了良好的人机交互界面。按键控制、128×64宽屏液晶显示测量结果，操作简便，一目了然。扩展后的范围如下：（1）测量电阻范围：1～1M，测量精度：5%；（2）测量电容范围：10pF～100000pF，测量精度：10%；（3）测量电感范围：30H～500mH，测量精度：10%；2系统设计和分析2.1简易电阻、电容电感测量仪的原理本系统的基本工作原理是将电阻，电容，电感的变化量最终变成脉冲波频率的变化量，通过单片机和由数字芯片搭建的计数器电路可以很方便的计算出脉冲波的频率，确定频率之后可以通过相应的公式计算出各个器件的参数。系统可以分为三部分：即电阻测量部分、电容测量部分、电感测量部分。每个部分对应一块模拟电路，实现了相应元件的参数转换为脉冲波频率的变化。电阻测量的核心芯片是ADVFC32，该芯片功能是将电压的变化转换为随电压线性变化的频率的变化。电感测量电路的核心是LC震荡电路，电路由已知电容和被测电感组成震荡回路，产生频率随被测电感值变化的正弦波。电容测量电路和电感测量电路原理一样，只是将已知电容换成已知电感，被测电容和已知电感构成震荡回路。2.2简易电阻、电容电感测量仪的系统分析简易电阻、电容电感测量仪系统主要包括电阻值到方波脉冲频率的转换，电容值到方波脉冲频率的转换，电感值到方波脉冲频率的转换。转换后的各路方波脉冲经过继电器选择后进入24位二进制计数器模块，在单片机定时器的控制下，计算出检测到方波脉冲的频率。得到频率值后，单片机根据相应元器件参数的计算公式计算出元器件的参数并且在128×64宽屏液晶上面显示出结果。系统一开机128×64液晶显示提示信息，提示用户选择需要测量的元件，选择后继电器会跳动，选择相应的测量档位，然后系统进入等待状态中。当用户插入需要测量的元件之后系统会在1s内测出元器件的所有参数，并且在液晶屏上显示出来，完成自动量程转换。5经过分析，该系统的重点和难点在于测量电路的精确性和稳定性，测量精度完全取决于测量电路的特性，所以我们决定使用标准精密电阻电容作为标称元件，用它们和实际待测元件进行对比计算，从而得到被测元件的实际值。2.3简易电阻、电容电感测量仪的系统框图本设计的原理框图如下图2.1所示，系统以MSP430F149单片机为控制核心，按键和128×64液晶实现了人机交互。图2.1系统原理框图3系统的控制部分及人机交互处理3.1MSP430F149单片机3.1.1MSP430F149单片机简介TI公司的MSP430系列是一个特别强调超低功耗的单片机品种，很适合应用于采用MSP430F149单片机按键电容、电感测量电路频率计数器量程切换待测电容或电感128×64液晶电阻测量电路量程切换待测电阻6电池供电的长时间工作场合。在这个系列中有很多型号，它们是由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。MSP430系列的CPU采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6us。其中MSP430x41x系列微控制器设计有一个16位定时器，一个比较器，96段LCD驱动器和48个通用I/O引脚。典型应用：捕获传感器的模拟信号转换为数据加以处理后发送到主机。其中芯片中的比较器和定时器是工业仪表、计数装置和手持式仪表等产品设计中的理想选择。该系列的单片机的特点如下所述：（1）低电压范围：1.8V…3.6V（2）超低功耗：活动模式电流为225uA，待机模式电流为0.8uA,掉电模式（RAM数据保持）电流为0.1uA（3）五种省电模式（4）从待机模式到唤醒模式响应时间不超过6us（5）频率锁相环PLL+（6）16位精简指令系统，指令周期125ns（7）带有三个捕获/比较寄存器的16位定时器（8）集成96段LCD驱动器（9）片内比较器（10）串行在线可编程，无需提供外部编程电压。（11）采用保险熔丝的可编程代码保护措施（12）闪烁存储器，器件具有bootstrap程序装载器（13）64脚QFP封装形式3.1.2MSP430F149单片机主要功能部件CPU:MSP430F149单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430F149的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430F149的实时处理能力。存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问总是以字节形式取得代码，而对数据可以用字或者字节方式访问。外围模块：经过MAB、MADB、中断服务及请求线与CPU相连。MSP430F149包含：时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0/1、模数转换、端口、基本定7时器、DMA控制器。图3.1所示为MSP430F149单片机的内部结构框图，图3.2所示为MSP430F149单片机的芯片管脚图。图3.1MSP430F149内部结构框图DVCC1P6.3/A32P6.4/A43P6.5/A54P6.6/A65P6.7/A76VREF+7XIN8XOUT9VeREF+10VREF-/VeREF-11P1.0/TACLK12P1.1/TA013P1.2/TA114P1.3/TA215P1.4/SMCLK16P1.5/TA017P1.6/TA118P1.7/TA219P2.0/ACLK20P2.1/TAINCLK21P2.2/CAOUT/TA022P2.3/CA0/TA123P2.4/CA1/TA224P2.5/Rosc25P2.6/ADC12CLK26P2.7/TA027P3.0/STE028P3.1/SIMO029P3.2/SOMI030P3.3/UCLK031P3.4/UTXD032P3.5/URXD033P3.6/UTXD134P3.7/URXD135P4.0/TB036P4.1/TB137P4.2/TB238P4.3/TB339P4.4/TB440P4.5/TB541P4.6/TB642P4.7/TBCLK43P5.0/STE144P5.1/SIMO145P5.2/SOMI146P5.3/UCLK147P5.4/MCLK48P5.5/SMCLK49P5.6/ACLK50P5.7/TBOUTH51XT2OUT52XT2IN53TDO/TDI54TDI/TCLK55TMS56TCK57RST/NMI58P6.0/A059P6.1/A160P6.2/A261AVSS62DVSS63AVCC64MSP430F149&247U2MSP430F149图3.2MSP430F149芯片管脚图83.2MSP430F149单片机最小系统简介MSP430F149单片机的最小系统原理图主要包括电源电路，I/O接口电路，MAX232串口通信电路，并口调试电路，单片机复位电路，时钟电路。3.2.1单片机的最小系统的电源电路电源电路以三端稳压芯片ASM1117-3.3为核心，将输入的5V电压稳定到3.3V供单片机及外围芯片使用。该电路最终产生两路电压，一路为模拟电路供电，一路为数字电路供电。模拟地和数字地需要用零欧电阻或者电感隔开以防止两边电路互相干扰。图3.3所示电路即为MSP430F149单片机最小系统电源电路。47uFC10.1uFC42.0R52.0R247uFC512LED1LED21uFC60.1uFC71uFC80.1uFC91KR4Res2GNDGNDGND123J1PWR2.5G