計算機課程設計電阻電感電容測試儀

1、電阻電感電容測試儀一、系統(tǒng)設計方案論證與選擇 1. 系統(tǒng)方案論證 方案一. 采用諧振法: 要求較高頻率的激勵信號，不易測量阻抗值很小的電阻、電感和電容，不能滿足本題精度高、測量范圍廣的要求。 方案二. 采用電橋法：精度高是電橋法的主要特點，被廣泛應用。但電橋法電路復雜且在測量的時候需要反復調(diào)整以達到平衡，測量時間長，很難實現(xiàn)快速的自動測試。 方案三. 采用伏安法: 這是傳統(tǒng)經(jīng)典的方法。它的測量原理來源于阻抗的定義。就是通過測量經(jīng)過被測阻抗的電流相量和被測阻抗兩端的電壓相量，再經(jīng)過比率便可得到被測阻抗的相量。早期的伏安法難以實現(xiàn)高精度的測量，但如果采用低失真的正弦波和高精度a/d，加上mcu強大

2、的計算能力和控制能力；另外，伏安法分為固定軸法和自由軸法，固定軸法要求相敏檢波器的相位參考基準嚴格地與標準阻抗電壓的相位相同 ,但是本法案卻能很好實現(xiàn)，且電路簡單。 比較論證：通過比較上述三種方案，方案三的優(yōu)勢明顯，故采用方案三。 2. 控制部分 方案一. 采用當前比較流行且價格便宜的51系列單片機。51系列單片機發(fā)展到現(xiàn)在各項技術已經(jīng)很成熟，可以滿足一般的控制和數(shù)據(jù)處理功能，但此系列是8位機，處理速度慢，資源少，幾乎不能滿足本系統(tǒng)的要求，外圍電路需要自己設計和制作，用起來不方便。方案二. 選用silicon laboratories公司的c8051f020型號的單片機。c8051fxxx系列

3、單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與8051兼容的微控制器內(nèi)核，與mcs-51指令集完全兼容。其片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬部件和其他數(shù)字外設及功能部件。其采用流水線結構，大大提高了處理能力，峰值性能可達25mips。此外，其功耗低，flash存儲器具有重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。 比較論證：結合題目的要求及c8051f020的優(yōu)點，本系統(tǒng)采用方案二。3. 正弦波信號發(fā)生器部分方案一. 采用dds芯片ad9854.ad9854片內(nèi)整合了兩路高速、高性能正交d/a轉換器通過數(shù)字化編程可以輸出i、q兩路合成信號。在高穩(wěn)定度時鐘的驅動下，ad9854將產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率

4、、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號。方案二. 由兩個ad9850同步輸出兩路正交的正弦波。兩個ad9850使用同一時鐘源，通過單片機控制同步端口，即可輸出兩路正交的正弦波，但其電路復雜，相位同步不夠精準，信號輸出也不穩(wěn)定，很難實現(xiàn)題目所要求的精度。比較論證：方案二的電路相對復雜，測試效果不理想，而方案二可以很好的滿足要求，故采用方案二。4. 顯示部分 方案一. 數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管顯示方式單一，不能顯示題目要求的那么豐富的內(nèi)容。方案二. lcd液晶屏顯示。通過12864可以圖文顯示豐富的內(nèi)容，畫面美觀，可以很直觀的讀出測量值。比較論證：選擇方案二。 二、 總體方案 1. 工作原理根據(jù)題目要求和上

5、述分析，認真分析取舍，確定最終總體設計方案。由dds ad9854芯片產(chǎn)生兩路正交信號，設置一路相位為0，則另一路相位90。0信號通過前端測量電路得到us和ux，然后通過乘法器將us與0信號和90信號分別相乘。得到直流信號和高頻信號，經(jīng)過濾波器濾除高頻信號，由c8051f020內(nèi)部a/d連續(xù)采樣，計算得到被測阻抗的值?？傮w設計框圖如下，其電路測量原理圖如圖2.1。2. 理論分析與計算 在圖2.1中，i0是已知的恒流源相量；rs是已知的標準電阻，被測阻抗rs與rs串聯(lián)，分別測量阻抗rs和zx兩端的電壓相量us和ux（其中us作為固定軸的x軸），通過公式（2.1）便可得到待測阻抗。zx=ux/uz

6、+rs圖（2.1）的測量電路是先分別測出兩個電壓相量的兩個分量，然后經(jīng)過a/d采集和scm的運算得到北側值zx。三、系統(tǒng)硬件設計3.1 峰值連續(xù)可調(diào)部分電路設計由于dds輸出的信號峰值達不到題目的要求，所以選擇了ad603后級放大，通過調(diào)整放大器的增益來實現(xiàn)步進可調(diào)，配合輸出阻抗調(diào)整，達到了題目的要求。具體電路實現(xiàn)見附錄一：ad603后級放大電路。3.2 相敏檢波器部分電路設計相敏檢波器部分采用模擬乘法器，使產(chǎn)生的正交基準信號分別與和相乘，分別得到其在坐標軸上的分量，減少了電路的復雜性和降低了調(diào)試的難度。具體電路實現(xiàn)見附錄一：相敏檢波部分電路。xusu3.3 時間產(chǎn)生部分電路設計時間產(chǎn)生部分采用外部時鐘芯片ds1302,并將其輔助電源接鈕扣電池，這樣在系統(tǒng)掉電的情況下時鐘依然存在，不必每次開機都校準，可隨時記錄測得的數(shù)據(jù)。具體電路實現(xiàn)見附錄一：ds1302時間產(chǎn)生模塊。 3.4 手動/自動轉換部分電路設計 手動/自動轉換采用單片機控制繼電器通斷來切換外部手動部分的電阻群，當位于手動檔時，除了切換電阻達到切量程外，還配合調(diào)整dds輸出信號的頻率，來達到精確測量的目的。四、系統(tǒng)軟件設計4.1 系統(tǒng)軟件設計流程 軟件設計以msp430f149單片機為核心，實現(xiàn)對各個模塊的控制，系統(tǒng)軟件設計流程見附錄三。4.2 數(shù)據(jù)存儲部分軟件設