計算機課程設(shè)計----電阻電感電容測試儀

1、<p><b>　　電阻電感電容測試儀</b></p><p>　　一、系統(tǒng)設(shè)計方案論證與選擇 </p><p>　　1. 系統(tǒng)方案論證 </p><p>　　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。 </p><p>　　方案

2、二. 采用電橋法：精度高是電橋法的主要特點，被廣泛應(yīng)用。但電橋法電路復(fù)雜且在測量的時候需要反復(fù)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。 </p><p>　　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

3、MCU強大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(zhǔn)嚴(yán)格地與標(biāo)準(zhǔn)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。 </p><p>　　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。 </p><p><b>　　2. 控制部分 </b></p><p>　　方案一

4、. 采用當(dāng)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(shù)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(shè)計和制作，用起來不方便。</p><p>　　方案二. 選用Silicon Laboratories公司的C8051F020型號的單片機。C8051Fxxx系列單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片，具有與80

5、51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(shè)及功能部件。其采用流水線結(jié)構(gòu)，大大提高了處理能力，峰值性能可達25MIPS。此外，其功耗低，F(xiàn)LASH存儲器具有重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲。 </p><p>　　比較論證：結(jié)合題目的要求及C8051f020的優(yōu)點，本系統(tǒng)采用方案二。</p><p>　　3. 正弦波

6、信號發(fā)生器部分</p><p>　　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(zhuǎn)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(qū)動下，AD9854將產(chǎn)生一高穩(wěn)定的頻率、相位、幅度可編程的正弦和余弦信號。</p><p>　　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

7、，即可輸出兩路正交的正弦波，但其電路復(fù)雜，相位同步不夠精準(zhǔn)，信號輸出也不穩(wěn)定，很難實現(xiàn)題目所要求的精度。</p><p>　　比較論證：方案二的電路相對復(fù)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。</p><p><b>　　4. 顯示部分 </b></p><p>　　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

8、要求的那么豐富的內(nèi)容。</p><p>　　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。</p><p>　　比較論證：選擇方案二。 </p><p><b>　　二、 總體方案 </b></p><p><b>　　1. 工作原理</b>&l

9、t;/p><p>　　根據(jù)題目要求和上述分析，認(rèn)真分析取舍，確定最終總體設(shè)計方案。由dds AD9854芯片產(chǎn)生兩路正交信號，設(shè)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。總

10、體設(shè)計框圖如下，其電路測量原理圖如圖2.1。</p><p>　　2. 理論分析與計算 </p><p>　　在圖2.1中，I0是已知的恒流源相量；Rs是已知的標(biāo)準(zhǔn)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。</p><p>　　Zx=Ux/Uz+Rs</p>

11、;<p>　　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(cè)值Zx。</p><p><b>　　三、系統(tǒng)硬件設(shè)計</b></p><p>　　3.1 峰值連續(xù)可調(diào)部分電路設(shè)計</p><p>　　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

12、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。</p><p>　　3.2 相敏檢波器部分電路設(shè)計</p><p>　　相敏檢波器部分采用模擬乘法器，使產(chǎn)生的正交基準(zhǔn)信號分別與和相乘，分別得到其在坐標(biāo)軸上的分量，減少了電路的復(fù)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。XUSU</p><

13、p>　　3.3 時間產(chǎn)生部分電路設(shè)計</p><p>　　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(zhǔn)，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。 </p><p>　　3.4 手動/自動轉(zhuǎn)換部分電路設(shè)計 </p><p>　　手動/自動轉(zhuǎn)換采用單片機控制

14、繼電器通斷來切換外部手動部分的電阻群，當(dāng)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。</p><p><b>　　四、系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　4.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程 </p><p>　　軟件設(shè)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(shè)計流程見附錄