您现在的位置: 通信界 >> 测试仪表 >> 技术正文  
 
基于MSP430单片机的智能阻抗测量仪设计[图]
[ 通信界 / 佚名 / www.cntxj.net / 2012/8/3 22:50:47 ]
 

0 引言

RLC单独测量的方法有很多,对电阻的测量最为简单。电容电感对时变信号敏感,可将电容电感转换成与电量、时间和频率相关的物理量,通过对电量、时间或频率的测量获得电感电容值。目前通过不同的模拟电桥电路可以实现RLC参数的较精确测量,在测量时需要预先甄别RLC类型再选着合适的测量电桥和测量频率,因此测量时智能化水平不高。随着数字信号处理技术的成熟,以及AD芯片性能的提升,采用数字信号处理的方法逐渐替代了传统模拟测量信号相位、频率、幅度信息,降低了模拟器件的使用量和系统复杂程度,便于智能化控制。

基于MSP430的智能LRC测量系统,利用高速数模转换电路将信号量化处理,FPGA进行高速数字信号处理获得信号相位、幅值信息。这样不仅减少了模拟器件的数量,也减少了信号传输中的衰减和模拟器件温度变化以及供电变化等引入的附加干扰。此外,采用MSP430单片机的智能控制技术,使测量系统具备自动分析、识别、计算的能力。用户只需开机接入待测量元件即可获得待测元件的RLC值。

1 系统总体设计

系统采用矢量比例法测量RLC的方法,如图1所示。图中参考阻抗用标准阻抗R0代替Z0,可推导出:
  


  由式(2)~(4)可知,只要知道Vx,V0实部、虚部就可以测量待测R,L和C的值。

系统测量过程中总体信号流程如图2所示,系统首先需要产生频率非常稳定的正弦波作为图1的信号源,接入待测元件后,由于V0信号不便直接测量,因此需要减法电路做差后求得V0。为了保证测量精度,系统采用高速高精度的AD芯片进行两通道交流信号同步采样,采样前需要将信号差分化处理。当采样完成后,数据传给FPGA进行傅里叶变换。利用傅里叶分析法,对采样的信号进行FFT变换就能分离出V0,Vx的实部和虚部。FPGA分离出的V0,Vx的实部和虚部数据经单片机MSP430F4617计算,结果将显示在液晶显示器上。

2 系统硬件设计

测量仪的硬件由MCU模块、FPGA数据处理模块、A/D采样模块、单端转差分模块、测量接入模块、函数发生器模块、键盘模块、液晶显示模块构成,硬件框图如图3所示。

2.1 系统主控制MCU模块

仪器的控制核心采用MSP430F4617单片机,该芯片有2个16位定时模块单元,多路12位A/D采样转换模块,12位D/A转换模块,多路时钟系统,存储容量大,数量多的I/O口,在整个系统中是利用率比较高的器件。在系统测量过程中,首先用于分析测量数据,根据测量值与没定参数比较,然后再反馈给控制测量模块选择合适R0达到最佳测量状态。根据初步测量结果反馈控制函数发生器以及内部定时器选择合适函数频率,进行精确的测量,最终控制液晶显示器将测量的元件的电学特性RLC值输出显示。

2.2 FPGA数字信号处理模块

FPGA芯片采用XC3S200A芯片,系统中高速A/D采样芯片工作频率较高它的控制时钟以及采样时序主要由FPGA控制产生,同时利用FPGA处理数字信号速度快的特点对图3两路信号V0,Vx进行FFT运算分离出实部虚部信息,并将数据传送给单片机。

2.3 A/D采样模块

为了减小图3中2个模拟输入信号V0,Vx的相位误差,系统采用AD7862高速、低功耗、双核12位模数转换器(ADC)芯片进行采样。该器件内置2个4μs逐次逼近型A/D转换器、两个采样保持放大器、一个2.5 V内部基准电压源和一个高速并行接口,它有4个模拟输入组成2个通道A和B(分别用于采样V0、Vx信号),每个通道的两个输入(VA1与VA2或VB1与VB2)可同时进行采样和转换,通过A0(FPGA控制)作为输入选择通道,采样时序由FPGA提供。

2.4 单端转差分电路
后级A/D采样电路需要在差分输入状态下达到最佳采样精度,所以需要将前级测量模块产生的V0,Vx差分化预处理,这里采用全差动运算放大器THS4503进行转换,THS4503具有非常卓越的线性度,输出模式可调,电压工作范围宽(5V,5V,12V,15V)工作带宽可达370MHz,转换速度极快达到2 800 V/s。另外,还需要REF2330芯片为THS4503以及A/D采样模块提供基准电压。
2.5 测量模块
  测量模块是待测元件与标准R0分压部分,主要包括减法电路求Vx、减法求V0电路以及标准电阻R0选择电路,如图4所示。由于图2中的Vx不便直接测量,所以通过减法电路来求Vx。当图4减法电路求得Vx的同时,也引入了新的环境变量,因此,使V0也通过相同的电路环境以减小系统误差。可以分析得出,当图1中Vx/V0为1:1时测量精度最高,所以需要调整R0与待测元件的分压接近1:1来保证测量精度。标准电阻R0
由MSP430单片机控制的模拟开关CD4051进行软件选择。


  2.6 函数发生器模块
  在图1测量原理中,测量是工作在正弦信号的条件下,要保证测量的精度,测量频率必须保证相当稳定。所以,利用晶体振荡器振荡频率稳定性高的特点来获得测量频率将很好的保证我们测量的稳定性。同时利用单片机定时器分频晶振产生的频率,可以获得频率稳定性高的各种频率。单片机的定时器输出为方波信号,要获得正弦信号,需要对方波信号进行滤波,将方波的中心频率信号滤出并保证相当的信号强度,因此需要设计一款性能良好的滤波器。此外,设计的滤波器必须有较高的Q值以提高选频特性。其电路原理如图5所示。

  图中电路实质是双二次带通滤波器,它的特点是调整过程十分简单,增益由改变R1调整,Q由改变R2调节,而改变R3则影响输出频率。单片机输出方波信号从图5中R1输入后,经双二次带通滤波器滤波后输出正弦信号。系统通过单片机控制的双刀双掷模拟开关CD4052选择不同的电容C来实现测量频率的自动切换。此外,为了减小温度影响,电路中R1,R2,R3采用由正负温度系数电阻按一定比例串联的温度补偿设计。

3 系统软件设计

系统软件设计包括主程序、MCU与FPGA通信子程序、键盘子程序、液晶显示子程序、数据处理子程序。

主程序设计流程为开始后先进性初始化,关闭看门狗以防止程序初始化时被复位,将系统时钟初始化,接着是对各模块(指针、液晶、键盘扫描、模拟开关端口)等子系统指针初始化,然后进入测量调整阶段。测量调整阶段先进行键盘扫描(键盘扫描主要用在调试阶段最终不需要键盘输入)设置标志位,设置定时器控制输出方波频率并根据键盘标志位判断是否需要进行手动频率切换,控制模拟开关自动选择参考电阻,通知FPGA进行信号处理,并根据初步测量结果进行频率和R0调整,对测量结果进行修正,最终控制液晶输出测量结果。主程序设计流程图如图6所示。

4 结果及讨论

测量值与数字电桥测量值对比如表1~表3。

设计的RLC测量仪的电阻测量范围为50 Ω~20 MΩ,误差在5%以内,电感测量范围为1 mH~1 H,误差在为8%以内,电容测量范围为100 pF~50μF,误差在5%以内。

设计采用了单片机智能控制技术,实现了系统的智能化控制和输出。高速A/D采样转换技术,实现了信号的高速转换以及数据的高速采集。基于FPGA的数字信号处理技术,实现了数据的高速处理计算。目前该装置由于模拟开关内部电阻较大(约120 Ω)限制了部分范围的RLC测量精度,需要改用导通电阻更小的模拟开关来完善。

 

作者:佚名 合作媒体:不详 编辑:顾北

 

 

 
 热点技术
普通技术 “5G”,真的来了!牛在哪里?
普通技术 5G,是伪命题吗?
普通技术 云视频会议关键技术浅析
普通技术 运营商语音能力开放集中管理方案分析
普通技术 5G网络商用需要“无忧”心
普通技术 面向5G应运而生的边缘计算
普通技术 简析5G时代四大关键趋势
普通技术 国家网信办就《数据安全管理办法》公开征求意见
普通技术 《车联网(智能网联汽车)直连通信使用5905-5925MHz频段管理规定(
普通技术 中兴通讯混合云解决方案,满足5G多元业务需求
普通技术 大规模MIMO将带来更多无线信道,但也使无线信道易受攻击
普通技术 蜂窝车联网的标准及关键技术及网络架构的研究
普通技术 4G与5G融合组网及互操作技术研究
普通技术 5G中CU-DU架构、设备实现及应用探讨
普通技术 无源光网络承载5G前传信号可行性的研究概述
普通技术 面向5G中传和回传网络承载解决方案
普通技术 数据中心布线系统可靠性探讨
普通技术 家庭互联网终端价值研究
普通技术 鎏信科技CEO刘舟:从连接层构建IoT云生态,聚焦CMP是关键
普通技术 SCEF引入需求分析及部署应用
  版权与免责声明: ① 凡本网注明“合作媒体:通信界”的所有作品,版权均属于通信界,未经本网授权不得转载、摘编或利用其它方式使用。已经本网授权使用作品的,应在授权范围内使用,并注明“来源:通信界”。违反上述声明者,本网将追究其相关法律责任。 ② 凡本网注明“合作媒体:XXX(非通信界)”的作品,均转载自其它媒体,转载目的在于传递更多信息,并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。 ③ 如因作品内容、版权和其它问题需要同本网联系的,请在一月内进行。
通信视界
华为余承东:Mate30总体销量将会超过两千万部
赵随意:媒体融合需积极求变
普通对话 苗圩:建设新一代信息基础设施 加快制造业数字
普通对话 华为余承东:Mate30总体销量将会超过两千万部
普通对话 赵随意:媒体融合需积极求变
普通对话 韦乐平:5G给光纤、光模块、WDM光器件带来新机
普通对话 安筱鹏:工业互联网——通向知识分工2.0之路
普通对话 库克:苹果不是垄断者
普通对话 华为何刚:挑战越大,成就越大
普通对话 华为董事长梁华:尽管遇到外部压力,5G在商业
普通对话 网易董事局主席丁磊:中国正在引领全球消费趋
普通对话 李彦宏:无人乘用车时代即将到来 智能交通前景
普通对话 中国联通研究院院长张云勇:双轮驱动下,工业
普通对话 “段子手”杨元庆:人工智能金句频出,他能否
普通对话 高通任命克里斯蒂安诺·阿蒙为公司总裁
普通对话 保利威视谢晓昉:深耕视频技术 助力在线教育
普通对话 九州云副总裁李开:帮助客户构建自己的云平台
通信前瞻
杨元庆:中国制造高质量发展的未来是智能制造
对话亚信科技CTO欧阳晔博士:甘为桥梁,携"电
普通对话 杨元庆:中国制造高质量发展的未来是智能制造
普通对话 对话亚信科技CTO欧阳晔博士:甘为桥梁,携"电
普通对话 对话倪光南:“中国芯”突围要发挥综合优势
普通对话 黄宇红:5G给运营商带来新价值
普通对话 雷军:小米所有OLED屏幕手机均已支持息屏显示
普通对话 马云:我挑战失败心服口服,他们才是双11背后
普通对话 2018年大数据产业发展试点示范项目名单出炉 2
普通对话 陈志刚:提速又降费,中国移动的两面精彩
普通对话 专访华为终端何刚:第三代nova已成为争夺全球
普通对话 中国普天陶雄强:物联网等新经济是最大机遇
普通对话 人人车李健:今年发力金融 拓展汽车后市场
普通对话 华为万飚:三代出贵族,PC产品已走在正确道路
普通对话 共享退潮单车入冬 智享单车却走向盈利
普通对话 Achronix发布新品单元块 推动eFPGA升级
普通对话 金柚网COO邱燕:天吴系统2.0真正形成了社保管