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0 引言
RLC單獨(dú)測量的方法有很多，對電阻的測量最為簡單。電容電感對時(shí)變信號敏感，可將電容電感轉(zhuǎn)換成與電量、時(shí)間和頻率相關(guān)的物理量，通過對電量、時(shí)間或頻率的測量獲得電感電容值。目前通過不同的模擬電橋電路可以實(shí)現(xiàn)RLC參數(shù)的較精確測量，在測量時(shí)需要預(yù)先甄別RLC類型再選著合適的測量電橋和測量頻率，因此測量時(shí)智能化水平不高。隨著數(shù)字信號處理技術(shù)的成熟，以及AD芯片性能的提升，采用數(shù)字信號處理的方法逐漸替代了傳統(tǒng)模擬測量信號相位、頻率、幅度信息，降低了模擬器件的使用量和系統(tǒng)復(fù)雜程度，便于智能化控制。
基于MSP430的智能LRC測量系統(tǒng)，利用高速數(shù)模轉(zhuǎn)換電路將信號量化處理，F(xiàn)PGA進(jìn)行高速數(shù)字信號處理獲得信號相位、幅值信息。這樣不僅減少了模擬器件的數(shù)量，也減少了信號傳輸中的衰減和模擬器件溫度變化以及供電變化等引入的附加干擾。此外，采用MSP430單片機(jī)的智能控制技術(shù)，使測量系統(tǒng)具備自動分析、識別、計(jì)算的能力。用戶只需開機(jī)接入待測量元件即可獲得待測元件的RLC值。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)采用矢量比例法測量RLC的方法，如圖1所示。圖中參考阻抗用標(biāo)準(zhǔn)阻抗R0代替Z0，可推導(dǎo)出：
由式(2)～(4)可知，只要知道Vx，V0實(shí)部、虛部就可以測量待測R，L和C的值。
系統(tǒng)測量過程中總體信號流程如圖2所示，系統(tǒng)首先需要產(chǎn)生頻率非常穩(wěn)定的正弦波作為圖1的信號源，接入待測元件后，由于V0信號不便直接測量，因此需要減法電路做差后求得V0。為了保證測量精度，系統(tǒng)采用高速高精度的AD芯片進(jìn)行兩通道交流信號同步采樣，采樣前需要將信號差分化處理。當(dāng)采樣完成后，數(shù)據(jù)傳給FPGA進(jìn)行傅里葉變換。利用傅里葉分析法，對采樣的信號進(jìn)行FFT變換就能分離出V0，Vx的實(shí)部和虛部。FPGA分離出的V0，Vx的實(shí)部和虛部數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)MSP430F4617計(jì)算，結(jié)果將顯示在液晶顯示器上。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
測量儀的硬件由MCU模塊、FPGA數(shù)據(jù)處理模塊、A／D采樣模塊、單端轉(zhuǎn)差分模塊、測量接入模塊、函數(shù)發(fā)生器模塊、鍵盤模塊、液晶顯示模塊構(gòu)成，硬件框圖如圖3所示。
2．1 系統(tǒng)主控制MCU模塊
儀器的控制核心采用MSP430F4617單片機(jī)，該芯片有2個(gè)16位定時(shí)模塊單元，多路12位A／D采樣轉(zhuǎn)換模塊，12位D／A轉(zhuǎn)換模塊，多路時(shí)鐘系統(tǒng)，存儲容量大，數(shù)量多的I／O口，在整個(gè)系統(tǒng)中是利用率比較高的器件。在系統(tǒng)測量過程中，首先用于分析測量數(shù)據(jù)，根據(jù)測量值與沒定參數(shù)比較，然后再反饋給控制測量模塊選擇合適R0達(dá)到最佳測量狀態(tài)。根據(jù)初步測量結(jié)果反饋控制函數(shù)發(fā)生器以及內(nèi)部定時(shí)器選擇合適函數(shù)頻率，進(jìn)行精確的測量，最終控制液晶顯示器將測量的元件的電學(xué)特性RLC值輸出顯示。
2．2 FPGA數(shù)字信號處理模塊
FPGA芯片采用XC3S200A芯片，系統(tǒng)中高速A／D采樣芯片工作頻率較高它的控制時(shí)鐘以及采樣時(shí)序主要由FPGA控制產(chǎn)生，同時(shí)利用FPGA處理數(shù)字信號速度快的特點(diǎn)對圖3兩路信號V0，Vx進(jìn)行FFT運(yùn)算分離出實(shí)部虛部信息，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)。
2．3 A／D采樣模塊
為了減小圖3中2個(gè)模擬輸入信號V0，Vx的相位誤差，系統(tǒng)采用AD7862高速、低功耗、雙核12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)芯片進(jìn)行采樣。該器件內(nèi)置2個(gè)4μs逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)采樣保持放大器、一個(gè)2．5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)高速并行接口，它有4個(gè)模擬輸入組成2個(gè)通道A和B(分別用于采樣V0、Vx信號)，每個(gè)通道的兩個(gè)輸入(VA1與VA2或VB1與VB2)可同時(shí)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，通過A0(FPGA控制)作為輸入選擇通道，采樣時(shí)序由FPGA提供。
2．4 單端轉(zhuǎn)差分電路
后級A／D采樣電路需要在差分輸入狀態(tài)下達(dá)到最佳采樣精度，所以需要將前級測量模塊產(chǎn)生的V0，Vx差分化預(yù)處理，這里采用全差動運(yùn)算放大器THS4503進(jìn)行轉(zhuǎn)換，THS4503具有非常卓越的線性度，輸出模式可調(diào)，電壓工作范圍寬(5V，5V，12V，15V)工作帶寬可達(dá)370MHz，轉(zhuǎn)換速度極快達(dá)到2 800 V／s。另外，還需要REF2330芯片為THS4503以及A／D采樣模塊提供基準(zhǔn)電壓。
2．5 測量模塊
測量模塊是待測元件與標(biāo)準(zhǔn)R0分壓部分，主要包括減法電路求Vx、減法求V0電路以及標(biāo)準(zhǔn)電阻R0選擇電路，如圖4所示。由于圖2中的Vx不便直接測量，所以通過減法電路來求Vx。當(dāng)圖4減法電路求得Vx的同時(shí)，也引入了新的環(huán)境變量，因此，使V0也通過相同的電路環(huán)境以減小系統(tǒng)誤差�？梢苑治龅贸觯�(dāng)圖1中Vx／V0為1：1時(shí)測量精度最高，所以需要調(diào)整R0與待測元件的分壓接近1：1來保證測量精度。標(biāo)準(zhǔn)電阻R0
由MSP430單片機(jī)控制的模擬開關(guān)CD4051進(jìn)行軟件選擇。
2．6 函數(shù)發(fā)生器模塊
在圖1測量原理中，測量是工作在正弦信號的條件下，要保證測量的精度，測量頻率必須保證相當(dāng)穩(wěn)定。所以，利用晶體振蕩器振蕩頻率穩(wěn)定性高的特點(diǎn)來獲得測量頻率將很好的保證我們測量的穩(wěn)定性。同時(shí)利用單片機(jī)定時(shí)器分頻晶振產(chǎn)生的頻率，可以獲得頻率穩(wěn)定性高的各種頻率。單片機(jī)的定時(shí)器輸出為方波信號，要獲得正弦信號，需要對方波信號進(jìn)行濾波，將方波的中心頻率信號濾出并保證相當(dāng)?shù)男盘枏?qiáng)度，因此需要設(shè)計(jì)一款性能良好的濾波器。此外，設(shè)計(jì)的濾波器必須有較高的Q值以提高選頻特性。其電路原理如圖5所示。
圖中電路實(shí)質(zhì)是雙二次帶通濾波器，它的特點(diǎn)是調(diào)整過程十分簡單，增益由改變R1調(diào)整，Q由改變R2調(diào)節(jié)，而改變R3則影響輸出頻率。單片機(jī)輸出方波信號從圖5中R1輸入后，經(jīng)雙二次帶通濾波器濾波后輸出正弦信號。系統(tǒng)通過單片機(jī)控制的雙刀雙擲模擬開關(guān)CD4052選擇不同的電容C來實(shí)現(xiàn)測量頻率的自動切換。此外，為了減小溫度影響，電路中R1，R2，R3采用由正負(fù)溫度系數(shù)電阻按一定比例串聯(lián)的溫度補(bǔ)償設(shè)計(jì)。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)包括主程序、MCU與FPGA通信子程序、鍵盤子程序、液晶顯示子程序、數(shù)據(jù)處理子程序。
主程序設(shè)計(jì)流程為開始后先進(jìn)性初始化，關(guān)閉看門狗以防止程序初始化時(shí)被復(fù)位，將系統(tǒng)時(shí)鐘初始化，接著是對各模塊(指針、液晶、鍵盤掃描、模擬開關(guān)端口)等子系統(tǒng)指針初始化，然后進(jìn)入測量調(diào)整階段。測量調(diào)整階段先進(jìn)行鍵盤掃描(鍵盤掃描主要用在調(diào)試階段最終不需要鍵盤輸入)設(shè)置標(biāo)志位，設(shè)置定時(shí)器控制輸出方波頻率并根據(jù)鍵盤標(biāo)志位判斷是否需要進(jìn)行手動頻率切換，控制模擬開關(guān)自動選擇參考電阻，通知FPGA進(jìn)行信號處理，并根據(jù)初步測量結(jié)果進(jìn)行頻率和R0調(diào)整，對測量結(jié)果進(jìn)行修正，最終控制液晶輸出測量結(jié)果。主程序設(shè)計(jì)流程圖如圖6所示。
4 結(jié)果及討論
測量值與數(shù)字電橋測量值對比如表1～表3。
設(shè)計(jì)的RLC測量儀的電阻測量范圍為50 Ω～20 MΩ，誤差在5％以內(nèi)，電感測量范圍為1 mH～1 H，誤差在為8％以內(nèi)，電容測量范圍為100 pF～50μF，誤差在5％以內(nèi)。
設(shè)計(jì)采用了單片機(jī)智能控制技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的智能化控制和輸出。高速A／D采樣轉(zhuǎn)換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了信號的高速轉(zhuǎn)換以及數(shù)據(jù)的高速采集�；贔PGA的數(shù)字信號處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的高速處理計(jì)算。目前該裝置由于模擬開關(guān)內(nèi)部電阻較大(約120 Ω)限制了部分范圍的RLC測量精度，需要改用導(dǎo)通電阻更小的模擬開關(guān)來完善。
