了解容抗法测量电容容量的原理,学习用DDS方法产生稳定正弦波.pdfVIP

自动量程电容表 一、实验目的 了解容抗法测量电容容量的原理，学习用 DDS 方法产生稳定正弦波作为激励源，练习 430 单片机内部 SD16 模块的使用。学会运用 485 接口进行通讯，了解 MODBUS 协议的实现方法。 二、实验参考资料 该模块大部分信号处理电路都已集成在 430 芯片上，只有很少的外围电路，基本原理如下：430 单片 机内部的 DAC12 模块按 CPU 指令，通过 12 位 DAC 产生稳定度优于 1/1000，失真度小于 1/1000 的稳定 正弦波，作为测量的激励源。待测电容在该交流激励源作用下呈现出固定的容抗 Z 。1/Z 的大小正比于电 容值的大小。通过一个 1/容抗- 电压变换电路即可得到与电容值成正比的电压信号。该电压信号被430 内部 的 16 位 ADC 采样后，计算出电容值。 测量的数据会在液晶上显示，也可通过 485 接口，按 Modbus-RTU 协议被其他设备读取。 硬件电路及原理： 本模块的核心是一片 MSP430F4270 混合信号处理器，它内部集成有 16 位 RISC 处理器、32K 代码存储 器、12位 DAC、16 位ADC、精密基准源、液晶驱动器、液晶偏压发生器、看门狗等大量资源。如下图所示， 只需要很少的外围器件。 精密电容模块硬件电路 利用 4270 单片机的 12 位 DAC，在中断中以查表 DDS 的方式产生 1KHz 的正弦波（图中 Vsin）作为测 量电路的激励源。测量结果（图中 VCAP）被 4270 单片机的16 位ADC 采样后换算成电容值。最终的测量结 果显示在段码液晶上。由于内部集成液晶控制器和偏压发生电路，硬件上只需要将液晶和段码控制脚直连 即可。液晶的对比度由内部电荷泵寄存器控制，硬件上只需要一只 4.7uF 外接电容（C10）即可。转换结 果也可通过 485 接口被 2410 主系统读取。4270 单片机没有串口，只能用软件模拟实现串口。 正弦波表 ROM 内存有64点的正弦波表，在 1KHz正弦波的输出下，中断频率达 64000 次／秒；加之模 拟串口的工作对 CPU 开销都很大，因此系统工作在 8MHz 时钟下（4270 允许的最大值）。4270 的手册推荐 用 32K 外部晶体，倍频得到 CPU 时钟。但考虑到内部倍频的锁频环（FLL）存在频率抖动，会造成 DDS 输 出正弦波的噪音，故倍频率应尽量低。本系统选 4MHz 外晶体，2 倍频（FLL 最低倍频值）得到 8MHz 系统 时钟。 保持 DDS 频率不变，将波表峰值提高 10 倍，量程可缩小 10倍；改变正弦波表的点数为 640 点，即可 得到 100Hz正弦，量程则扩大 10 倍。因此可以通过纯软件的方法切换量程。 测量电路方框内的电路如下： 电容测量电路（模拟部分） DDS 产生的 Vsin 是电压范围 0－1.2V 的正弦波，即直流 0.6V，峰峰值 1.2V 的正弦波。首先被 C5 隔 除直流分量，再被运放 U3A 放大 10 倍，变成正负对称，峰峰值 12V 的正弦波。DDS 产生的正弦波还残留有 高频分量，C15 和 R3 构成低通滤波器，转折频率 3KHz，保留激励正弦波，滤除残余高频分量。放大后的 正弦电压加在被测电容 Cx 上，在此激励之下流过 Cx 的电流被 U3B 转换成电压值。U3B 输出的是输幅度正 比于 Cx 的大小的正弦电压，且与屏蔽引线长度无关。C18 用于进一步滤除残余高频。U3C 和U3D构成精密 检波电路，将 U3B 的输出交流电压转化成直流电压。精密检波电路的二极管选用做在同一硅片上的双二极 管 BAV99（Q2），两只二极管具有几乎完全一致的特性。 PCB 图： 三、实验要求 1. 利用DAC 产生一个电压，并能通过程序改变电压