电子设计大赛报告基于自由轴法的RLC测量仪设计.docVIP

摘要 本设计以MSP430F149单片机为核心，由正弦波发生、信号电压提升、分压及差分放大等功能模块组成。采用基于伏安法测阻抗的自由轴法，通过对待测阻抗Zx和标准阻抗Zs 两端的电压精确采样计算实现了对电阻电容和电的高精度测量，同时也能对电感品质因数和电容损耗系数进行测量。 关键词：MSP430F149，自由轴法，测量，高精度 一、方案论证 常用的RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法三种。电桥法具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。但电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。谐振法要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求。由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。伏安法是最经典的方法，它的测量原理来源于阻抗的定义。即若已知流经被测阻抗的电流相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。显然，要实现这种方法，仪器必须能进行相量测量及除法运算。本着扩大测量量程、提高测量精度的原则，我们采用了基于伏安法测阻抗的自由轴法。 二、总体思想 自由轴法的基本思想是：待测阻抗Zx和标准阻抗Zs串联，严格要求被测参数矢量在X、Y坐标轴上投影准确正交，然后分别测出待测阻抗、标准阻抗两端的矢量电压Ux和Us在直角坐标X、Y轴上的分量，最后送入单片机经过四则运算即可求出最后结果。本设计系统框图如图1所示。 信号发生电路产生的正弦波加在被测阻抗与标准阻抗上，分压后经过差分放大电路分别得到两阻抗上的电压值。因为单片机只能正确采样0~5V之间的电压，而输入的信号是正弦信号，因此在将其送入单片机之前进行电压提升，使正弦信号任意时刻的电位均大于或是等于0。分压后的正弦信号送入单片机进行正交采样计算求得待测阻抗值，并显示结果。矢量电压值分两次测量，先测量实部，然后测量虚部。即在任一时刻采样得到信号瞬时值U1，然后经过1/4周期（相当于相移π/2）采样得到瞬时值U2，则可以得到 其测量矢量图如图2所示。 以测量电容为例，建立测量RLC参数的数学模型如下： 式中，e为MSP430单片机内A/D转换器的刻度系数，即每个数字代表的电压值；是对应的数字量（i=1，2，3，4）。因此，坐标系一旦确定，两个矢量之商即可表示为： （1） 采用标准电阻，则有： （2） 将式（1）带入式（2）中，得到： （3） 被测电容参数的实部和虚部分别为： （4） 则电容的损耗系数为： （5） 这样就得到了被测电容的参数。这种测量方法充分利用了单片机的控制和计算能力，电路简单，精度高。 被测参数RLC的具体测量公式如下表所示： 被测项目 计算公式 电阻R 电感L 电容C 这种测量方法充分利用了单片机的控制和计算能力，电路简单，精度高。 三、具体设计 RLC测量仪是较为精确的测量仪器，为了保证其精度和工作效率，我们选用了MSP430F49单片机。这是TI公司的一款超低功耗的单片机，它有灵活强大的计算处理能力和丰富的存储器和外设，内含12位A/D转换，使用方便。 自制电源电路 为了满足系统供电需要，我们设计了直流电源。它可以由直流9V或交流9V输入，输出直流±12V、5V和3.3V，范围满足了系统所有的供电要求。其原理图如图5所示。 从自由轴法工作原理以及被测参数计算公式可以看出，仪器的工作频率直接影响测量精度。因此要求测试信号源频率精确度高，并且频谱纯度和幅度稳定度也要高 分压及差分放大电路 图4是分压和差分放大电路。输入正弦测量信号加在串联的被测元件和标准阻抗上分压，通过差分放大电路分别得到两元件两端的电压，然后送入单片机采样计算。 频点选择电路 为了满足题目要求实现分不同频率点测量，我们设计了这个选择电路。单片机输出控制信号经74LS273、74LS07芯片锁存和放大后输入单8通道数字控制