李樂樂 肖 園 湯 軻

（南京信息工程大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，江蘇南京210044）

0 引言

阻抗測量儀是一種用途很廣泛的電子測量儀器。傳統(tǒng)的模擬測量阻抗信號的參數(shù)是通過不同的模擬電橋電路測量獲得電感與電容的值，測量較為準(zhǔn)確[1]。 而數(shù)字化測量儀與模擬測量儀相比，模擬器件的使用度低、系統(tǒng)簡單、功耗低、智能化水平和精確度高，而且還具有強(qiáng)大的信號實(shí)時處理分析、自動識別計算和參數(shù)顯示等功能，在日常生活、工廠生產(chǎn)和電子實(shí)驗(yàn)室中有廣泛的應(yīng)用[2]。

隨著電子技術(shù)的不斷成熟和完善，對于檢測儀器產(chǎn)品的智能化和數(shù)字化要求越來越高，高性能、低價格、多功能的檢測儀的研究備受理工類學(xué)生和電子研究人員的關(guān)注，因此研究數(shù)字化的簡易阻抗測量儀具有重要的意義。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該設(shè)計以MSP430F149 單片機(jī)為控制核心，CPLD 數(shù)字信號處理[3]，由DDS 信號發(fā)生器、信號預(yù)處理電路（包括差分放大、I/V 轉(zhuǎn)換、過零比較）、峰值檢測電路、A/D 數(shù)據(jù)采集電路、功能鍵盤、LCD 液晶顯示電路以及電源等部分組成。 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

1.2 工作原理

簡易阻抗測量儀的輸入信號由DDS（直接數(shù)字頻率合成）模塊AD9851 產(chǎn)生， 兩路正弦信號經(jīng)過差分放大電路， 對輸入信號進(jìn)行放大。 然后信號通過待測網(wǎng)絡(luò)，輸出的電流經(jīng)電流—電壓轉(zhuǎn)換電路以電壓信號方式輸出。 輸出分成兩路，一路經(jīng)過峰值檢測電路轉(zhuǎn)化為符合A/D 轉(zhuǎn)換[4]要求的0～5v 電壓，高速轉(zhuǎn)換器AD7799 再將模擬信號進(jìn)行實(shí)時采樣變成數(shù)字信號；另一路信號與原信號進(jìn)行比較將測得的方波信號輸入CPLD 中進(jìn)行高速信號運(yùn)算處理。 將兩路輸出送入MSP430中進(jìn)行數(shù)值計算和元器件判斷等操作，最后將待測元件類型、相位角、器件參數(shù)值等顯示在LCD 液晶屏上。 所有功能都有鍵盤操作完成。

2 硬件設(shè)計

2.1 單片機(jī)

MSP430F149 是具有16 位總線的帶FLASH 存儲、 低電壓和超低功耗的單片機(jī)，其性價比和集成度高，具有強(qiáng)大的處理能力，而且系統(tǒng)工作穩(wěn)定[5]。

本系統(tǒng)采用MSP430F149 作為主控芯片，控制整個系統(tǒng)運(yùn)行過程和數(shù)據(jù)的設(shè)置處理。 實(shí)現(xiàn)與CPLD 的數(shù)據(jù)通信、A/D 采樣數(shù)據(jù)處理的功能。整個設(shè)計在其控制下達(dá)到自動化、智能化、數(shù)字化和高速化的目標(biāo)。

2.2 信號發(fā)生器

信號發(fā)生器的作用是為整個電路提供穩(wěn)定的、不失真的交流輸入信號。 AD9851 模塊是從相位概念出發(fā)直接合成所需波形的一種新的頻率合成技術(shù)。 其工作原理是用告訴ROM 存儲[6]所需波形的量化數(shù)據(jù)， 按照不同頻率要求， 用頻率控制字M 為步進(jìn)對相量增量進(jìn)行累加，按照不同的量化數(shù)據(jù)，按照不同頻率要求，用相位控制字K 調(diào)節(jié)相位偏移量，用累加相位值加上相位偏移量后作為地址碼讀取存放在存儲器內(nèi)的波形數(shù)據(jù)。 單片機(jī)MSP430 通過給DDS[7]送控制頻率控制字和相位控制字，實(shí)現(xiàn)頻率步進(jìn)即改變輸入信號的頻率，其可以變化的范圍是0～30Mhz。

2.3 差分放大電路

差分放大電路的作用對輸入交流正弦信號進(jìn)行放大，保證輸出信號電壓值在A/D 轉(zhuǎn)換器的信號幅度范圍內(nèi)， 而且便于處理時值更精確。 根據(jù)DDS 產(chǎn)生的兩種相位恰好相反地波形作為高速運(yùn)放OPA2227 的兩端輸入信號構(gòu)成的差分電路，恰好將直流分量相抵消而幅值倍數(shù)翻倍，達(dá)到適合的幅值。 如圖2 所示。

圖2 差分放大電路

2.4 峰值檢測電路

峰值檢測電路的目的是檢測模擬交流正弦信號的真有效峰值。AD637 的輸入信號是被測網(wǎng)絡(luò)經(jīng)I/V 轉(zhuǎn)化得到的正弦電壓信號，通過高精度外圍設(shè)備將正弦信號的峰值轉(zhuǎn)化為其模擬直流真有效值。由于輸出信號中有負(fù)電壓值，就需要給該信號疊加直流量，將負(fù)電壓部分信號抬高至零電平以上[8]，使信號滿足AD7799 的正常工作電壓。 具體電路如圖3 所示。

圖3 峰值檢測

2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路

圖4 A/D 轉(zhuǎn)換

圖5 鍵盤中斷服務(wù)程序

2.6 其他硬件電路

鍵盤控制模塊：該系統(tǒng)選用4×4 的矩陣鍵盤，鍵盤的作用分別0～9 十位數(shù)字鍵，確認(rèn)和取消鍵，元器件參數(shù)顯示、換屏、掃描鍵，便于系統(tǒng)的操作。

LCD 液晶顯示電路：該設(shè)計采用12864 液晶實(shí)時顯示測量數(shù)據(jù)值同時配合鍵盤進(jìn)行頻率預(yù)設(shè)參數(shù)的設(shè)置。 帶中文字庫的LCD12864 液晶[10]是一種高性能顯示模塊，利用該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令， 可構(gòu)成全中文人機(jī)交互圖形界面。 單片機(jī)的P5 口與12864 液晶的數(shù)據(jù)口連接， 用于數(shù)字信號的讀取，P4.4，P4.5 作為液晶顯示模塊的讀/寫控制信號端口，P4.6 作為LCD 的片選端口。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)的軟件是分為五個模塊：顯示部分，控制預(yù)計算部分，信號源部分，鍵盤部分，AD 轉(zhuǎn)換部分。 電壓的測量是通過軟件控制AD 對取樣電壓進(jìn)行采樣，然后送入單片機(jī)中進(jìn)行處理與運(yùn)算，求得一端口網(wǎng)絡(luò)的電壓值和電流值，則可以求得阻抗值。 相位角是通過對CPLD編程操作實(shí)現(xiàn)一個計數(shù)器功能，將兩路信號進(jìn)行異或，相位差的部分為高電平，此時通過計數(shù)器對參考脈沖進(jìn)行計數(shù)得到脈沖數(shù)，再與單片機(jī)通信將此數(shù)交給單片機(jī)處理，由單片機(jī)根據(jù)參考脈沖的周期算出相位角。 顯示數(shù)據(jù)是通過液晶顯示。 鍵盤中斷服務(wù)程序與定時器中斷程序如圖5 和圖6 所示。

圖6 定時器中斷程序

由于信號源的幅值不穩(wěn)定會造成峰值檢測電路的有效值不精確，不能使電壓保持在穩(wěn)定的峰值，從而導(dǎo)致誤差，進(jìn)而導(dǎo)致阻抗模的誤差產(chǎn)生。 通過對所求數(shù)據(jù)分析，在軟件中做相應(yīng)的補(bǔ)償措施使結(jié)果更接近真實(shí)值。

4 結(jié)語

本文設(shè)計的以MSP430F149 單片機(jī)為主控核心的簡易阻抗測量儀，在軟硬件有機(jī)結(jié)合下，可以滿足所要求的參數(shù)值的測量、頻率的顯示、被測網(wǎng)絡(luò)的類型等功能，運(yùn)行可靠穩(wěn)定。測試表明簡易阻抗測量儀具有實(shí)時采樣顯示、任意設(shè)置信號頻率、測試精度高等功能。該測量儀能夠?qū)崿F(xiàn)電阻電容電感元件各參數(shù)的實(shí)時測量和自動識別、連接方式的判斷和諧振頻率的測試等功能。該系統(tǒng)簡單、功耗低、智能化水平和精確度高，而且還具有強(qiáng)大的信號實(shí)時處理分析、自動識別計算和參數(shù)顯示等優(yōu)點(diǎn)。對于工廠生產(chǎn)和電子實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用有著廣闊的前景和使用價值。

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