基于矢量自由轴法的rlc测量仪设计软件毕业论文(编辑修改稿)

基于矢量自由轴法的rlc测量仪设计软件毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

A128分别 放大 XU 和 SU。 仪用放大器与普通集成运算放大器相比具有很多优 点， 仪用放大器具有能够消除任何共模信号 而 放大差模信号的特性 ， 正常工作 时 , 它既能放大微伏级差模信号 , 同时又能抑制几伏的共模信号。 同时 仪用放大器 还具有 线性误差小 输入阻抗高等特性， 为精确测量电路提供了保障。 通过微处理器计算控制 模拟开关 在 各个标准电阻 档位 之间选择合 9 适的档位进行测量。 实现自动测量， 提高精度。 、放大电路方案论证 由单片机编程控制 多路 模拟开关 CD405 CD4051导通与断开，实现对标 准电阻上的差分电压进行再次 放大测试或 对待测原件上的差分电压进行再次放大测试。 同时由模拟开关选择不同 ,控制运算放大器 OPA704的工作方式 ， 实现运放工作在跟随状态 ， 还是构成 同相输入比例运算电路 实现放大作用。 、相敏检波 方案论证与选择 方案一 数字相敏 检波 数字 相敏检波器由乘法型 D/A转换器和低通滤波器构成，用乘法型 D/A转换器实现数字鉴相。 如输入正弦信号为  tcos ，被测信号   tUU mX cos ,经过由乘法型 D/A构成的数字检波器后输出为        c o s2c o s21c o sc o s  tUttUmm () 实现 90176。 相 移操作时正弦波信号变为   2c o s tUU mX () D/A输出为        s i n22c os212c osc os tUttU mm () 方案二 脉冲积分鉴相 利用模拟开关进行 脉冲积分鉴相，脉冲积分鉴相有 单 π/4脉冲积分鉴相和双 π/4脉冲积分鉴相 之分 ，单 π/4脉冲积分鉴相 原理图如图 示， 可推导测量电压 在实 轴上的投影为       4s i n4s i n22s i n 00040    πATdttAI T 10  4s in220   πAT () 在虚轴上的投影为         4s i n43s i n22s i n 00024  ATdttAQ TT  4c o s220   AT () 利用双 π/4脉冲积分鉴相器可推导出测量电压 在实 轴方向上的投影 为         00000000 c o sc o s2s i ns i n 22     AdttdttAI TTT  0cos2 AT () 在虚轴方向上的投影为          dttAdtAdttAQ T TTTT 0000000 s i ns i ns i n 43443 4        000 s in2s ins in22  ATAT  () 由推导公式可见，用 双 π/4脉冲 积分鉴相的波形幅度为单 π/4脉冲积分鉴相的 22 倍。 方案一乘法 型 D/A鉴相前端的直流容易产生漂移，乘法器中的直流也会产生漂移，造成的噪声处理和滤波都很麻烦所以不选乘法型D/A鉴相。 双 π/4脉冲积分电路积分鉴相 输出 波形幅度为单 π/4的 22倍，所以选择方案二的双 π/4脉冲积分 鉴相 进行相敏检波。 图 单 π/4脉冲积分电路原理图 、微处理器 方案论证与选择 方案一 51单片机 利用 51单片机作为整个系统的微处理器，控制 激励的产生及 整个 11 测试过程的进行。 STC89C52是低电压，高性能 CMOS 8位单片机，片内含 8kbytes的可反复擦写的 Flash只读程序存储器和 256 bytes 的随机存取数据存储器 （ RAM） ，器件采用高 密度、非易失性存储技术生产， 与标准 MCS51指令系统及 8052产品引脚兼容，片内置通用 8位中央处理器 （ CPU） 和 Flash存储单元，功能强大。 内部结构图如图 所示。 图 51单片机内 部结构图 方案二 MSP430单片机 MSP430单片机 针对实际应用需求，将多个不同功能的 模拟电路 、数字电路 模块和 微处理器 集成在一个芯片上，为各种便携式设备仪器提供“单片”解决方案。 10/12位硬件 A/D转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；由于系统运行时开启的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。 在系统中共有一种活动模式 （ AM） 和五种低功耗模式（ LPM0~LPM4）。 在实时时钟模式下，可达 A ，在 RAM保持模式下，最低可达 A， 另外， MSP430系列单片机的 中断 源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。 当系统处于省电的低功耗状态时，中断唤醒只需 5μ s。 功能强大，功耗超低。 12 虽然方案一和方案二都能完成系统所需要的功能，但 方案二内嵌AD采样器 和 PWM波输出功能 ，通过配置寄存器便能输出方波信号。 功耗超低，可用电池供电， 实现便携式设计。 综合考虑选择方案二。 硬件电路设计与参数计算 、 系统总体设计 系统总体设计框图如图。 在 MSP430单 片 机的控制下通过正弦波发生器和基准信号发生器产生测试所需要的三 组相互正交的100Hz、 1KHz、 10KHz正弦波信号， 用于相敏检波器。 正弦波作为前端测试电路的激励信号，根据 自由轴法测量 阻抗的 相关计算 ，选择是否放大基准电阻和被测电阻两端的电压，将放大到合适范围内的电压信号进行相敏检波， 然后通过 ， MSP430单片机进行 A/D采样存储经过微处理器的四则运算，即可求出最后的待测参数。 图 系统总体设计框图 、 子系统电路设计 整个系统由正弦波发生电路、基准相位信号发生电路、前置测试电路、放大电路、相敏检波 器、微处理器及 LCD显示电路构成。 MSP430单片机最小系统 正弦波发生器 相敏检波器 LCD 显示 放大电路 前置测试电路 基准相位发生电路 13 、 基准相位 信号 发生电路 基准相位信号发生电路如图 所示。 利用 MSP430G2553 单片机定时器 A 的 PWM 输出功能配置相关寄存器产生 1MHz 方波SinCLK， 经 P9 端口进入基准相位发生电路，作为 十进制计数器74LS390 的 时钟 信号。 74LS390 可实现 2 分频、 5 分频、乃至 100 分频的任何累加倍数的周期长度 ,逻辑图如图 所示。 图 74LS390 逻辑图 经过四次分频后 得到 两路成四倍关系的信号 251 SinClkf  () 1002 SinClkf  () 将 1f 作为 74HC164 移位寄存器的时钟信号而 f2作为其数据信号。 则74HC164 的相邻输出端口输出相位相差 90176。 的 正交 方波信号 0_clk 和90_clk， 分别输出频率为 10kHz、 1kHz、 100Hz 三组相互正交的方波信号。 电路中电容 C2 C2 C2 C29 是滤除芯片 74HS390 和74HC164 的电源纹波。 CLR2A1QA3B4QB5QC6QD7U8:1SN74LS390DCLR14A15QA13B12QB11QC10QD9U7:2SN54HC390JGND12P9GNDQ03Q14Q25Q36Q410Q511Q612Q713A1B2CLK8MR9U674HC164VCC0_clk90_clkSinClkVCCGNDC29104C2710uFVCCGNDC28104C2610uF 图 基准相位发生电路 14 、 正弦信号发生 电路 正弦波发生器电路如图。 将正交发生电路产生的 0_clk信号送至八阶低通滤波器 MAX293的输入端。 再通过两阶 无源 RC低通滤波器进一步滤波。 MAX293是在截止频率可控的八阶巴特沃斯滤波器。 截止频率 sf 与 MAX293时钟输入信号 SinClk 的关系为 100SinClkfs  () 采用单电源供电， V接实地，而 GND接 R31和 R32分压后得到的，构成一个虚地。 输入信号为 0_clk，当 0_clk为高电平即 5V时，经 R1 R R21构成的分压电路后输出电压为 ，而 0_clk为低电平时，输入 MAX293的电压为 ，所以最终输如到 MAX293的电压相对于 的方波。 所以当 SinClk输入方波频率为 1MHz、 100KHz、 10KHz时，对应输出的正弦波信号为 10KHz、1KHz、 1KHz。 Q Q Q Q4四个三极管工作在开关状态， MSP430单片机 可控制二阶低通 RC无源滤波器的截至频率。 以对前面得到的三种频率的正弦波进一步滤波。 后面的高通滤波器是为了滤除 50Hz市电干扰。 电容 C39到 C44都是起滤波和退偶的作用，使电源更干净，芯片工作更稳定。 用电压跟随器作为缓冲级，以加强对后面电路的驱动能力。 15 CLK1V2OP_O3OP_I4OUT5GND6V+7IN8U10MAX293SinClkGNDR2120KR1920KR2020KGND0_clkVCCR3220KR3120KVCCC38104VCCR2318KR2418KC301nC311nC33C35C34104C36104Q1 Q2 Q3 Q4GND GND GND GNDR27R28R29R3012P12GND GNDC32R26100KGND 4732out6VCCVEEU9OPA704VCCVEER2520012P11R2210KVCC123P10Header3GNDC37220uFVCCGNDC42104C4010uFVCCGNDC44104C4110uFVEEGNDC43104C3910uFV_RLC 图 正弦信号发生电路 、 前置测试电路 前置 测试电路电路图如图。 前置放大电路的作用是 测量流经被 测器件的电压 XU 及代表恒定电流大小的电压 SU。 由 TL081构成的反相比例运算电 路。 仪表运放 INA128放大待测原件上的差分电压和基准电阻上电压。 INA128内部原理图如图。 图 仪用运放 INA128内部原理图 仪用 运放输出电压 OV 与输入电压 inV 的关系为  23501 iningO VVR KV   () 档位选择由模拟开关 CD4051控制， 通过单片机控制模拟开关选择不同的档位的基准电阻进行测试，同时另一个模拟开关选择需要档位基准电阻上的电压送入仪表运放进行放大。 两个模拟开关的控制是同时进行的。 此电路的基准电阻由八个档位构成 用来改变测量量程 ，分别为 、 100Ω、 500Ω、 、 10KΩ、 50KΩ、 220KΩ、 680KΩ， 16 各个 电阻之间基本相差 5倍关系，测量电阻 XR 的范围与各当为基准电阻 R的关系为 RRRX 2552  () 这样提高了换挡的精确度，使个器件的测量 达到正确的档位上去。 R35ZxR43 4732o。