摘要本設計以msp430f149微控制器為核心，由正弦波發生、訊號電壓提公升、分壓及差分放大等功能模組組成。採用基於伏安法測阻抗的自由軸法，通過對待測阻抗zx和標準阻抗zs
兩端的電壓精確取樣計算實現了對電阻電容和電的高精度測量，同時也能對電感品質因數和電容損耗係數進行測量。
關鍵詞：msp430f149，自由軸法，測量，高精度
一、方案論證
常用的rlc引數的測量方法主要有電橋法、諧振法和伏安法三種。電橋法具有較高的測量精度，被廣泛採用，現已派生出許多態別。但電橋法測量需要反覆進行平衡調節，測量時間長，很難實現快速的自動測量。
諧振法要求較高頻率的激勵訊號，一般不容易滿足高精度的要求。由於測試頻率不固定，測試速度也很難提高。伏安法是最經典的方法，它的測量原理**於阻抗的定義。
即若已知流經被測阻抗的電流相量並測得被測阻抗兩端的電壓，則通過比率便可得到被測阻抗的相量。顯然，要實現這種方法，儀器必須能進行相量測量及除法運算。本著擴大測量量程、提高測量精度的原則，我們採用了基於伏安法測阻抗的自由軸法。
二、總體思想
自由軸法的基本思想是：待測阻抗zx和標準阻抗zs串聯，嚴格要求被測引數向量在x、y座標軸上投影準確正交，然後分別測出待測阻抗、標準阻抗兩端的向量電壓ux和us在直角座標x、y軸上的分量，最後送入微控制器經過四則運算即可求出最後結果。本設計系統框圖如圖1所示。
訊號發生電路產生的正弦波加在被測阻抗與標準阻抗上，分壓後經過差分放大電路分別得到兩阻抗上的電壓值。因為微控制器只能正確取樣0~5v之間的電壓，而輸入的訊號是正弦訊號，因此在將其送入微控制器之前進行電壓提公升，使正弦訊號任意時刻的電位均大於或是等於0。分壓後的正弦訊號送入微控制器進行正交取樣計算求得待測阻抗值，並顯示結果。
向量電壓值分兩次測量，先測量實部，然後測量虛部。即在任一時刻取樣得到訊號瞬時值u1，然後經過1/4週期（相當於相移π/2）取樣得到瞬時值u2，則可以得到
其測量向量圖如圖2所示。
以測量電容為例，建立測量rlc引數的數學模型如下：
式中，e為msp430微控制器內a/d轉換器的刻度係數，即每個數字代表的電壓值；是對應的數字量（i=1，2，3，4）。因此，座標系一旦確定，兩個向量之商即可表示為：
（1）採用標準電阻，則有：
2）將式（1）帶入式（2）中，得到：
3）被測電容引數的實部和虛部分別為：
4）則電容的損耗係數為：
5）這樣就得到了被測電容的引數。這種測量方法充分利用了微控制器的控制和計算能力，電路簡單，精度高。
被測引數rlc的具體測量公式如下表所示：
這種測量方法充分利用了微控制器的控制和計算能力，電路簡單，精度高。
三、具體設計
rlc測量儀是較為精確的測量儀器，為了保證其精度和工作效率，我們選用了msp430f49微控制器。這是ti公司的一款超低功耗的微控制器，它有靈活強大的計算處理能力和豐富的儲存器和外設，內含12位a/d轉換，使用方便。
1、自製電源電路
為了滿足系統供電需要，我們設計了直流電源。它可以由直流9v或交流9v輸入，輸出直流±12v、5v和3.3v，範圍滿足了系統所有的供電要求。其原理圖（部分）如圖5所示。
2、正弦波發生電路
從自由軸法工作原理以及上述被測引數計算公式可以看出，儀器的工作頻率直接影響測量精度。因此要求測試訊號源頻率精確度高，並且頻譜純度和幅度穩定度也要高。我們選擇用rc橋式正弦波振盪器來產生輸入正弦訊號，原理如圖3所示。
rc串並聯電路構成正反饋支路同時兼作選頻網路，r1、r2、rp和二極體等元件構成負反饋和穩幅環節。調節電位器rp可以改變負反饋深度，以滿足**的振幅條件並改善波形，利用兩個反併聯二極體vd1和vd2正向電阻的非線性特性來實現穩幅。r3的接入是為了削弱二極體非線性的影響，以減小波形失真。
3、訊號電壓提公升電路
因為微控制器只能正確取樣0~5v的電壓，故將正弦波提公升，使其任意時刻的電位均大於或是等於0。
4、分壓及差分放大電路
圖4是分壓和差分放大電路。輸入正弦測量訊號加在串聯的被測元件和標準阻抗上分壓，通過差分放大電路分別得到兩元件兩端的電壓，然後送入微控制器取樣計算。
5、頻點選擇電路
為了滿足題目要求實現分不同頻率點測量，我們設計了這個選擇電路。微控制器輸出控制訊號經74ls273、74ls07晶元鎖存和放大後輸入單8通道數字控制模擬電子開關cd4051位址端，其不同的邏輯組合驅使不同的通道開通，從而使不同頻率的待選基準正弦訊號輸出接入電路。
6、軟體部分
4、測試儀器
示波器：20mhz，雙蹤萬用表：dt830
lcr數字電橋：th2811d頻率計：cn165
5、測試結果
08電子設計大賽設計報告
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