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基于MSP430F149的RLC、頻率及相位差測量儀的設(shè)計(jì)

   2012年01月12日 15:43  
  引言
  
  目前,要在實(shí)驗(yàn)室中完成對RLC、頻率及相位差的測量,實(shí)際需要用幾個(gè)儀表,如RLC表、頻率計(jì)和相位儀,這給實(shí)際使用帶來諸多不便。而且現(xiàn)在常用的儀表一般還是傳統(tǒng)的模擬式儀表,漂移大,程控性能不好,而有些儀表功能過于單一,不能滿足實(shí)際需求。為此,本文考慮到實(shí)際的科研實(shí)驗(yàn)需要,給出了一種可同時(shí)測量RLC、頻率及相位差的測量儀的設(shè)計(jì)方法。
  
  1、系統(tǒng)組成與硬件電路設(shè)計(jì)
  
  1.1系統(tǒng)組成
  
  該儀器包括信號產(chǎn)生與接收模塊、信號的放大整形濾波處理模塊、單片機(jī)中央處理器、顯示模塊LCD12864和外部按鍵控制模塊等幾個(gè)部分,其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
  
  本系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為處理器,主要用于整個(gè)系統(tǒng)的信號采集、輸入輸出控制和數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中的信號來源有兩個(gè):一是內(nèi)部信號源產(chǎn)生的信號,二是由外部接口輸入信號。這些信號先經(jīng)放大整形電路進(jìn)行處理,并由濾波電路濾波,之后送人到單片機(jī),zui后經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算處理,并輸出顯示。
  
  1.2MSP430F149芯片簡介
  
  依據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路,該裝置選用MSP430F149作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心,MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號控制器,它具有16位RISC結(jié)構(gòu)和豐富的尋址方式,同時(shí)集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。本系統(tǒng)就是利用其內(nèi)部自帶的12位ADC來實(shí)現(xiàn)模擬信號的采集,其zui高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)382ksps,能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用要求;并且其內(nèi)部具有16位的定時(shí)器,可利用其定時(shí)器A、B的捕獲功能來捕獲一定頻率的方波信號,而且具有相當(dāng)高的精度。同時(shí),利用此功能還可以實(shí)現(xiàn)對輸入信號的頻率和周期的計(jì)算。
  
  1.3系統(tǒng)工作原理
  
  對電容、電阻進(jìn)行測量的基本原理是利用RC振蕩,具體做法是用電容三點(diǎn)式振蕩電路與555電路構(gòu)成多諧振蕩電路,并產(chǎn)生一定的頻率,然后通過測量頻率信號得出電容和電阻的信息。圖2所示是其555振蕩電路。
  
  555的內(nèi)部時(shí)基電路與電容C1及外接的電阻R1、R2構(gòu)成的無穩(wěn)態(tài)振蕩電路的振蕩頻率范圍可達(dá)0.001Hz~500kHz。當(dāng)C1的電容量或電阻值R1、R2相應(yīng)變化時(shí),555電路輸出的測量脈沖的寬度和頻率也會(huì)發(fā)生變化。其中測量電阻時(shí),可將R2替換為被測電阻,即R2=Rx,以使C1與R1處于一個(gè)一定的已知量值上,此時(shí)的輸出頻率計(jì)算公式為:
  
  測量電容時(shí),可將C1替換為被測電容,即C1=Cx,R1與R2設(shè)定為固定量值且相等,此時(shí)輸出頻率的計(jì)算公式為:
  
  由于輸出的頻率變化與外部接入的量值成比。因此,在電路中只要正確地選擇電阻的阻值與電容的容值,就可以得到適合測量所需要的脈沖寬度與脈沖頻率。
  
  電感測量主要利用電感的感抗原理。即將被測電感串聯(lián)于一定頻率的交流恒壓源中,然后測量該電感兩端的電壓,從而得出電感的感抗,即間接測出電感的電感量,其電感測量電路如圖3所示。
  
  利用圖3所示電路可由文氏電橋正弦波振蕩器產(chǎn)生一定頻率的正弦波,圖3中由運(yùn)放U8A及外圍電阻和電容構(gòu)成文氏電橋,其輸出頻率的理論值為f=1/(2πRC),在電源電壓不變的條件下,該振蕩器具有穩(wěn)定的頻率及振幅。且正弦波輸出后,經(jīng)電壓跟隨器驅(qū)動(dòng),即可作為電感表的信號源。信號源可輸出到Rx(檔位電阻)與Lx(被測電感)的串聯(lián)電路中,此時(shí)電感產(chǎn)生的感抗為:ZL=2πfL。根據(jù)分壓原理,在已知電壓和已經(jīng)選好已知值的Rx時(shí),如果測出了電感兩端的交流電壓,由于電感感抗與電感量成正比,因而就可得出電感量。該交流電壓經(jīng)U8C運(yùn)放與外圍電阻組成的放大電路放大后,再經(jīng)帶通濾波器濾波,zui后經(jīng)線性整流器整形后即可轉(zhuǎn)換為直流電壓送入單片機(jī)。單片機(jī)經(jīng)AD采樣可得到該直流電壓,再經(jīng)計(jì)算得到電感量。
  
  在電感測量時(shí),根據(jù)量程的不同可分為5個(gè)檔。將被測電感Lx接入電路中后,通過輸入電壓大小的判斷,可由單片機(jī)向模擬開關(guān)發(fā)送控制信號以選擇檔位。
  
  頻率測量可利用單片機(jī)的捕獲功能,外部輸入的信號經(jīng)過整形放大濾波分頻等處理后,可將輸出的方波信號送入單片機(jī),圖4所示是其頻率測量電路。事實(shí)上,當(dāng)一定頻率的信號從IN端輸入電路中時(shí),經(jīng)二極管限幅,再經(jīng)RC濾波,然后送入到由LM358運(yùn)放構(gòu)成的比較器中,即可輸出方波信號。該方波信號經(jīng)74HC14整形,再經(jīng)74HC393分頻,zui后可輸入到單片機(jī)中。該測量電路中利用74HC393分頻的目的在于,如果輸入信號的頻率過高,則單片機(jī)無法準(zhǔn)確快速地捕獲到該信號,因此,可通過分頻減少高頻信號的測量誤差,同時(shí)提高測量的實(shí)際可行性。
  
  相位差測量的基本原理是基于頻率信號的測量。它可將不同相位的信號整形為方波信號送入單片機(jī),這樣就可將相位差的測量轉(zhuǎn)變?yōu)榍蠓讲ǖ拿}寬,圖5所示是其相位差測量電路。該電路將兩路信號輸入到電路接入端,再分別經(jīng)限幅、濾波和整形處理,然后將得到的兩路方波信號各自輸入到單片機(jī)的兩個(gè)捕獲端口。
  
  之后,在單片機(jī)中經(jīng)過計(jì)算,即可得到脈寬以及周期,zui終得到兩個(gè)周期穩(wěn)定的模擬輸入信號之間的相位差。圖6所示是其相位差波形圖。
  
  在圖6中的兩路相位不同的方波信號中,T1為信號1的上升沿到來時(shí)的時(shí)刻,T2為信號2上升沿到來時(shí)的時(shí)刻,如果可同時(shí)得到方波信號的周期T,則它們之間的相位差的理論計(jì)算公式為
  
  這樣,只需要得到這兩路信號的上升沿時(shí)刻及其周期,便可計(jì)算出它們的相位差。
  
  2、軟件設(shè)計(jì)
  
  2.1主程序設(shè)計(jì)
  
  本系統(tǒng)的主程序流程圖如圖7所示。本系統(tǒng)的主程序主要完成對時(shí)序的初始化及對顯示界面的初始化,其中初始化包括對單片機(jī)的初始化和對接口芯片的初始化。首先是對單片機(jī)進(jìn)行初始化,以設(shè)置時(shí)鐘和必要的標(biāo)志位以及變量初值;接著對顯示器初始化,設(shè)置數(shù)據(jù)、地址傳輸端口;然后將按鍵選擇程序開啟,主要設(shè)置按鍵任務(wù);zui后對時(shí)鐘A、B以及A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行初始化,設(shè)置必要的控制字和開中斷。
  
  2.2定時(shí)器中斷子程序設(shè)計(jì)
  
  本系統(tǒng)的定時(shí)器A、B中斷子程序如圖8所示。在該系統(tǒng)中,定時(shí)器A、B主要用來捕獲方波以及定時(shí)。當(dāng)中斷開啟時(shí),應(yīng)先判斷中斷請求
  
  寄存器TXIV的值,以判斷該中斷是由捕獲引起還是由計(jì)數(shù)溢出引起,然后計(jì)算得到的頻率值,并在預(yù)處理后返回到主程序中。
  
  本系統(tǒng)中,對RC、頻率以及相位差的測量都要利用單片機(jī)定時(shí)器的捕獲功能來獲取頻率值。圖9所示是頻率捕獲波形圖。事實(shí)上,要獲得方波信號的頻率值,首先要在主程序中設(shè)置好時(shí)鐘與定時(shí)器控制寄存器,然后開定時(shí)器中斷程序。中斷開啟以后,定時(shí)器開始計(jì)數(shù),當(dāng)接收到方波的上升沿時(shí),可存儲該時(shí)刻的計(jì)數(shù)初值B,待下一次上升沿到來時(shí),再存儲該時(shí)刻的計(jì)數(shù)C,兩次上升沿時(shí)刻之間的差值便是方波的周期。接著,經(jīng)過短暫延時(shí)后重新測量,如此循環(huán)測量并計(jì)算zui終結(jié)果。如果在兩次上升沿捕獲的過程中,計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值CCRx發(fā)生了溢出,則需要在中斷程序中設(shè)置溢出次數(shù)變量Y,以在計(jì)算周期時(shí)將溢出值計(jì)算在內(nèi)。每次捕獲后得到的方波周期為:
  
  3、結(jié)束語
  
  本文利用MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)的RLC、頻率及相位差的測量儀,經(jīng)測試證明,各項(xiàng)指標(biāo)均可達(dá)到設(shè)計(jì)要求,并且具有精度高、體積小、性能穩(wěn)定和操作簡便等特點(diǎn)。

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