數(shù)字式電參數(shù)測(cè)試儀論文

1、數(shù)字式電參數(shù)測(cè)試儀（H）高職高專(zhuān)武漢工程大學(xué)優(yōu)點(diǎn)與信息工程學(xué)院郵科院校區(qū) 張杰 杜俊 陳程摘要本系統(tǒng)的控制為MSP-EXP430G2單片機(jī)，8位AD轉(zhuǎn)換芯片TLC549CP是模數(shù)轉(zhuǎn)換的橋梁。本系統(tǒng)分為四個(gè)測(cè)量模式，分別可測(cè)量電壓，電流，電阻，和頻率。電壓測(cè)量范圍：100mV10V，將其分為兩個(gè)檔，分別為100mV5V，5V10V，相對(duì)誤差0.1%；電流測(cè)量范圍：100µA10mA，將其分為兩檔，分別為100uA5mA，5mA10mA，相對(duì)誤差0.2%；電阻測(cè)量范圍：1001M，將其分為四檔，分別為1001k，1k10k，10k100k，100k1M，相對(duì)誤差0.2%；頻率測(cè)量范圍：1

2、0Hz100kHz，相對(duì)誤差0.01%，最小輸入信號(hào)為50mV的正弦交流信號(hào)；系統(tǒng)工作電源可采用自制電源,具有量程自動(dòng)切換功能，整個(gè)系統(tǒng)測(cè)量模式采用按鍵選擇，有LCD顯示相應(yīng)的參數(shù)，測(cè)量及顯示刷新周期2秒。本系統(tǒng)由以上模塊構(gòu)成一臺(tái)能對(duì)電阻、電壓、電流和頻率的測(cè)量構(gòu)成一部數(shù)字式電參數(shù)測(cè)試儀。關(guān)鍵字：MSP-EXP430G2 TLC549CP LCD顯示 電參數(shù)測(cè)試儀一、 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案1.1設(shè)計(jì)思路 測(cè)量直流電流和電阻不好直接用A/D將其值測(cè)得，就將它們轉(zhuǎn)化為電壓，再來(lái)用A/D芯片來(lái)測(cè)得相應(yīng)的電壓，再由單片機(jī)計(jì)算出它們的值，通過(guò)LCD顯示出來(lái)，當(dāng)然電壓時(shí)可以直接由A/D芯片測(cè)得的，測(cè)量頻率，是

3、將一定頻率的正弦信號(hào)，通過(guò)電壓比較器，以及整形電路得到同頻率的方波，送入單片機(jī)，再通過(guò)等時(shí)間間距測(cè)脈沖數(shù)法算出原正弦信號(hào)的頻率，并將其值顯示在LCD上。由于本系統(tǒng)要測(cè)四種電參數(shù)，于是便用到了兩塊單刀八置模擬開(kāi)關(guān)CD4051，對(duì)按鍵進(jìn)行編碼，由按鍵來(lái)控制選路，具體編碼設(shè)定是，按下第一個(gè)按鍵，得到000的三位二進(jìn)制編碼，此時(shí)編號(hào)為0的一路導(dǎo)通，本次設(shè)定的是測(cè)電壓的電路導(dǎo)通，當(dāng)按下第二個(gè)按鍵，得到001的三位二進(jìn)制編碼，此時(shí)編號(hào)為1的一路導(dǎo)通，本次設(shè)定的是測(cè)電流的電路導(dǎo)通，當(dāng)按下第三個(gè)按鍵，得到010的三位二進(jìn)制編碼，此時(shí)編號(hào)為2的一路導(dǎo)通，本次設(shè)定的是測(cè)電阻的電路導(dǎo)通，當(dāng)按下第四個(gè)按鍵，得到011

4、的三位二進(jìn)制編碼，此時(shí)編號(hào)為3的一路導(dǎo)通，本次設(shè)定的是測(cè)頻率的電路導(dǎo)通，這樣便實(shí)現(xiàn)了四種測(cè)量模式的選路測(cè)量直流電壓直流電流電阻頻率直流電壓轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換A/D轉(zhuǎn)換單片機(jī)MSP430電壓比較器整形系統(tǒng)原理框圖1.2方案選擇與論證1) 電流測(cè)量方案選擇與論證:使電流流過(guò)一定值電阻，得到一個(gè)電壓，通過(guò)A/D芯片測(cè)得此電壓，將此電壓送入單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)這個(gè)電壓進(jìn)行處理，并由預(yù)先設(shè)定好的公式算出相應(yīng)的電流，并送到顯示屏將其顯示出來(lái)。此方案原理及外圍電路簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，且較為精確。2) 電壓測(cè)量方案選擇與論證: 采用直接測(cè)量法，用A/D芯片采集輸入的電壓，將此電壓送入單片機(jī)，由單片機(jī)對(duì)這個(gè)電壓進(jìn)行處理，并送到

5、顯示屏將其顯示出來(lái)。此方案原理及外圍電路簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，且較為精確。3) 電阻測(cè)量方案選擇與論證: 方案一：諧振法，采用LC組成諧振回路，將被測(cè)電感串入電路或?qū)㈦娙莶⑷牖芈分羞M(jìn)行測(cè)量。但諧振法要求較高頻率的激勵(lì)信號(hào)，一般不容易滿(mǎn)足高精度的要求。由于測(cè)試頻率不固定，測(cè)試速度也很難提高，誤差就很難達(dá)到要求。方案二：伏安法測(cè)量R,它的測(cè)量原理來(lái)源于阻抗的定義。即若已知流經(jīng)被測(cè)阻抗的電流，通過(guò)A/D將被測(cè)阻抗兩端的電壓的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)，可得被測(cè)電阻兩端的電壓，則通過(guò)歐姆定律可得到被測(cè)電阻阻值。此方法原理簡(jiǎn)單，外部硬件較少，便于操作。方案三：交流電橋測(cè)量法，交流電橋的構(gòu)造及原理均與直流惠

6、斯通電橋相同，電源使用交流電，四臂的阻抗 Z1、Z2、Z3、Z4，可以用電阻、電感、電容或其他組合，電橋平衡的條件是此條件顯示交流電橋不同于直流電橋：首先條件有兩個(gè)，因此，需要調(diào)節(jié)兩個(gè)參數(shù)才能使電橋平衡；其次，阻抗的多樣性可以組合成各具特色的電橋，但非所有電橋都能同時(shí)滿(mǎn)足達(dá)到平衡的條件。綜合比較以上三種方案，我們選擇方案二4) 頻率測(cè)量方案選擇與論證:方案一：測(cè)周期法。 測(cè)周期法是將整形后的信號(hào)送入單片機(jī)的外部中斷口（INT0、INT1），檢測(cè)到第一個(gè)下降沿開(kāi)定時(shí)器，檢測(cè)到第二個(gè)下降沿則關(guān)定時(shí)器，定時(shí)器中的時(shí)間值就是信號(hào)的周期值，由頻率計(jì)算式可得被測(cè)信號(hào)頻率f=1/T。但這種方法在檢測(cè)高頻信號(hào)

7、時(shí)有比較大的誤差，難以達(dá)到精度要求。方案二：等時(shí)間間距測(cè)脈沖數(shù)法。測(cè)脈沖數(shù)法是利用定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，在定時(shí)一定時(shí)間(T)內(nèi)記錄脈沖個(gè)數(shù)(N)，從而計(jì)算出被測(cè)信號(hào)頻率f=N/T。這種方法在高頻信號(hào)檢測(cè)中是非常適宜的，軟件設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，原理及外圍電路簡(jiǎn)單，較容易實(shí)現(xiàn)，且精度較高。方案三：準(zhǔn)周期數(shù)、定時(shí)時(shí)間可調(diào)測(cè)量法。在定時(shí)的時(shí)間中保證使檢測(cè)到脈沖數(shù)一定是整數(shù)個(gè)，彌補(bǔ)了前面方案二、三中的缺陷。方案的特色是，利用外中斷INT0的下降沿中斷溢出信號(hào)口IE0來(lái)開(kāi)啟和關(guān)閉定時(shí)的時(shí)間，同時(shí)也將信號(hào)接至計(jì)數(shù)器口，記錄下降沿脈沖數(shù)。定時(shí)時(shí)間是在檢測(cè)到外中斷INT0標(biāo)志位至1時(shí)開(kāi)啟，在定時(shí)到自然溢出Ns次后，再次等待外中

8、斷標(biāo)志位至1，然后關(guān)定時(shí)器，可得出定時(shí)時(shí)間為： 定時(shí)溢出數(shù)Ns*65536+(TH0、TL0)。此方法雖然精度很高，但是原理及外圍電路較為復(fù)雜，軟件編程及計(jì)算也較為復(fù)雜。 綜上所述，所以選用方案二。5) A/D轉(zhuǎn)換方案選擇與論證:方案一：模數(shù)轉(zhuǎn)換選用A/D0809，作為單片機(jī)輸入的采樣信號(hào)，雖然也能完成模數(shù)轉(zhuǎn)換，但是，0809芯片速率較低，轉(zhuǎn)換時(shí)間為100us左右，而且0809的最高分辨率為8位，綜合起來(lái)看，不能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的精度。方案二：TLC549是 TI公司生產(chǎn)的一種低價(jià)位、高性能的8位A/D轉(zhuǎn)換器，雖然它也是8位的，但是它是以8位開(kāi)關(guān)電容逐次逼近的方法實(shí)現(xiàn) A/D轉(zhuǎn)換，尤其它轉(zhuǎn)換速度小

9、于 17us，最大轉(zhuǎn)換速率為 40000HZ，4MHZ典型內(nèi)部系統(tǒng)時(shí)鐘，電源為 3V至 6V。它與A/D0809相比性能優(yōu)越了許多，而且它能方便地采用三線(xiàn)串行接口方式與各種微處理器連接，構(gòu)成各種廉價(jià)的測(cè)控應(yīng)用系統(tǒng)。綜上所述，所以選用方案二。6) 顯示方案選擇與論證:方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。使用多個(gè)數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示，由于顯示的內(nèi)容較多，過(guò)多增加數(shù)碼管個(gè)數(shù)顯然不可行，進(jìn)行輪流顯示則控制復(fù)雜，加上數(shù)碼管需要較多連線(xiàn)，使得電路復(fù)雜，功耗比較大。方案二：采用字符型LCD顯示?？梢燥@示英文及數(shù)字，利用FPGA來(lái)驅(qū)動(dòng)液晶顯示模塊，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，且界面美觀舒適，耗電小。綜上所述方案二采用LCD實(shí)時(shí)顯示電壓值、

10、電流值、電阻、頻率。二、單元電路設(shè)計(jì) 2.1直流電流測(cè)量電路 由于考慮到?jīng)]有可變的直流源，于是就將一個(gè)可變的電壓加到一個(gè)1k的定值電阻上，由此組成一個(gè)可變直流電流源，將電流源流過(guò)定值電阻的到一個(gè)電壓，用A/D測(cè)得這個(gè)電壓送入單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的公式計(jì)算出電流源的大小，在將計(jì)算出的電流送入LCD來(lái)顯示出來(lái)，定值電阻分為兩個(gè)1k和0.5k，由開(kāi)關(guān)來(lái)選擇，當(dāng)接入R1時(shí)，電流的測(cè)量范圍為100uA5mA，當(dāng)接入R2時(shí)，電流的測(cè)量范圍為5mA10mA，整個(gè)的測(cè)量范圍為100uA10mA，滿(mǎn)足題意。 直流電流測(cè)量電路2.2直流電壓測(cè)量電路 方法與測(cè)直流電流的方法相似，將電壓源加到定值電阻上，用A

11、/D測(cè)得定值電阻上的電壓，將其值轉(zhuǎn)化為數(shù)字的電壓送入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)此電壓信號(hào)進(jìn)行處理，再送入LCD進(jìn)行顯示。此種測(cè)量方法同樣分為兩個(gè)檔，當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，只有R2接入，此時(shí)的此時(shí)的測(cè)量范圍為100mV5V，當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，R1，R2都接入了，R1對(duì)R2分壓，此時(shí)的測(cè)量范圍為5V10V，這樣總共的測(cè)量范圍為100mV10V，滿(mǎn)足題意。直流電壓測(cè)量電路2.3電阻測(cè)量電路 測(cè)量電阻同樣用的是電壓轉(zhuǎn)化法，將電源加到兩個(gè)電阻上，前面的基準(zhǔn) 電阻對(duì)Rx進(jìn)行分壓，通過(guò)A/D測(cè)得Rx上的電壓，將其送入單片機(jī)，單片機(jī)對(duì)對(duì)這個(gè)電壓信號(hào)進(jìn)行處理，并由相應(yīng)的公式Rx=Ux*Ri/(Ucc-Ux) ， (i=1,2,3,4

12、)算出待測(cè)電阻Rx的值，再送入LCD進(jìn)行顯示。本方案共有四個(gè)檔，當(dāng)接入R1時(shí)，測(cè)量范圍是1001k，當(dāng)接入R2時(shí)，測(cè)量范圍是1k10k，但接入R3時(shí)，測(cè)量范圍是10k100k，當(dāng)接入R4時(shí)，測(cè)量范圍是100k1M。這樣便滿(mǎn)足題目的要求測(cè)量范圍是1001M。 電阻測(cè)量電路2.4 頻率測(cè)量電路 本次測(cè)量頻率才用的是等時(shí)間間距測(cè)脈沖數(shù)法。即函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入一個(gè)任意頻率（范圍在10Hz100kHz內(nèi)）的正弦信號(hào)到電壓比較器LM393，進(jìn)行比較，并通過(guò)穩(wěn)壓管和兩個(gè)非門(mén)，得到與信號(hào)源頻率相同的方波，在將這個(gè)方波送入單片機(jī)，單片機(jī)利用定時(shí)器和計(jì)數(shù)器，在定時(shí)一定時(shí)間(T)內(nèi)記錄脈沖個(gè)數(shù)(N)，從而計(jì)算出被測(cè)

13、信號(hào)頻率f=N/T。頻率測(cè)量電路2.5 A/D轉(zhuǎn)換電路 此電路中，2腳測(cè)量電壓的輸入端，5，6，7端分別于單片機(jī)相連，用來(lái)將電壓測(cè)量值送入單片機(jī)。2.6 電源電路 本次電源設(shè)計(jì)為線(xiàn)性電源，即將220V的市電通過(guò)中心抽頭變壓器降壓為低壓的交流電，再通過(guò)橋式整流，電容濾波，以及LM7805和LM7905將其分別穩(wěn)壓為+5V和-5V，用以對(duì)整個(gè)電路的各個(gè)單元進(jìn)行供電。電源電路三、 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)開(kāi)始模式選擇AD轉(zhuǎn)換LCD顯示模式選擇電壓電流電阻頻率100mv1v1v10v100uA1mA1mA10mA101K1K10K10K100K100K1M總流程圖測(cè)量模塊程序流程圖四、 測(cè)試方法與測(cè)試結(jié)果采用先分

14、別調(diào)試各個(gè)單元模塊，調(diào)試后再進(jìn)行整機(jī)調(diào)試的方法，提高調(diào)試效率。4.1 測(cè)試器件 數(shù)字萬(wàn)用表（UT51 MULTIMETER） 一臺(tái) 穩(wěn)壓電源(RXN-302D-) 一臺(tái)示波器（TDS 1012D-EDU） 一臺(tái)數(shù)字函數(shù)信號(hào)發(fā)生器(SG 1020) 一臺(tái)4.2 硬件調(diào)試 包括對(duì)MSP-EXP430G2、鍵盤(pán)和顯示電路。檢查碰線(xiàn)故障和其他硬件故障，杜絕出現(xiàn)電源短路，并測(cè)試電路的各項(xiàng)測(cè)試是否滿(mǎn)足題目的要求。同時(shí)，從硬件上適當(dāng)?shù)牟扇】垢蓴_技術(shù)，如電氣隔離。提高系統(tǒng)的可靠性。尤其對(duì)運(yùn)放電路的硬件調(diào)試要極為仔細(xì)。4.3 軟件調(diào)試 主要檢查軟件的語(yǔ)法錯(cuò)誤以及程序的邏輯結(jié)構(gòu)錯(cuò)誤。并且對(duì)各個(gè)軟件模塊進(jìn)行測(cè)試，以

15、便進(jìn)行軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試。4.4 聯(lián)機(jī)調(diào)試 在硬件和軟件調(diào)試無(wú)誤的基礎(chǔ)上，進(jìn)行軟硬件聯(lián)機(jī)調(diào)試。調(diào)試重點(diǎn)在于程序各模塊之間接口正確，并相互匹配。另外，適當(dāng)采取軟件抗干擾技術(shù)，提高系統(tǒng)抗干擾性。4.5 測(cè)試結(jié)果（表一）頻率測(cè)量頻率實(shí)際值/Hz頻率測(cè)量值/Hz測(cè)量誤差/Hz相對(duì)誤差10.00009.999800.00020.002%50.000050.00020.00020.001%100.00099.99980.00020.0002%200.000200.0030.0030 0.0015%500.000500.0040.00400.0008%1000.001000.000.0000100%5OOO.0

16、05000.010.01000.002%100000.0100000.010.01000.00001%（表二）電壓測(cè)量 電壓實(shí)際值/V電壓測(cè)量值/V測(cè)量誤差/V相對(duì)誤差0.13350.13330.00020.1498%126680.26710.00030.0236%1.14001.14040.00040.0351%2.33802.33400.00400.1710%4.65804.65800.0000100%5.00005.00040.00040.0080%5.41305.41000.00300.0554%8.66708.66400.00300.0346%（表三）電流測(cè)量電流實(shí)際值/mA電流測(cè)量

17、值/mA測(cè)量誤差/mA相對(duì)誤差0.100000.100010.0000101000%0.500000.500030.000030.006%0.800000.800040.000040.0050%1.000001.000020.000020.0020%2.000002.000070.000070.0035%4.000004.000100.000100.0025%8.000008.000080.000080.0010%10.0000010.000050.000050.0005% （表四）電阻測(cè)量電阻實(shí)際值/電阻測(cè)量值/測(cè)量誤差/相對(duì)誤差10.00010.0010.0010.1000%100.000

18、100.0040.0040.0040%1000.0001000.0100.0100.0010%10000.00010000.2000.2000.0020%100000.000100000.8000.8000.0008%1000000.0001000001.0001.0000.0001%10000000.00010000007.0007.0000.00007%100000000.000100000030.00030.0000.0004%4.6 誤差分析與改善措施 在早測(cè)量電壓時(shí)，發(fā)現(xiàn)怎么測(cè)都不對(duì)，經(jīng)過(guò)多次檢查，才發(fā)現(xiàn)是由于有一個(gè)插針焊點(diǎn)脫落了，補(bǔ)上后，還是測(cè)不出正確的數(shù)據(jù)，于是就再次檢查，經(jīng)多次檢查才發(fā)現(xiàn)是有一個(gè)腳虛焊，補(bǔ)焊以