1、 那么，在倍增型可用式（1）表示，同步式可用式（2）表示： （1） （2） 如果相差900输出为0，如果是输入信号，桥式电路中另一个指定信号是参考信号，相敏计输出为0，这将意味着和指定电压相位差900,表明是半平衡状态。 在两个指定电压下，能够获得两个独立的半平衡。达到平衡时所测得的数据和用来计算未知参数根据被测阻抗的特性按照以下分析可以得到两种平衡。图1.1 测量阻抗的电桥电路和电感阻抗半平衡向量图1.2.2 利用NE555芯片和电容电感组成的震荡电路测量原理 该方法是利用NE555芯片和电容电感构成震荡电路，把较难测量的物理量转变成精度较高且较容易测量的物理量。把电子元件的集中参数R、L、
2、C转换成频率信号f，然后利用单片机计数后在运算求出R、L、C的值，并送显示，转换的原理分别是RC震荡和LC三点式震荡。这种转换就是把模拟量转换为数字量，频率f是单片机很容易处理的数字量，这种数字化处理一方面便于使仪表实现智能化，另一方面也避免了由指针读数引起的误差。缺点是，外围电路较复杂，并且测量范围有限。1.2.3 利用运算放大器LM311及外围组成的震荡电路测量原理 该电路外围电路简单，工作稳定可靠，LM311输出的方波波形整齐稳定，方便单片机或者计数器的测量。LM311和电容电感配合组成的震荡电路最高震荡频率可达4MHz，所以可以测量很宽范围内的电容值和电感值。该方案原理图如图1.2所示
3、：图1.2 LM311和电容电感组成的震荡电路经过仔细比较和优化，本系统最终决定采用LM311和电容电感组成振荡电路的方法来进行电容电感，然后通过单片机和计数器组成的频率测量电路最终计算出电容值和电感值。选择该方案的原因是由于该方案可行性比较高，外围电路难度适中，测量范围宽，系统总体功耗较低，可以满足本次设计要求。1.3 本系统实现的的功能和指标本次设计的题目源于2010年四川省TI杯模拟及模数混合电子设计竞赛题目的A题。这是一个综合性挺强的题目，主要考察学生的数模混合电路的设计。在此基础上稍加改动，既满足了毕业设计的难度要求，又符合自己的兴趣爱好。原题的要求如下：（1）测量电阻范围：1001
4、M，测量精度：；（2）测量电容范围：100pF10000 pF，测量精度：（3）测量电感范围：100H10mH，测量精度：（4）使用键来设置测量的种类和单位，并显示；（5）自制电源。本次设计中扩展了题目中要求的范围， 并且还增加了良好的人机交互界面。按键控制、12864宽屏液晶显示测量结果，操作简便，一目了然。扩展后的范围如下：11M，测量精度：10pF100000 pF，测量精度：30H500mH，测量精度：2 系统设计和分析2.1 简易电阻、电容电感测量仪的原理本系统的基本工作原理是将电阻，电容，电感的变化量最终变成脉冲波频率的变化量，通过单片机和由数字芯片搭建的计数器电路可以很方便的计算
5、出脉冲波的频率，确定频率之后可以通过相应的公式计算出各个器件的参数。系统可以分为三部分：即电阻测量部分、电容测量部分、电感测量部分。每个部分对应一块模拟电路，实现了相应元件的参数转换为脉冲波频率的变化。电阻测量的核心芯片是ADVFC32，该芯片功能是将电压的变化转换为随电压线性变化的频率的变化。电感测量电路的核心是LC震荡电路，电路由已知电容和被测电感组成震荡回路，产生频率随被测电感值变化的正弦波。电容测量电路和电感测量电路原理一样，只是将已知电容换成已知电感，被测电容和已知电感构成震荡回路。2.2 简易电阻、电容电感测量仪的系统分析 简易电阻、电容电感测量仪系统主要包括电阻值到方波脉冲频率的
6、转换，电容值到方波脉冲频率的转换，电感值到方波脉冲频率的转换。转换后的各路方波脉冲经过继电器选择后进入24位二进制计数器模块，在单片机定时器的控制下，计算出检测到方波脉冲的频率。得到频率值后，单片机根据相应元器件参数的计算公式计算出元器件的参数并且在12864宽屏液晶上面显示出结果。 系统一开机12864液晶显示提示信息，提示用户选择需要测量的元件，选择后继电器会跳动，选择相应的测量档位，然后系统进入等待状态中。当用户插入需要测量的元件之后系统会在1s内测出元器件的所有参数，并且在液晶屏上显示出来，完成自动量程转换。 经过分析，该系统的重点和难点在于测量电路的精确性和稳定性，测量精度完全取决于
7、测量电路的特性，所以我们决定使用标准精密电阻电容作为标称元件，用它们和实际待测元件进行对比计算，从而得到被测元件的实际值。2.3 简易电阻、电容电感测量仪的系统框图本设计的原理框图如下图2.1所示，系统以MSP430F149单片机为控制核心，按键和12864液晶实现了人机交互。图2.1系统原理框图3 系统的控制部分及人机交互处理3.1 MSP430F149单片机3.1.1 MSP430F149单片机简介TI公司的MSP430系列是一个特别强调超低功耗的单片机品种，很适合使用于采用电池供电的长时间工作场合。在这个系列中有很多型号，它们是由一些基本功能模块按不同的使用目标组合而成。MSP430系列
8、的CPU采用16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率。它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6us。其中MSP430x41x系列微控制器设计有一个16位定时器，一个比较器，96段LCD驱动器和48个通用I/O引脚。典型使用：捕获传感器的模拟信号转换为数据加以处理后发送到主机。其中芯片中的比较器和定时器是工业仪表、计数装置和手持式仪表等产品设计中的理想选择。该系列的单片机的特点如下所述：（1） 低电压范围：1.8V3.6V（2） 超低功耗：活动模式电流为225uA，待机模式电流为0.8uA, 掉电模式（RAM数据保持）电流为0.1
9、uA（3） 五种省电模式（4） 从待机模式到唤醒模式响应时间不超过6us（5） 频率锁相环PLL+（6） 16位精简指令系统，指令周期125ns（7） 带有三个捕获/比较寄存器的16位定时器（8） 集成96段LCD驱动器（9） 片内比较器（10） 串行在线可编程，无需提供外部编程电压。（11） 采用保险熔丝的可编程代码保护措施（12） 闪烁存储器，器件具有bootstrap程序装载器（13） 64脚QFP封装形式3.1.2 MSP430F149单片机主要功能部件CPU: MSP430F149单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430F149的
10、内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430F149的实时处理能力。存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问总是以字节形式取得代码，而对数据可以用字或者字节方式访问。外围模块：经过MAB、MADB、中断服务及请求线和CPU相连。MSP430F149包含：时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0/1、模数转换、端口、基本定时器、DMA控制器。图3.1所示为MSP430F149单片机的内部结构框图，图3.2所示为M
11、SP430F149单片机的芯片管脚图。图3.1 MSP430F149内部结构框图图3.2 MSP430F149芯片管脚图3.2 MSP430F149单片机最小系统简介MSP430F149单片机的最小系统原理图主要包括电源电路，I/O接口电路，MAX232串口通信电路，并口调试电路，单片机复位电路，时钟电路。3.2.1 单片机的最小系统的电源电路 电源电路以三端稳压芯片ASM1117-3.3为核心，将输入的5V电压稳定到3.3V供单片机及外围芯片使用。该电路最终产生两路电压，一路为模拟电路供电，一路为数字电路供电。模拟地和数字地需要用零欧电阻或者电感隔开以防止两边电路互相干扰。图3.3所示电路即
12、为MSP430F149单片机最小系统电源电路。图3.3单片机的最小系统电源电路 3.2.2 串口通信电路该电路的主要功能是实现TTL电平和电脑RS232之间的转换。单片机通用的TTL电平标准规定：大于2.4V为高电平，小于0.4V为低电平，而电脑上RS232电平标准是：+10V到+15V表示逻辑0，-10V到-15V表示逻辑1。所以要想实现单片机和电脑通信，就必须使用电平转换芯片MAX232或者其他电平转换芯片，实现电脑和单片机之间高低电平的统一。图3.4即为MSP430F149单片机的电平转换电路，有了该电路就可以实现单片机和电脑串口的通信，最终实现利用电脑远程控制系统的目的。图3.4 MA
13、X232串口通信电路3.2.3 复位电路 复位电路的作用是实现单片机的异步复位，当单片机程序运行时发生死机，或者系统需要重启时，可以按下复位按键，单片机复位后PC指针将指向程序最开始的地方。单片机要想实现复位，就必须在复位端口上持续10ms以上的低电平，所以该复位电路中使用了一个0.1uf的电容实现了上电复位的目的。上电后，电容充电需要一段时间，电容充电时，电容和单片机复位管脚相连的地方电压缓慢上升，只要保持10ms的低电平时间就实现了单片机的上电复位。图3.5为MSP430F149单片机最小系统的复位电路原理图：图3.5 异步复位电路3.2.4 时钟电路时钟电路是协调整个系统同步运行的重要电
14、路，时钟电路的稳定性决定了单片机工作的稳定度。MSP430F149单片机外围配备了两个无源晶振，一个8MHz，一个32768Hz。单片机内部有PLL锁相环电路，可以实现时钟倍频。图3.6所示为时钟电路原理图：图3.6 时钟电路3.2.5 并口调试电路 MSP430F149单片机支持并口在线调试，通过并口调试可以很方便的实现单片机单步运行，全速运行，断点调试等，并且可以观察到各个变量及寄存器的具体数值。支持在线调试可以大大缩短了开发周期，易于查错。图3.7所示即为并口调试接口电路：图3.7 并口调试接口电路3.3 12864液晶显示器3.3.1 12864液晶简介HS12864-15系列中文图形
15、液晶模块的特性主要由其控制器ST7920决定。ST7920同时作为控制器和驱动器，它可提供33路com输出和64路seg输出。在驱动器ST7921的配合下，最多可以驱动25632点阵液晶。图3.8所示为12864液晶原理简图图3.8 128HS12864-15系列产品硬件特性如下：（1） 提供8位，4位并行接口及串行接口可选（2） 并行接口适配M6800时序（3） 自动电源启动复位功能（4） 内部自建振荡源（5） 6416位字符显示RAM（DDRAM最多16字符4行），LCD显示范围162行）（6） 2M位中文字型ROM（CGROM），总共提供8192个中文字型（1616）（7） 16K位半字
16、宽字型ROM（HCGROM），总共提供126个西文字型（168）（8） 6416位字符产生RAM（CGRAM）HS12864-15系列产品软件特性如下：（1） 文字和图形混合显示功能（2） 画面清除功能（3） 光标归位功能（4） 显示开/关功能（5） 光标显示/隐藏功能（6） 显示字体闪烁功能（7） 光标移位功能（8） 显示移位功能（9） 垂直画面旋转功能（10） 反白显示功能（11） 休眠模式液晶屏和MSP430F149单片机的连接电路如图3.9所示：图3.9 12864液晶和单片机连接电路3.3.2 12864时序图图3.10所示为8位并口写操作时序图，图3.5所示为8位并口读操作时序图，
17、图3.11所示为串口时序图，图3.12所示为串口时序图：图3.10 8位并口写操作时序图图3.11 8位并口读操作时序图图3.12 串口时序图3.4 键盘原理简介键盘是人机交互的重要组成部分，通过按键可以选择需要测量的对象，设置系统参数等。和按键相连的单片机端口都用一个10K电阻拉高，可以保证在没有按键按下时单片机端口有稳定的电平。没有按键按下时端口保持高电平，当按下按键时， 端口跳为低电平，可以被单片机检测到。按键原理图如图3.13所示：图3.13 按键原理图3.5 频率计数器工作原理3.5.1 计数器电路介绍计数器是用三片8位的2进制计数器芯片74LS393级联组成，共24位，也就是说最大
18、计数值可以到16777216。而单片机自带的计数器只有16位，最大计数值为65536，当外部信号频率上兆之后，计数误差会变大，或者根本接收不到这么高频率的信号。74LS393芯片最大工作频率可以到达35MHz，完全满足本系统的需求，而且使用外部计数器可以大大降低单片机的工作负担，增加工作效率。3.5.2 74LS393功能及特点 74LS393是一个双4位二进制计数器（异步清零）。其主要电器特性的典型值如图3.14所示：图3.14 74LS393电器特性74LS393管脚图及真值表如图3.15和图3.16所示：图3.15 74LS393管脚图图3.16 74LS393真值表3.5.3 计数器原
19、理图 计数器是用三个74LS393芯片级联成24位二进制计数器，所有清零端接在一起并和单片机一个I/O端口相连，方便软件复位计数器。24个并行输出端口连接单片机的24个I/O端口，单片机可以直接读取这些端口值，经过简单运算可以方便的计算出计数值。原理图如图3.17所示：图3.17 24位计数器原理图4 模拟电路设计正如之前所说的一样，检测仪的测量精度是最重要的，然而检测仪的测量精度完全取决于硬件电路的特性。所以对硬件电路需要如下要求：（1）电路可靠性要高，应不随温度或者外界磁场的影响而改变（2）配备的标定元件需要有极高的稳定性和精度，它们的精度将直接影响待测元件的精度（3）LC震荡回路需远离继
20、电器或者变压器等强磁场元件，最好加入磁屏蔽盒以保证震荡出的波形或者频率不受到干扰（4）由于本系统中需要一些高精度运放实现信号处理和放大，所以系统供电电源必须稳定可靠，直流纹波需小于8mV（）单片机时钟电路必须稳定，因为在做精确测频时会用到定时器做精确定时以上这些要求是保证测量精确度的前提，下面将详细介绍测量电路的原理及组成部分。4.1 电阻测量电路4.1.1 电阻测量原理介绍由于电阻范围较广，常用电阻的范围是1-10M，所以采用通常的恒流源的办法至少需要六个档位的切换才能满足该范围的要求。如果再使用自动换挡功能的话，这无疑会使硬件电路规模大增，而且系统的功耗也会增加。在此，我们使用了一片ADV
21、FC32芯片，利用精密电阻搭成的电阻网络将被测电阻阻值的变化量变成0-10（V）的电压变化，该电压经过运算放大器OP07跟随后接入ADVFC32的电压控制端，ADVFC32会输出一个频率随控制电压线性变化的脉冲波，脉冲波频率的范围是0-38（KHz）。最后通过计数器和单片机计算出具体频率值，根据ADVFC32的输入电压和输出频率之间的线性关系还有精密电阻分压比可以求出待测电阻的阻值。4.1.2 电阻的计算方法及简单原理图图4.1 电阻测量简易原理图图4.1所示电路为电阻测量简易原理图由原理图可以看出，被测电阻和已知电阻是串联关系，当发生改变时，两端电压就会发生变化。把经过OP07运算放大器跟随
22、后直接输入到压频变换芯片ADVFC32的电压控制端，然后ADVFC32频率输出端会产生频率和输入电压呈线性关系的方波脉冲，可以通过频率计数器和单片机得到。相关计算如下： （1） 其中是已知电压， （2） 其中10是ADVFC32电压控制端的电压满刻度值，38000是满电压值对应的输出频率满刻度值。由（1）式和（2）式可知，只要知道，便可以求出被测电阻的值。4.1.3 电阻测量电路完整原理图图4.2所示电路为电阻测量电路完整原理图：图4.2 电阻测量电路完整原理图4.1.4 ADVFC32原理简介ADVFC32是一个低功耗压频转换芯片，可以完成电压到频率转换或者频率到电压的转换。具有良好的线性度
23、，工作频率可达500KHz。输入正电压或者负电压就可以转换输出相应比例的频率，这个过程只需要很少的外围电路就可以完成。用相同的外围电路亦可以完成频率到电压的转换，加入一个简单的偏置网络就可以调节输入逻辑电平的范围。图4.3所示为ADVFC32芯片的管脚图，图4.4所示为ADVFC32芯片的外围电路：图4.3 ADVFC32管脚图图4.4 ADVFC32外围电路4.1.5 ADVFC32输入方波脉冲的特点ADVFC32输出方波脉冲的最大频率由图4.4所示中的C1决定，最大输出频率可达500KHz，C1也决定了方波脉冲的高电平宽度。图4.5所示是用示波器测出来ADVFC32的实际输出波形图4.5
24、ADVFC32实际输出的波形图4.2 电容、电感测量电路4.2.1 电容、电感测量原理介绍电容和电感会构成震荡电路，而震荡频率只和电容值和电感值有关，它们之间的关系为：利用这个公式，只需令L已知，通过测量F就可以求出C的值，令C已知，通过测量F就可以求出L的值，所以在这个电路中我们使用了两个精密电感和两个精密聚苯乙烯电容。两个精密电感分别作为电容测量电路的高量程和低量程，两个精密电容分别作为电感测量电路的高量程和低量程。 由标称元件和对应的待测元件组成的振荡回路会震荡出频率稳定的正弦波，该正弦波经过放大器和比较器之后会产生相应频率的方波脉冲。接下来通过单片机和计数器就可以实现对电容、电感元件的
25、测量任务。4.2.2 LM311功能和原理简介LM311是一个高灵敏性的电压比较器，能工作于5V到30V单个电源或者15V分离电源，和通常用的运算放大器一样，LM311成为一种真正通用的电压比较器。该设备的输入可以是和系统隔离的，而输出则可以驱动以GND为参考或者以Vcc为参考的负载。此灵活性使之可以驱动DTL、RTL、TTL或者MOS逻辑。在电流50mA时，该输出还可以把电压切换到50V。因此LM311可以用于驱动继电器，灯或者螺线管。图4.6所示为LM311芯片的管脚图：图4.6 LM311芯片管脚图4.2.3 电容、电感测量电路的完整原理图图4.7所示为电容电感测量电路的完整原理图，图4
26、.8所示为电容电感测量电路测量时产生的方波脉冲波形图，该方波脉冲可以可靠地触发计数器，完成频率计数。图4.7 电容、电感测量电路完整原理图图4.8 电容、电感测量电路输出的方波脉冲4.3 系统电源电路设计4.3.1 电源电路的基本要求本系统中使用了LM311，OP07等运算放大器构成了放大电路和跟随电路。由于运算放大器对电源的要求比较高，所以电源质量的好坏会直接影响电路的工作的稳定性。本系统中用到的电源共有5，12，15，我们选择了线性三端稳压芯片7805/7905、7812、7815/7915来构成电源电路核心。首先通过一个30W的变压器将220V市电变成20V的交流电，经过整流桥和滤波电容
27、之后变成两路18V的直流电，一路18V，一路18V。这两路电压分别通过稳压芯片之后就得到了我们需要的几路电压。稳压芯片之后还需要加电容电感来构成滤波电路，这个滤波电路很重要，必须将输出的直流电压中交流纹波滤除到8mV以下才能保证运算放大器和其他模拟芯片的正常工作。其次，焊接和布线对电源质量也有很大关系。焊接导线时需保持焊点光滑，不能有毛刺，特别是稳压芯片管脚上的焊点，有时候焊点的毛刺会带来很大的纹波干扰。布线时，尽量避免粗导线交叉，不同电源之间的导线应留有一定距离，尽量将线间干扰降到最低。4.3.2 三端稳压芯片功能简介X78XX系列是三端正电源稳压电路，它的封装形式为T0-220。它有一系列
28、固定的电压输出，使用非常的广泛。每种类型由于内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏。如果能够提供足够的散热片，它们就能够提供大于1.5A的输出电流。虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能够获得各种不同的电压和电流。图4.9所示为X78XX的内部框图：图4.9 三端稳压芯片X78XX的内部框图79XX系列集成稳压器是常用的固定负电压输出的三端集成稳压器，除输入电压和输出电压均为负值外，其他参数和特点和78XX系列集成稳压器相同。79XX系列集成稳压器的三个引脚为：1脚为接地端，2脚为输入端，3脚为输出端。79XX系列集成稳压器的使用电路也很简单。同时运用78XX和79XX稳压器，可以组成正、负对称输出的稳压电路。图4.10所示为79XX内部结构图：图4.10 三端稳压芯片79XX的内部框图4.3.3 本系统利用三端稳压芯片所设计的电源电路原理图 图4.11所示电路为本系统自制电源的原理图，该电路可以实现输出5V，12V，15V电压的功能。图4.11 本系统自制电源的原理图5 软件设计5.1 中断程序流程图5.2 主程序流程图6 系统测试6.1 数据测试6.1.1 测量工具及方法 测试工具包括：数字万用表，数字电桥，示波器等。测量时，先将待测元件用标准工具比如数字万用表等测量出来，然后用本系统进行测量，最后计算出误差
