基于MSP430單片機(jī)的智能阻抗測量儀設(shè)計(jì)

2．1 系統(tǒng)主控制MCU模塊
儀器的控制核心采用MSP430F4617單片機(jī)，該芯片有2個(gè)16位定時(shí)模塊單元，多路12位A／D采樣轉(zhuǎn)換模塊，12位D／A轉(zhuǎn)換模塊，多路時(shí)鐘系統(tǒng)，存儲容量大，數(shù)量多的I／O口，在整個(gè)系統(tǒng)中是利用率比較高的器件。在系統(tǒng)測量過程中，首先用于分析測量數(shù)據(jù)，根據(jù)測量值與沒定參數(shù)比較，然后再反饋給控制測量模塊選擇合適R0達(dá)到最佳測量狀態(tài)。根據(jù)初步測量結(jié)果反饋控制函數(shù)發(fā)生器以及內(nèi)部定時(shí)器選擇合適函數(shù)頻率，進(jìn)行精確的測量，最終控制液晶顯示器將測量的元件的電學(xué)特性RLC值輸出顯示。
2．2 FPGA數(shù)字信號處理模塊
FPGA芯片采用XC3S200A芯片，系統(tǒng)中高速A／D采樣芯片工作頻率較高它的控制時(shí)鐘以及采樣時(shí)序主要由FPGA控制產(chǎn)生，同時(shí)利用FPGA處理數(shù)字信號速度快的特點(diǎn)對圖3兩路信號V0，Vx進(jìn)行FFT運(yùn)算分離出實(shí)部虛部信息，并將數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)。
2．3 A／D采樣模塊
為了減小圖3中2個(gè)模擬輸入信號V0，Vx的相位誤差，系統(tǒng)采用AD7862高速、低功耗、雙核12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)芯片進(jìn)行采樣。該器件內(nèi)置2個(gè)4μs逐次逼近型A／D轉(zhuǎn)換器、兩個(gè)采樣保持放大器、一個(gè)2．5 V內(nèi)部基準(zhǔn)電壓源和一個(gè)高速并行接口，它有4個(gè)模擬輸入組成2個(gè)通道A和B(分別用于采樣V0、Vx信號)，每個(gè)通道的兩個(gè)輸入(VA1與VA2或VB1與VB2)可同時(shí)進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換，通過A0(FPGA控制)作為輸入選擇通道，采樣時(shí)序由FPGA提供。
2．4 單端轉(zhuǎn)差分電路
后級A／D采樣電路需要在差分輸入狀態(tài)下達(dá)到最佳采樣精度，所以需要將前級測量模塊產(chǎn)生的V0，Vx差分化預(yù)處理，這里采用全差動(dòng)運(yùn)算放大器THS4503進(jìn)行轉(zhuǎn)換，THS4503具有非常卓越的線性度，輸出模式可調(diào)，電壓工作范圍寬(5V，5V，12V，15V)工作帶寬可達(dá)370MHz，轉(zhuǎn)換速度極快達(dá)到2 800 V／s。另外，還需要REF2330芯片為THS4503以及A／D采樣模塊提供基準(zhǔn)電壓。
2．5 測量模塊
測量模塊是待測元件與標(biāo)準(zhǔn)R0分壓部分，主要包括減法電路求Vx、減法求V0電路以及標(biāo)準(zhǔn)電阻R0選擇電路，如圖4所示。由于圖2中的Vx不便直接測量，所以通過減法電路來求Vx。當(dāng)圖4減法電路求得Vx的同時(shí)，也引入了新的環(huán)境變量，因此，使V0也通過相同的電路環(huán)境以減小系統(tǒng)誤差?？梢苑治龅贸?，當(dāng)圖1中Vx／V0為1：1時(shí)測量精度最高，所以需要調(diào)整R0與待測元件的分壓接近1：1來保證測量精度。標(biāo)準(zhǔn)電阻R0
由MSP430單片機(jī)控制的模擬開關(guān)CD4051進(jìn)行軟件選擇。

2．6 函數(shù)發(fā)生器模塊
在圖1測量原理中，測量是工作在正弦信號的條件下，要保證測量的精度，測量頻率必須保證相當(dāng)穩(wěn)定。所以，利用晶體振蕩器振蕩頻率穩(wěn)定性高的特點(diǎn)來獲得測量頻率將很好的保證我們測量的穩(wěn)定性。同時(shí)利用單片機(jī)定時(shí)器分頻晶振產(chǎn)生的頻率，可以獲得頻率穩(wěn)定性高的各種頻率。單片機(jī)的定時(shí)器輸出為方波信號，要獲得正弦信號，需要對方波信號進(jìn)行濾波，將方波的中心頻率信號濾出并保證相當(dāng)?shù)男盘枏?qiáng)度，因此需要設(shè)計(jì)一款性能良好的濾波器。此外，設(shè)計(jì)的濾波器必須有較高的Q值以提高選頻特性。其電路原理如圖5所示。