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1、摘要：本系统利用TI公司的16位超低功耗单片机MSP430F149和ICL8038精密函数发生器实现对电感参数的测量。本系统以自制电源作为LRC数字电桥和各个主要控制芯片的输入电源，并采用ICL8038芯片产生高精度的正弦波信号流经待测的电感和标准电阻的串联电路，通过测量电感和标准电阻各自的电压，利用电压比例计算的方法推算出电感值。利用MSP430F149单片机控制测量和计算结果，运用自校准电路提高测量精度，同时用差压法，消除了电源波动对结果的影响。测量结果采用12864液晶模块实时显示。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。关键词：LRC数字电桥、电压比例法、液晶模块、MSP430F
2、149、电感测量目录1、课程设计目的- 1 -2、课程设计内容和要求 - 4 - 2.1、设计内容- 4 -2.2、设计要求- 4 -3、设计方案- 6 -3.1、设计思路- 6 -3.2、工作原理及硬件框图- 9 -3.3、硬件电路原理图- 12 -3.4、PCB版图设计- 12 -3.5、电器检验结果如下- 13 -4、课程设计总结- 15 -5、参考文献- 18 -1、课程设计目的和意义1.1、设计目的 掌握电子电路的一般设计方法和设计流程； 学习使用PROTEL软件绘制电路原理图及印刷板图； 掌握应用EWB对所设计的电路进行仿真，通过仿真结果验证设计的正确性。1.2、电感测试仪的发展历
3、史及研究现状当今电子测试领域，电感的测量已经在测量技术和产品研发中应用的十分广泛。电感测试发展已经很久，方法众多，常用测量方法如下。电感测量可依据交流电桥法，这种测量方法虽然能较准确的测量电感但交流电桥的平衡过程复杂，而且通过测量Q值确定电感的方法误差较大，所以电感的数字化测量常采用时间常数发和同步分离法。在我国1997年05月21日中国航空工业总公司研究出一种电感在线测量方法及装置等电位隔离方法，用于对在线的电感元件实行等电位隔离。中国本土测量仪器设备发展的主要瓶颈。尽管本土测试测量产业得到了快速发展，但客观地说中国开发测试测量仪器还普遍比较落后。每当提起中国测试仪器落后的原因，就会有许多不
4、同的说法，诸如精度不高，外观不好，可靠性差等。实际上，这些都还是表面现象，真正影响中国测量仪器发展的瓶颈为：1.测试在整个产品流程中的地位偏低。由于人们的传统观念的影响，在产品的制造流程中，研发始终处于核心位置，而测试则处于从属和辅助位置。关于这一点，在几乎所有的研究机构部门配置上即可窥其一斑。这种错误观念上的原因，造成整个社会对测试的重视度不够，从而造成测试仪器方面人才的严重匮乏，造成相关的基础科学研究比较薄弱，这是中国测量仪器发展的一个主要瓶颈。实际上，即便是研发队伍本身，对测试的重视度以及对仪器本身的研究也明显不够。2.面向应用和现代市场营销模式还没有真正建立起来。本土仪器设备厂商只是重
5、研发，重视生产，重视狭义的市场，还没有建立起一套完整的现代营销体系和面向应用的研发模式。传统的营销模式在计划经济年代里发挥过很大作用，但无法满足目前整体解方案流行年代的需求。所以，为了快速缩小与国外先进公司之间的差距，国内仪器研发企业应加速实现从面向仿制的研发向面向应用的研发的过渡。特别是随着国内应用需求的快速增长，为一过渡提供了根本动力，应该利用这些动力，跟踪应用技术的快速发展。3.缺乏标准件的材料配套体系。由于历史的原因，中国仪器配套行业的企业多为良莠不齐的小型企业，标准化的研究也没有跟上需求的快速发展，从而导致仪器的材料配套行业的技术水平较低。虽然目前已有较大的改观，但距离整个产业的要求
6、还有一定距离。所以，还应把标准化和模块化的研究放到重要的位置。还有，在技术水平没有达到的条件下，一味地追求精度或追求高指标，而没有处理好与稳定性之间的关系。上述这些都是制约本土仪器发展的因素。近年来我国测量仪器的可靠性和稳定性问题得到了很多方面的重视，状况有了很大改观。测试仪器行业目前已经越过低谷阶段，重新回到了快速发展的轨道，尤其最近几年，中国本土仪器取得了长足的进步，特别是通用电子测量设备研发方面，与国外先进产品的差距正在快速缩小，对国外电子仪器巨头的垄断造成了一定的冲击。随着模块化和虚拟技术的发展，为中国的测试测量仪器行业带来了新的契机，加上各级政府日益重视，以及中国自主应用标准研究的快
7、速进展，都在为该产业提供前所未有的动力和机遇。从中国电子信息产业统计年鉴中可以看出，中国的测试测量仪器每年都以超过30%以上的速度在快速增长。在此快速增长的过程中，无疑催生出了许多测试行业新创企业，也催生出了一批批可靠性和稳定性较高的产品。2、课程设计内容和要求2.1、设计内容设计一数字显示的电感测量仪，测量范围为10uH10mH。2.2、设计要求（1）、采用单片机或FPGA/CPLD作为控制芯片；（2）、整理设计内容，编写设计说明书。（3）、资料收集，写出综述，电路原理分析；（4）、写出测量的数据，并对所测得的数据进行分析。频率电感器测试与显示直流电源（5）、能独立完成课程设计（论文）课题所
8、规定的各项任务，具有一定的综合分析问题和解决问题的能力，在课程设计（论文）成果中能表现出某些自己的见解。（6）、课程设计（论文）说明书齐备，内容正确，概念清楚，条理分明，文章通顺，书写工整，图纸齐全，符合现行标准规定。3、设计方案3.1、设计思路此数字电感测量仪的设计流程图如图所示：测量信号产生电路 （正弦波） 待测元件与基准电阻分压电路仪用差分式放大电路（增益可控）25V的电位提升电 路PIC单片机控制系 统输出图3.111. 测量范围基本测量范围：电感100H10mH。发挥测量范围：电感50H1H。2.测量精度基本测量精度：电感5%。发挥测量精度：电感8%。3. 利用128*64液晶显示器
9、，显示测量数值、类型和单位。4. 自制电源 使用按键来设置测量的种类和单位1.3系统功能1.基本完成以上具体要求2.使用三个按键分别控制R、C、L的测试3.采用液晶显示器显示测量结果二、系统方案设计与电感测试仪的设计目前有多种方案可以实现，例如、使用可编程逻辑控制器(PLC)、振荡电路与单片机结合或CPLD与EDA相结合等等来实现。在设计前本文对各种方案进行了比较：方案一.基于模拟电路的测量仪利用模拟电路，电感可用时间常数发和同步分离法等，虽然避免了编程的麻烦，但电路复杂，所用器件较多，灵活性差，测量精度低，现在已较少使用。方案二.可编程逻辑控制器(PLC)此方案采用PLC对硬件进行控制，应用
10、较为广泛。它能够非常方便地集成到工业控制系统中。其速度快，体积小，可靠性和精度都较好，在设计中可采用PLC对硬件进行控制，但是用PLC实现价格相对昂贵，因而成本过高。方案三.采用CPLD或FPGA实现此方案则采用广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现电感测试仪的设计，利用MAXPLUSII集成开发环境进行综合、仿真，并下载到CPLD或FPGA可编程逻辑器件中，完成系统的控制作用。但相对而言设计规模大，系统结构复杂。方案四.利用LRC数字电桥与单片机结合利用LRC数字电桥将电感参数转化为电压模拟信号，此模拟量由高精度AD转换芯片转换为数字量。这样由单片机处理数字量，能够满足测量精度高、易于实现
11、自动化测量等设计需要，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统。通过对上述方案的比较，利用LRC数字电桥与单片机结合实现电感测试仪更为简便可行，节约成本。所以，本文选定以单片机为核心来实现对电感测量的设计。方案五.利用电容三点式振荡与单片机结合 利用电容三点式振荡电路产生振荡波形然后通过施密特触发器讲 其波形转换为矩形波，这样又单片机处理数字量，能够满足测量精度高、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统，易于实现自动化测量等设计需要，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性。系统设计 系统总体设计本系统包括硬件设计和软件设计两部分内容。硬件设
12、计主要分为七部分：第一部分采用AMS1117芯片制作的电源，输出稳定的3.3V电压。第二部分为ICL8038芯片产生正弦波。第三部分用RC和RL电路实现LRC数字电桥的功能。第四部分是对正弦波进行精密滤波的功能。第五部分利用MSP430F149单片机自带的AD实现模拟信号转换为数字信号的功能。第六部分为MSP430F149单片机接收转换后的数字信号并做相应的处理，根据按键状态控制测量的类型和单位。第七部分为测量结果显示部分，采用的是128*64液晶显示器。系统硬件总体框图如下：图3.12系统硬件总体框图软件由4部分组成：(1) 控制测量程序,单片机控制测量程序不仅担负着量程的识别与转换,而且还
13、负责数据的修正和传输;因此主控制器的工作状态直接决定着整个测量系统能否正常工作,所以控制测量程序对整个测量来说至关重要;(2) 按键处理程序，根据按键的状态做相应的功能设置;(3) 电感计算程序,单片机根据A/D转换得到的电压值计算出电感;(4)液晶模块显示程序。本系统的程序框图如图2所示。图3.13 系统模块设计 电源模块输入的外部电源首先经过桥式整流、滤波电路滤波，再经过AMS1117芯片稳压成3.3V的直流电压，向MSP430F149主控制器供电。 信号产生模块标准正弦波是保证测量仪的重要条件，特别是在测量电抗元件电感时，正弦波的失真将产生难以修正的错误，直接影响测量精度，因此在该测量仪
14、中为保证测量精度，采用了ICL8038芯片产生正弦波。ICL8038精密函数发生器是采用肖特基势垒二极管等先进工艺制作成的单片集成电路芯片，电源电压范围宽、稳定度高、易用等优点，外部只需接入很少的元件即可工作，可产生多种频率正弦波，其函数波形的频率受内部或外部电压控制。整流滤波模块整流滤波模块采用LM324的集成运放和LC电路对LRC测试模块产生的信号进行整流滤波，因为测试模块产生的信号是正弦波，而AD采样没办法采集负信号，所以要通过整流滤波给后面的AD采样。因为整流滤波是高阻输入，但也不是无穷大，所以在做测试模块时，分压电阻最好小于100K。 AD采样模块本模块利用MSP430F149单片机
15、自带的AD转换功能把整流滤波后的模拟信号转换为单片机能够处理的数字信号，并传送给处理器。主控制模块本模块采用低功耗的MSP430F149微处理器控制AD装换，并对转换结果数据进行接收和处理；通过按键控制测量的类型和单位。显示模块通过LCD驱动程序对MSP430F149处理后的结果数据进行稳定显示，在测试期间显示能够保持稳定状态，当离开测试能够迅速归零。3.2、工作原理及硬件框图数字电感测量仪工作原理：通过采用正交采样算法，并由单片机控制实现在线测量、智能识别等多种功能，可大大提高测量仪的测量速度跟精度，扩大测量范围由于PIC单片机只能正确采集05V之间的电压，而输入的信号是正弦波信号，因此在将
16、此正弦信号送入单片机之前需对其进行电位提升，使整个正弦信号任意时刻的电位均大于或等于0。另外本测量仪具有量程自动转换和增益自动可控的特点，实现电路如原理图所示。原理图中4051是一个单刀八掷的模拟开关，用以完成量程电阻挡位的转换；4052是一个双刀四掷的模拟开关，用来选择待测元件或基准电阻信号；3个741与4052共同组成一个增益可以控制的仪用差分式放大电路，其中4052是用来切换增益倍数的；74ALS273是一个锁存器，用于将由单片机发出的控制信号锁存并传输给4051、4052实现程控；由于4051、4052开关切换的驱动电压要求达到5V以上，而单片机的高电平仅为35V，达不到驱动电压，所以
17、要采用一个集电极开路的驱动器（74ALS07）才能实现由单片机控制的开关切换（R7R11为74ALS07的输出端上拉电阻）。这样通过程序控制单片机与74ALS273相接端口的高低电位，就可以控制模拟开关选择不同的通道，从而实现自动的量程挡位转换和增益控制。本测量仪的测量原理是以正交采样为基础。首先选用频率恒定的正弦信号作为标准测量信号，然后用待测元件和基准电阻串联对测量信号进行分压，最后由单片机分别对待测元件和基准电阻分压后所得的信号进行正交采样处理。由于流过电感的电流与其两端的电压存在90度的相位差，因此只需在任一时刻采样得到交流信号瞬时值V1，然后相移90度，再采样得到瞬时值V2，就可用V
18、1和V2表示完整的交流信号：V=V1+jV2.以据电感的特点，三点式振荡电路把电感值转换为相对应的频率值。 在此处这个三点式振荡电路中，C1、C2釆用10000皮法的独石电容，, 通过对一些标准电感的测量可得到的一些基准点(),，(Ln，Tn2)，当测量未知电容L得到相应的脉冲周期的平方为时，由直线插值法可得L=Li+(T2-T2)因其电容值远远大于晶体管极间电容值，所以可把极间电容值 忽略。这样根据振荡频率公式可以确定电感值。误差分析：因为 L=l/4*3. 14*3. 14*f*f*c 所以 | L/ L = 2f/f | + | C/C由此可见，因为|2f/f|相当小，|L/L |的精度
19、主要取决 于电容值的稳定性，从理论上讲，只要| C/C|小于1%，AL/L 也就能达到相应的水平。一般而言，电容的稳定性，特别是像 独石电容一类性能比较好的电容，C/C 都可以满足小于5%的要求，这样误差精度就能保持在_1%+1%以内。3.3、硬件电路原理图图3.313.4、PCB版图设计元件清单如下：图3.413.5、电器检验结果如下： 图3.51PCB版图如下： 图3.614、课程设计总结实验结论： 该测量仪是一种基于单片机的智能测量仪，它能够智能地识别出待测元件电 感；能精确的测量出电感的参数值；当测量正弦信号的幅度过小时，可以自动实现增益放大，从而不影响精度。通过采用正交采样算法，并由
20、单片机控制实现在线测量、智能识别等多种功能，可大大提高测量仪的测量速度跟精度，扩大测量范围。在试验过程中，无论从原始的理论计算，到后来的数值测量都存在一 定的误差，通过实验所用器材根据电容三点式振荡电路得到的电感计 算公式计算到所测电感72. 38 f=l/ (2*pi*)sqrt(LC);c=cl*c2/(cl+c2)=10nf*10nf/(lOnf+lOnf) =5nf;L=lmH; f=72. 38KHZ;心得体会：通过本次课程设计，令我感触最深的是用protel99SE软件画电路图及PCB版图的生成。由于对protel99SE软件的不熟悉，作出版图费了不少工夫。但从中真正学会了不少东西
21、，不仅熟悉了软件，而且对设计电路的流程有了更深刻的了解。本次设计先从设计原理出发，在图书馆和网上找到了相关内容，而且学习了一些数字电感仪基本的工作原理，还简单学习了protel99SE软件的基本使用方法。之后连电路生成PCB版图，从中深刻体会到了理论必须与实践相结合的道理，因为这过程中出现了很多大大小小的问题，所以做出来真是相当不容易。虽然此次设计由于使用了74ALS273，4051和4052芯片而不需要仿真，但是我还是对EWB仿真软件有了一定的了解和掌握。设计中发现自己对专业知识掌握的还不够，比如数电摸电的知识掌握的都不是很扎实，不会灵活应用，所以在以后的学习专业课时应该更认真一点了。 在试
22、验过程中无论从原始的理论计算到后的数值测量都存在一定的误差通过实验所用器材根据电容三点式振荡电路得到的电感计算公式计算到所测电感7238f=12pisqrtLC;c=c1c2c1c2=1nf1nf1nf1nf=5nf;L=1mH;f=7238KHZ;仿真的频率值为775KHZ用频率计测得的频率为87KHZ由于在实际电路中电容的影响以及C1和C2的值三级管的级间也会对频率产生影响综合在焊接过程中其他因素的影响实际测量值与理论上的计算值存在误差如电路的干扰标准元件本身误差等。但在设计与制作中误差是在所难免的。本次课设体会与其他几次课设最大的不同之处在于作品是几 个人共同协作的成果。这种合作方式既有
23、缺点又有优点。优点是各个 人共同寻找资料、设计整体思路及各个单元模块的搭建，能提高效率， 且将不同的方案从各个方面还有整体上进行分析对比，更有利于找到 最优的解决方案。我们三人相互讨论，相互交流，对课题的理解有了 一致的想法。我们最终选择了相对合理的现行方案，对各个模块的划 分以及具体功能有了具体的分配。但是同时，三个人的工作分配、意 见的统一也为设计带来了另一方面的问题。总之，此次课程设计锻炼 了我们团结合作的能力。而且，电子设计是一次非常好的将理论与实际相结合的机会， 通过对电感测试仪的设计，锻炼了我们的动手能力，增强了我们解决 实际工程问题得能力，同时也提高了我们查找文献资料，设计规范以 及其他专业能力水平。5、参考文献 童诗白模拟电子技术基础北京：高等教育出版社，2002 张建华数字电子技术北京：机械工业出版社，2004 陈汝全电子技术常用器件应用手册北京：机械工业出版社，2005 毕满清电子技术实验与课程设计北京：机械工业出版社，2005 潘永雄电子线路CAD实用教程西安：西安电子科技大学出版社，2002 张亚华电子电路计算机辅助分析和辅助设计北京：航空工业出版社，2004
