《网络阻抗测试仪》-公开DOC·毕业论文

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1、1 目目 录录 一 方案论证与比较 3 1 1 信号源选择部分方案论证 3 1 2 信号源调理部分方案论证 4 1 2 1 有源低通滤波 4 1 2 2 放大电路 4 1 3 I V 变换电路模块方案论证 4 1 4 阻抗模测量模块方案论证 5 1 5 阻抗角测量部分方案论证 5 1 6 综合控制部分方案论证 6 二 分析计算 6 2 1 阻抗模 6 2 2 阻抗角 7 2 3 谐振点 7 2 4 被测网络结构的判断和计算 7 2 4 1 元件类型判断 7 2 4 2 元件串 并联判断 7 2 4 3 元件参数的计算 8 三 系统设计 8 3 1 总体设计框图 8 3 2 单元电路设计 9 3

2、 2 1 DDS 产生信号源电路设计 9 3 2 2 信号源滤波及放大电路设计 10 3 2 3 I V 转化电路设计 10 3 2 4 峰值检波模块电路设计 11 3 2 5 比较器电路设计 11 3 2 6 电源电路设计 12 3 2 7 MSP430 和 CPLD 电路设计 12 四 软件系统流程图 14 五 系统测试 15 5 1 测试原理与方法 15 5 2 使用仪器 15 5 3 测试数据结果 15 5 4 数据误差分析 17 5 5 总结 17 六 参考文献 17 2 网络阻抗测试仪网络阻抗测试仪 摘要 摘要 本方案采用 MSP430 单片机作为主控 利用 DDS 芯片 AD98

3、51 运放电路 矩阵键盘 设计了一个输出幅度 2V 0 1V Vpp 频率 1kHz 200kHz 可步进 显示的正弦信号作为标准输入信号 设定固定频率或扫频信号输入到被测未知 R L C 网络 经过 I V 转换电路后 通过有效值转换芯片 AD637 和 24 位高精 度 A D 转换芯片测量输出电压值 换算阻抗 阻抗角的测量是将原输入信号和 经由被测网络后输出的一组测量信号分别经过由 TL3016 构建成的具有迟滞特性 的过零比较器整形为方波 通过可编程逻辑器件 CPLD 对方波信号进行滤波 测算相位差 单片机读取 CPLD 相位差信息计算得到阻抗角 利用相位的大小判 断元件的种类 分别利

4、用 DDS 的低频和高频信号判断串并联网络结构 由阻抗 和电路结构进一步计算元件具体数值 关键字 关键字 阻抗测量 AD7799 TL3016 RLC 网络 MSP430 一 方案论证与比较一 方案论证与比较 1 11 1 信号源选择部分方案论证信号源选择部分方案论证 阻抗参数测量在传感器 仪器仪表以及印刷电路分布参数分析等技术领域 中占据非常重要的地位 目前阻抗测量技术已经从电桥法 谐振法等传统方法 发展到矢量伏安法等现代数字测量技术 然而现有的数字化阻抗测量方法都要 求激励信号是低失真度的正弦信号 而频率高的低失真度正弦信号很难获得 这限制了测量精度的提高和测量范围的扩大 可见 获得低失真

5、度 高精度 稳定的标准信号源是这个系统的核心 它的成功与否 将直接影响到整个系统 的性能 方案一 利用模拟分立元件 如 RC LC 网络 产生振荡信号 利用成熟的三点式晶体管振荡电路 可以通过改变电阻 电感 电容元件的 参数 来改变正弦振荡的频率 这种电路的特点是频率稳定性较好 并且很容 易起振 电路简单 但是如果要实现题目中要求的 1KHz 至 200KHz 那么宽的频 率范围 很难做到 或者实现起来系统体积太大 功耗很高 容易产生杂波 不易精确调节振荡频率 方案二 利用压控振荡器 VCO 产生振荡信号 压控振荡器 又称为 VCO 或 V F 转换电路 产生的波形的振荡频率与它的控制 电压成

6、正比 因此 调节可变电阻或可变电容可以调节波形发生电路的振荡频 率 利用集成运放可以构成具有一定精度 线性较好的压控振荡器 并且 可 以用数字电位器实现对电压的程控 但是 开环 VCO 的频率稳定度和频率精度 较低 题目中的频率范围对于压控振荡器来说太宽 很难实现 并且压控振荡 器产生的信号频率稳定度也达不到题目的设计要求 方案三 直接数字合成法 DDS DDS 或 DDFS 是 Direct Digital Frequency Synthesis 的简称 通常将 3 此视为第三代频率合成技术 它突破了前几种频率合成法的原理 从 相位 的 概念出发进行频率合成 这种方法不仅可以产生不同频率的正

7、弦波 而且可以控 制波形的初始相位 还可以用 DDS 方法产生任意波形 AWG AD9851 是比较常用的功能强大的 DDS 芯片 它提供了并行和串行控制字输 入 以改变其输出频率 易于控制 内部包含可编程 DDS 系统 集成高速的 10bitDAC 及高速比较器 能够产生频率很高的正弦信号 0 70MHz 由于采用 特定的集成工艺 内部数字信号抖动很小 而且 采用该 DDS 芯片外围电路相 对简单 便于操作 综上所述 我们从多个方面考虑采用了方案三作为信号源产生部分 1 21 2 信号源调理部分方案论证信号源调理部分方案论证 信号源调理主要可分为以下两个方面 一是对噪声干扰的有效控制 二是

8、对输出信号幅度进行调理 1 2 11 2 1 有源低通滤波有源低通滤波 AD9851 的内部没有有效的低通滤波器 因此经过 DAC 输出的扫描信号不可 避免的含有高频噪声 该噪声可以分为两类 一类为 DAC 数模转换带来的阶梯 波形分量及其高次谐波 另一类为 AD9851 内部系统时钟及其高次谐波 故信号 输出端口需要加低通滤波抑制高频干扰 有源滤波能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿 克服 LC 滤波器等传统的谐波抑制和无功补偿方法的缺点 获得比无源滤波器更好的补 偿特性 控制精度高 治理效果好 是比较理想的滤波方式 有源滤波器是指 由放大电路及 RC 网络构成的滤波器电路 它实

9、际是一种具有特定频响的放大器 滤波器的阶数越高 频响特性衰减的速率越快 但 RC 网络阶数越多 元件参数 计算越繁琐 电路的调试越困难 综合考虑 我们选用二阶有源低通滤波器 1 2 21 2 2 放大电路放大电路 题目要求输出信号幅度 2V 0 1V Vpp 而从 DDS 输出的波形幅度达不到 题目要求 因此要对 DDS 输出的电压幅度进行放大 方案一 用晶体管组成放大电路 用分立的晶体管元件构成的放大电路 优点是灵敏度高 能承受的较大的功 率 动态范围广等 它们的通频带也较宽 但是 分立元件组成的电路调试起 来很困难 特别是在高频段 而且容易引入噪声和失真 方案二 用运算放大器构成放大电路

10、一个较好的解决方案是利用性能优良的集成的运算放大器构成差分放大电路 Ti 公司的 OPA2227PA 是低噪声 高精度 高速的集成运放 带宽满足题目标准 信号源的频率范围 1kHz 200kHz 的要求 用它构成基本运算放大电路可以比较 理想地实现对信号源进行幅度放大 综上所述 我们采用方案四作为本系统的放大部分 1 31 3 I VI V 变换电路模块方案论证变换电路模块方案论证 本实验采用的方法是让标准正弦信号经过未知一端口网络 由外围电路测出 未知网络的阻抗模和阻抗角 从而判断构成被测网络的阻抗形式 所以要将经 由未知网络的电流转换为电压从而实现下面未知网络的阻抗的测量过程 方案一 利用

11、分压电路 4 将电流通入电阻 在电阻上采样出电压信号 其中 可以使用电位器调节输 出电压的大小 这种方法最简单 但需要考虑功率和放大倍数的选择问题 不 采用 方案二 积分电路方法 电压可以看作是电流的积分 即 U 1 idt C 为保证精度 选取运放时尽量找输入阻抗大的 该电路常用于 PID 调节 积 分电路成熟且放大倍数和精度较好 但要注意这种电路输出电压和输入电流的 相位是相反的 但对于电阻和电容的选择要求高 不采用 方案三 运放直接搭接的方法 跨阻放大器 充分利用运放 虚短 和 虚断 的概念 将电流转换为电压信号 电流通 过电阻 在电阻上产生压降 建立起电压和电流的关系为 Uo R i

12、这种方法避免了运放输入失调电压 输入偏置电流和失调电流带来的积分误 差 也避免了电容的漏电流带来的误差 我们选用 Ti 公司的精度高 性能优良 的 OPA2227PA 作为跨阻放大器 实现 I V 变换 1 41 4 阻抗模测量模块方案论证阻抗模测量模块方案论证 方案一 直接信号采样法 通过高速 A D 转换器对被测交流信号直接采样 再通过数据处理得到信号的 电平值 但这种方法对 A D 转换器的采样速率和系统数据处理的速度要求较高 在实际设计中 为了保证足够的精度 采样间隙应尽量短 对器件的速度要求 较苛刻 方案二 峰值检波法 采用真有效值 直流转换器将被测的交流信号电压转换为与其有效值相等

13、的 直流电压 然后通过 A D 转换器对该电压进行采样 即可得到被测交流信号的 电平值 对于正弦波 其峰值与有效值之间存在倍的关系 因此 只要测得 2 了信号的有效值 信号的峰峰值也就相应得到了 AD 公司生产的 AD637 是专门 的有效值检测集成芯片 因此采用 AD637 电路就能实现信号的有效值检测该方 法降低了对 A D 转换器采样速率的要求 并且降低了单片机对采样数据处理的 难度 电路的性能优良 实现简单 此外 它还适用于任意波形信号的电平测 量 经比较 选用方案二作为阻抗模测量电路的实现方法 1 51 5 阻抗角测量部分方案论证阻抗角测量部分方案论证 方案一 矢量法 设两个同频率等

14、幅 E 的正弦信号相减后得到矢量差的模 V 2 E sin 2 将矢量差的模通过滤波后 其值与sin 2 成正比 方案二 相乘法器法 将两个同频率的正弦信号通过乘法器后 经过积分滤波电路得到一个直流电 压 V KcosU 其中 K 为传输系数 本方法可以滤除信号波形中的高次谐 5 波 抑制了谐波对测量准确度的影响 方案一 方案二通用性和灵活性均较差 难以用外部电路实现 故不采用 方案三 基于CPLD的鉴相法 将标准输入信号和经由被测网络后输出的一组测量信号分别经过由 TL3016 构建成的具有迟滞特性的过零比较器整形为方波 通过可编程逻辑器件 CPLD 对方波信号进行相应的处理 最后由单片机

15、MSP430 计数得到阻抗角 CPLD 和这种方法速度快 精度高 外围电路简单易行 是比较理想的相位差测 量方法 1 61 6 综合控制部分方案论证综合控制部分方案论证 方案一 采取 FPGA 或者 CPLD 控制 近年来 可编程器件发展很快 在很多方面都得到了广泛的应用 采用大规 模的可编程器件来完成系统的控制是一种很不错的解决方案 它具有体积小 改动灵活的特点 用它们作为系统的 神经中枢 可以采用 VHDL 或者 Verilog 语言来描述 但是一般来说 复杂可编程逻辑器件 CPLD Complex Programmable Logic Device 集成的门数目不会很多 现场可编程门阵列

16、 FPGA Field Programmable Gate Array 是新一代的可编程器件 但是需要外 部的配置芯片 否则断电后 保存在 RAM 中的程序会丢失 这个方案特别适用 于大型 高速 复杂系统的控制 但是本系统中 考虑到成本和制作难易程度 没有采用这个方案 方案二 采取 MSP430 单片机作为控制中心 MSP430 是 Ti 公司生产的一种 16 位超低功耗 具有精简指令集的混合信号 处理器 可以将多个不同功能的模拟电路 数字电路和微处理器集成在一个芯 片上 MSP430 采用精简指令结构 具有丰富的寻址方式 简洁的 27 条内核指 令以及大量的模拟指令 大量的寄存器和片内数据存储器都可以参加多种运算 保证了可编制出高效率的源程序 可以再 25MHz 晶振的驱动下 实现 40ns 的指 令周期 该单片机功耗低 片内资源丰富 便于高效开发 多方面考虑 我们选用 MSP430 作为控制中心 结合 CPLD 实现对电路的综合 控制 二 分析计算二 分析计算 2 12 1 阻抗模阻抗模 在具有电阻 电感和电容的电路里 对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗 阻 抗常用 Z 表示 是一个复