1、高精度测量仪i高精度测量仪摘要：本系统设计主要有控制模块、正弦信号产生模块、测量模块、显示模块组成。以 LM3S811 作为主控制器，通过 AD9851 产生的正弦波信号 , 经过滤波、放大处理，得到频率和幅值可调的高精度正弦信号。利用编程实现频率预置、步进，实现输出频率的连续可调。标压，利用电压比例计算的方法推算出电阻值，电容值或者电感值。通过单片机控制 12864 液晶显示屏显示测试时间、元件类型以及元件参数，并通过控制多路选择开关设定测量的量程，实现精确读数。关键词：电阻电容电感测量；LM3S811；真有效值转换；电压比例法Abstract：This system design main
2、ly contains control module, sine signals generated module, measurement modules, displaying module. LM3S811 SCM is used as the main controller to generate the high precision sine signals through spurious AD9851 chip, to step into preset outpue of the calculation method of the voltage resistance, capa
3、citance calculated value or inductance. After being filtering, sine signals will be in enlarge processing, then that we can get frequency and amplitude adjustable sine signals. The single-chip microcomputer control 12864 LCD displays test time, component types and component parameters, and controls
4、the control multi-channel switch selector measurement gear to achieve precise readings.Keyword：Resistance、capacitance and inductance measuring；AD9851； True RMS conversion；Voltage proportion method 目 录1、方案比较、设计与论证 .11.1 控制模块 11.2 正弦信号产生模块 1ii1.3 交流/有效值转换模块 21.4 显示模快 .22、理论分析与计算 23、电路图及有关设计文件 .33.1 测量
5、信号产生电路 .33.2 量程选 择电路模块 .33.3 标准电阻和电容或者电感串联电压比例测量电路 .44、测试方法与仪器 44.1 测试仪器 .44.2 测试方法(测量比较法) .45、测试数据及测试结果分析 .45.1 测试数据 .45.2 测试结果分析 .56、性能指标 67、结论 6参考文献 .611、方案比较、设计与论证 本设计硬件部分主要由以下几个部分组成: (1)主控制处理器 ，其主要任务是控制测量 ，获取数据和量程转换；(2) ADC 模数转换器; (3)标准正弦波产生芯片；(4) 斩波自稳零式精密运放；(5) 高精度交流/有效值转换芯片；(6)显示模块负责显示测量数据。系统
6、框图如图 1 所示。图 1 系统框图1.1 控制模块方案一：选用凌阳公司的 SPCE061A 单片机。SPCE061A 单片机是 16 位的处理器，单片机运算能力强，而且 SPCE061A 自带语音模块，便于实现语音的添加，但该单片机的应用不是十分灵活，操作不熟练。方案二：采用 LM3S811。 LM3S811 的发展已经有比较长的时间，应用比较广泛，各种技术都比较成熟，结合题目的要求及 LM3S811 的特点，本系统采用方案二，选用 LM3S811 实现整个作品的核心控制。 ADC0234RST5LO6V7GN89PUxIlkFsWMBEK+-fauto_Yp.nJ1.2 正弦信号产生模块方
7、案一：在 FPGA 中实现 DDS 功能。频率控制字由单片机给出控制频率从1HZ1MHZ 可调， 但由于 FPGA 的价格较高，考虑到低成本，故不采用此方案。方案二：使用 MAX038 芯片。MAX038 芯片可以产生高精度的正弦信号，但该芯片的设计电路较为复杂，且成本较高，调试时间较长，不利于电子设计大赛题目2的完成。方案三：使用 DDS 芯片 AD9851。该芯片电路简单，容易实现，调试也相对简单，频率调节范围满足题目要求，故采用该方案。1.3 交流/有效值转换模块方案：采用 OPA835 芯片。OPA835 芯片是当前国际上转换精度最高及频带最宽的真有效值转换芯片，具备输出失调调整和尺度
8、因数误差外表调整功能，可以帮助用户把总误差减小到最少，并且电路设计较为简单。1.4 显示模快方案一：LED 数码管显示，数码管虽然价格便宜，但是耗能高，占用大量的I/O 口，显示内容较少、单一，而且不能显示字符。方案二：LCD 液晶显示，耗电量低，串行通信，占用很少的 I/O， LCD 液晶不但能显示字符和数字，而且显示效果较好，容易编程实现，故采用方案二。2、理论分析与计算电阻高精度测量较好的方法之一是采用与标准电阻相比较的方法 ,其原理是在待测电阻 Rx 与标准电阻 R1 的串联电路中加一电流 I ,这样 Rx 和 R1 上将得到电压 Ux 和 U1,则测量电阻为： 。 1RUx本设计采用
9、了与测量电阻相同的测量方法即电压比例法来测量电容和电感。由于电容和电感属电抗元件 ,因此不能采用直流来产生测量信号 ,而只能采用交流信号在角频率为 的, (式中: 、 、 分别是 、 向量电压xCRU11RLx1RxCxLU1RxCLU的模值) 。3、电路图及有关设计文件3.1 测量信号产生电路AD9851 芯片有并行加载和串行加载 2 种方式 ,图 3（放大可以见清晰原理图）所示是串行加载电路连接图。单片机只需要 4 根信号线就可以对 AD9851 编程。DATA_IN 是数据加载串行输入线 ,FQ_UD 和 W_CL K 是 2 根时钟控制线,控制DATA _IN 引脚上数据输入的时序 ,
10、RESET 是 AD9851 芯片的复位线。在 30 MHz时钟下 ,输出正弦信号和脉冲信号的频率范围为 0. 291 Hz70 MHz ,可通过编程任意输出其间的频率值 ,使用方便 ,频率准确度高。图 3 AD9851 串行加载电路连接图正弦信号输出经 AD811 放大，旋转电位器调节输出信号幅值大小，后经 AD844 搭建的电压跟随器，对前级和后级进行隔离，降低输出阻抗（见附录 B 图 4） 。33.2 量程选择电路模块 测量电阻时，继电器吸合至标准直流源端。标准直流源由基准源 TL431 搭建而成，具有精度高和电压稳定的优点；测量电容和电感时继电器吸合至正弦信号源端。量程选择由四 2 模
11、拟开关 CD4052 控制，在待测元件值不同时选择合适的标准电阻。电路如图 4。图 43.3 标准电阻和电容或者电感串联电压比例测量电路仪器通过继电器转换分别从标准电阻的两端测量电压。由于 OPA835 的输入阻抗较低 ,为了降低其分压带来的误差 ,被测的电压通过 AD844 构成的电压跟随器 ,然后才通过高精度交流/有效值转换芯片 OPA835，OPA835 对被测直流量不进行运算通过，对被测交流量进行运算转换成有效值 ,经过 ADC 转换成数字信号 ,在单片机中完成比例运算 ,最后得到电阻值、电容值或者电感值。图 5 标准电阻和电容或者电感串联电压比例测量电路4、测试方法与仪器4.1 测试
12、仪器 H ） 、数字示波器，函数信号发生器、 Agilent 4284A LCR 精密测量仪。44.2 测试方法 (测量比较法) 使用本仪器对一组电容、电感和电阻值进行了测量 ,并与 Agilent 4284A LCR 精密测量仪的测量结果进行了比对 ,结果如表 1、表 2 和表 3 所示。表 1、 表 2 和表 3 中的测量值仪器产生的波形与函数信号发生器产生的标准波形比较，如图 6、图 7、图 8 所示。5、测试数据及测试结果分析5.1 测试数据表 1 电容值对比表对比表测量值 Agilent 相对误差（%）56mh 55.98mh 0.3033mh 33.12mh 0.3616mh 16
13、.55mh 0.33940h 933h 1.7表 3 电阻值对比表标称值( ) 测量值( ) Agilent() 相对误差（%）1 1.040 1.010 320 20.85 20 4.21k 990.5 1.01k 0.92200k 201.8 200 0.91m 998.4 1.07 2.68正弦信号与标准信号对比：图 6 仿 真 波 形 图5图 7 AD9851 产 生 的 正 弦 信 号 图 8 波 形 对 比 图 5.2 测试结果分析从 测 量 结 果 中 可 以 看 出 ,本 仪 器 的 测 量 范 围 较 宽 ,并 且 达 到 了 很 好 的 精 度 ,相 对 误 差 小 于 等
14、 于 5 %； AD9851 产 生 的 正 弦 波 信 号 比 较 稳 定 ， 无 明 显 杂 波 ， 符 合题 目 要 求 。产 生 误 差 的 主 要 原 因 ： 由于实验设备有限，表格中精密仪器测量的参考数值也存在误差，故所有数值都只能作为参考，它们的精度无法保证，所以，这里进行误差分析时，被测参考频率的误差首先将作为其中的一个因数其二，在本系统中，我们采用片显示，虽然采用浮点显示，但也只能显示位数据，而实际运算结果多于位，故实际所显示的结果只能保证位有效数字，这个将成为引起误差的第二个原因。元器件本身的偏差会导致实验误差的出现，只有使用尽可能精确的元件才能减小误差，得到较为精确的数值
15、。6、性能指标电容 电阻 电感10pF 10F 1 5M 10H 100mH0.1pf 0.1 1h0 +405%1Hz 1MHz5V7、结论经过了多日的努力，我们在本设计中基本实现了题目的要求，并在有些功能方面提出了改进，使系统设计更加完善。在该设计中我们使用了 LM3S811 作为主控器，通过 DDS 芯片 AD9851 产生高精度的正弦波信号并输出作为正弦信号源输出。标准正弦信号流经待测的电容或者电感和标准电阻的串连电路,通过测量电容或者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容值或者电感值。通过本次电子设计大赛，我们深刻认识到了团结合作的重要性，也认识到了自己在很多的方面存在不足，需要进一步的学习、深造自己。但由于时间及器材条件的限制，本设计也存在不足，例如，测量范围不能达到更高的要求，测量精度也存在很大的提升空间。我们会在以后的学习中不断地弥补这些不足，完善测量系统设计。
