网络阻抗测试仪.
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一、方案论证与比较(2
1.1信号源选择部分方案论证(2
1.2信号源调理部分方案论证(3
1.2.1有源低通滤波(3
1.2.2放大电路(3
1.3I/V变换电路模块方案论证(3
1.4阻抗模测量模块方案论证(4
1.5阻抗角测量部分方案论证(4
1.6综合控制部分方案论证(5
二、分析计算(5
2.1阻抗模(5
2.2阻抗角(6
方案二:用运算放大器构成放大电路
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。
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,不易精确调节源自文库荡频率。
2.3谐振点(6
2.4被测网络结构的判断和计算(6
2.4.1元件类型判断(6
2.4.2元件串、并联判断(6
2.4.3元件参数的计算(7
三、系统设计(7
3.1总体设计框图(7
3.2单元电路设计(8
3.2.1 DDS产生信号源电路设计(8
3.2.2信号源滤波及放大电路设计(9
3.2.3 I/V转化电路设计(9
关键字:阻抗测量;AD7799;TL3016;RLC网络;MSP430
一、方案论证与比较
1.1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。
3.2.4峰值检波模块电路设计(9
3.2.5比较器电路设计(10
3.2.6电源电路设计(10
3.2.7 MSP430和CPLD电路设计(11
四、软件系统流程图(12
五、系统测试(13
5.1测试原理与方法(15
5.2使用仪器(16
5.3测试数据结果(16
5.4数据误差分析(17
5.5总结(18
六、参考文献(18
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。
网络阻抗测试仪
摘要:本方案采用MSP430单片机作为主控。利用DDS芯片AD9851、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。
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。
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。
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。
1.2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;二是对输出信号幅度进行调理。
1.2.1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。
1.2.2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: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。
1.1信号源选择部分方案论证(2
1.2信号源调理部分方案论证(3
1.2.1有源低通滤波(3
1.2.2放大电路(3
1.3I/V变换电路模块方案论证(3
1.4阻抗模测量模块方案论证(4
1.5阻抗角测量部分方案论证(4
1.6综合控制部分方案论证(5
二、分析计算(5
2.1阻抗模(5
2.2阻抗角(6
方案二:用运算放大器构成放大电路
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。
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,不易精确调节源自文库荡频率。
2.3谐振点(6
2.4被测网络结构的判断和计算(6
2.4.1元件类型判断(6
2.4.2元件串、并联判断(6
2.4.3元件参数的计算(7
三、系统设计(7
3.1总体设计框图(7
3.2单元电路设计(8
3.2.1 DDS产生信号源电路设计(8
3.2.2信号源滤波及放大电路设计(9
3.2.3 I/V转化电路设计(9
关键字:阻抗测量;AD7799;TL3016;RLC网络;MSP430
一、方案论证与比较
1.1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。
3.2.4峰值检波模块电路设计(9
3.2.5比较器电路设计(10
3.2.6电源电路设计(10
3.2.7 MSP430和CPLD电路设计(11
四、软件系统流程图(12
五、系统测试(13
5.1测试原理与方法(15
5.2使用仪器(16
5.3测试数据结果(16
5.4数据误差分析(17
5.5总结(18
六、参考文献(18
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。
网络阻抗测试仪
摘要:本方案采用MSP430单片机作为主控。利用DDS芯片AD9851、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。
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。
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。
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。
1.2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;二是对输出信号幅度进行调理。
1.2.1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。
1.2.2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: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。