【测试】数字式电参数测试仪论文

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数字式电参数测试仪（H）

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武汉工程大学优点与信息工程学院邮科院校区张杰杜俊陈程

摘要

本系统的控制为MSP-EXP430G2单片机，8位AD转换芯片TLC549CP是模数转换的桥梁。本系统分为四个测量模式，分别可测量电压，电流，电阻，和频率。电压测量范围：100mV～10V，将其分为两个档，分别为100mV~5V，5V~10V，相对误差≤0.1%；

电流测量范围：100µA～10mA，将其分为两档，分别为100uA~5mA，5mA~10mA，相对误差≤0.2%；电阻测量范围：100Ω～Ω，将其分为四档，分别为100Ω~1kΩ，1kΩ~10kΩ，10kΩ~100kΩ，100kΩ~1MΩ，相对误差≤0.2%；频率测量范围：10Hz～100kHz，相对误差≤0.01%，最小输入信号为50mV的正弦交流信号；系统工作电源可采用自制电源,具有量程自动切换功能，整个系统测量模式采用按键选择，有LCD显示相应的参数，测量及显示刷新周期≤2秒。本系统由以上模块构成一台能对电阻、电压、电流和频率的测量构成一部数字式电参数尝试仪。

关键字：MSP-EXP430G2 TLC549CP LCD显示电参数尝试仪

一、系统总体设计方案

1.1设计思路

测量直流电流和电阻不好直接用A/D将其值测得，就将它们转化为电压，再来用

A/D芯片来测得相应的电压，再由单片机计算出它们的值，通过LCD显示出来，

当然电压时可以直接由A/D芯片测得的，测量频率，是将一定频率的正弦信号，通

过电压比较器，以及整形电路得到同频率的方波，送入单片机，再通过等时间间距

测脉冲数法算出原正弦信号的频率，并将其值显示在LCD上。由于本系统要测四

种电参数，于是便用到了两块单刀八置模拟开关CD4051，对按键进行编码，由按

键来控制选路，具体编码设定是，按下第一个按键，得到000的三位二进制编码，

此时编号为0的一路导通，本次设定的是测电压的电路导通，当按下第二个按键，

得到001的三位二进制编码，此时编号为1的一路导通，本次设定的是测电流的电

路导通，当按下第三个按键，得到010的三位二进制编码，此时编号为2的一路导

通，本次设定的是测电阻的电路导通，当按下第四个按键，得到011的三位二进制

编码，此时编号为3的一路导通，本次设定的是测频率的电路导通，这样便实现了

四种测量模式的选路测量

系统原理框图

1.2方案选择与论证

1)电流测量方案选择与论证:

使电流流过一定值电阻，得到一个电压，通过A/D芯片测得此电压，将此电压送入单

片机，由单片机对这个电压进行处理，并由预先设定好的公式算出相应的电流，并送到显示屏将其显示出来。此方案原理及外围电路简单，便于实现，且较为精确。

2)电压测量方案选择与论证:

采用直接测量法，用A/D芯片采集输入的电压，将此电压送入单片机，由单片机对这个电压进行处理，并送到显示屏将其显示出来。此方案原理及外围电路简单，便于实现，且较为精确。

3)电阻测量方案选择与论证:

方案一：谐振法，采用LC组成谐振回路，将被测电感串入电路或将电容并入回路中进行测量。但谐振法要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求。由于尝试频率不固定，尝试速度也很难提高，误差就很难达到要求。

方案二：伏安法测量R,它的测量原理来源于阻抗的定义。即若已知流经被测阻抗的电流，通过A/D将被测阻抗两端的电压的模拟量转化为数字信号送入单片机，可得被测电阻两端的电压，则通过欧姆定律可得到被测电阻阻值。此方法原理简单，外部硬件较少，便于操作。

方案三：交流电桥测量法，交流电桥的构造及原理均与直流惠斯通电桥相同，电源使用交流电，四臂的阻抗Z1、Z2、Z3、Z4，可以用电阻、电感、电容或其他组合，电桥平衡的条件是

此条件显示交流电桥不同于直流电桥：首先条件有两个，因此，需要调节两个参数才能使电桥平衡；其次，阻抗的多样性可以组合成各具特色的电桥，但非所有电桥都能同时满足达到平衡的条件。

综合比较以上三种方案，我们选择方案二

4)频率测量方案选择与论证:

方案一：测周期法。测周期法是将整形后的信号送入单片机的外部中断口（INT0、INT1），检测到第一个下降沿开定时器，检测到第二个下降沿则关定时器，定时器中的时间值就是信号的周期值，由频率计算式可得被测信号频率f=1/T。但这种方法在检测高频信号时有比较大的误差，难以达到精度要求。

方案二：等时间间距测脉冲数法。测脉冲数法是利用定时器和计数器，在定时一定时间(T)内记录脉冲个数(N)，从而计算出被测信号频率f=N/T。这种方法在高频信号检测中是非常适宜的，软件设计简单，原理及外围电路简单，较容易实现，且精度较高。

方案三：准周期数、定时时间可调测量法。在定时的时间中保证使检测到脉冲数一定是整数个，弥补了前面方案二、三中的缺陷。方案的特色是，利用外中断INT0的下降沿中断溢出信号口IE0来开启和关闭定时的时间，同时也将信号接至计数器口，记录下降沿脉冲数。定时时间是在检测到外中断INT0标志位至1时开启，在定时到自然溢出Ns次后，再次等待外中断标志位至1，然后关定时器，可得出定时时间为：定时溢出数Ns*65536+(TH0、TL0)。此方法虽然精度很高，但是原理及外围电路较为复杂，软件编程及计算也较为复杂。

综上所述，所以选用方案二。

5)A/D转换方案选择与论证:

方案一：模数转换选用A/D0809，作为单片机输入的采样信号，虽然也能完成模数转换，但是，0809芯片速率较低，转换时间为100us左右，而且0809的最高分辨率为8位，综合起来看，不能满足设计要求的精度。

方案二：TLC549是TI公司生产的一种低价位、高性能的8位A/D转换器，虽然它也是8位的，但是它是以8位开关电容逐次逼近的方法实现A/D转换，尤其它转换速度小于17us，最大转换速率为40000HZ，4MHZ典型内部系统时钟，电源为3V至6V。它与A/D0809相比性能优越了许多，而且它能方便地采用三线串行接口方式与各种微处理器连接，构成各种廉价的测控应用系统。

综上所述，所以选用方案二。

6)显示方案选择与论证:

方案一：采用LED数码管显示。使用多个数码管动态显示，由于显示的内容较多，过多增加数码管个数显然不可行，进行轮流显示则控制复杂，加上数码管需要较多连线，使得电路复杂，功耗比较大。

方案二：采用字符型LCD显示。可以显示英文及数字，利用FPGA来驱动液晶显示模块，设计简单，且界面美观舒适，耗电小。

综上所述方案二采用LCD实时显示电压值、电流值、电阻、频率。

二、单元电路设计

2.1直流电流测量电路

由于考虑到没有可变的直流源，于是就将一个可变的电压加到一个1k的定值电阻上，由此组成一个可变直流电流源，将电流源流过定值电阻的到

一个电压，用A/D测得这个电压送入单片机，单片机通过预先设定好的公式计算出电流源的大小，在将计算出的电流送入LCD来显示出来，定值电阻分为两个1k和0.5k，由开关来选择，当接入R1时，电流的测量范围为100uA~5mA，当接入R2时，电流的测量范围为5mA~10mA，整个的测量范围为100uA~10mA，满足题意。

直流电流测量电路

2.2直流电压测量电路

方法与测直流电流的方法相似，将电压源加到定值电阻上，用A/D测得定值电阻上的电压，将其值转化为数字的电压送入单片机，单片机对此电压信号进行处理，再送入LCD进行显示。此种测量方法同样分为两个档，当开关闭合时，只有R2接入，此时的此时的测量范围为100mV~5V，当开关断开时，R1，R2都接入了，R1对R2分压，此时的测量范围为5V~10V，这样总共的测量范围为100mV~10V，满足题意。

直流电压测量电路

2.3电阻测量电路

测量电阻同样用的是电压转化法，将电源加到两个电阻上，前面的基准电阻对Rx进行分压，通过A/D测得Rx上的电压，将其送入单片机，单片机对对这个电压信号进行处理，并由相应的公式Rx=Ux*Ri/(Ucc-Ux) ，(i=1,2,3,4)算出待测电阻Rx的值，再送入LCD进行显示。本方案共有四个档，当接入R1时，测量范围是100Ω~1kΩ，当接入R2时，测量范围是1kΩ~10kΩ，但接入R3时，测量范围是10kΩ~100kΩ，当接入R4时，测量范围是100kΩ~1MΩ。这样便满足题目的要求测量范围是100Ω～1MΩ。

电阻测量电路