[培训] 纳米软件手持LCR数字电桥的设计与实现

在电子设备设计维修中涉及电子元件的测量，对于电阻、电容和电感的精密测量一般采用电桥设备。现有电桥有台式、便携式和手持式等。台式电桥精度可达0.05%，但携带不方 便，耗电高，对测量环境的要求较高。纳米软件设计了一种基于MSP430F449的低功耗手持LCR 测量仪，以下对设计中的关键问题进行分析。 1、测量原理 电桥采用半桥测量电路。测量原理如图1 所示。

图 1 半桥电路 图 2 自由轴法原理

自由轴法中坐标系的取向不固定，利用微处理控制任意旋转。这种方法不必限定坐标轴的方向在分母向量的方向，从而可避免同向误差。向量除法运算与选定的坐标轴方向无关， 可任意建立一个直角坐标系，如图2。 U x ， U s 分别代表被测参数两端的向量电压和标准电阻两端的向量电压，   a、b、c、d 分别是这两个向量在坐标轴上的投影值大小。两个向量 .

.

可以表示为 U x = c + jd , U s = a + jb ，从而向量比 U x/ U s= (c + jd ) /( a +jb ) = X + jY ， 式

中 X = ( ac + bd) /( a2 + b2 ) ， Y= (ad - bc) /( a2 + b2 ) 。

坐标轴方向一旦选定就在整个测量周期内保持不变，X 轴和 Y 轴必须严格垂直，参考信号电压可以不和任何一个被测电压的方向相同，但应和被测电压之一保持固定的相位关系， 比如相差  α，并且在整个测量过程中保持不变。这样依次测出向量电压的四个投影分量， 就可以根据上式计算出向量比的值。 . .

当测量阻抗Zx 时 ： Zx = - Rs (U x / U s ) = - Rs ( X +jY ) ；

对于电容器，Z = R +1/ jωC ， C= (ωR Y)- 1 ， D = XY ；

对于电感， Z = R + jωL ， L = - R ω- 1Y ， Q = YX- 1 ；

θ为 U x  与参考电压的夹角 tanθ= c / d ，所以 θ= arctan(c / d) 。

在自由轴法测量中，由于精确的正交坐标系主要靠硬件来产生和保证，而参考轴的夹角 α需要考软件来保证，所以硬件电路大大简化，消除了固定轴法难于克服的同相误差的缺 点，提高了精度。除了可以得到参数 L、C、R以外，还可以方便的计算出其他多种辅助变量相角 θ、损耗因子 D、品质因数 Q。 2、系统结构设计 系统主要包括以下几个模块：微处理器控制电路，    FPGA  分频模块、 LCD 显示模块、按键控制模块、串口     RS232模块。 FPGA模块产生测量所需的四个频率以及      A/D 转换器所需的工作频率； 由键盘模块控制整个系统的操作，    最后将测量结果显示在     LCD显示器上，  串口模块实现与 PC机的交互。 3、系统结构设计说明 微控制器选择了 MSP430F44，9  这款芯片具有多达 64KB的  Flash  程序空间和 2KB的  RAM， 6 个  8 位的  I ／O端口以及两个 16 位定时器， 449  在 8MHz时钟驱动下指令周期可达 125ns， 可以满足本系统复杂控制和低功耗的需要 。 测试频率产生 高精度测量频率（  100hz，120hz，1khz，10khz）由 FPGA芯片 EPM3064ATC44-10分频实现。FPGA为 A/D 变换器提供 500Khz 和 600Khz 工作频率抑制 50Hz 或 60Hz 工频干扰信号。三级二阶滤波电路将方波转化为的正弦波。 相敏检波电路 相敏检波电路的参考信号微处理器 MSP430F449控制的自由轴坐标发生器提供。相敏检 . . 波电路的输出是待测的被测阻抗和标准电阻上的电压信号 Ux 和 U s 在坐标轴向上的投影。 相敏检波电路通过开关控制双积分式 A/D 转换器的充电和放电。 两个开关的闭合与断开 的时间是测量信号的半个周期，其相位相差 90 度。积分器在采样时间内输出电压的大小 （除去所加的直流电压） 就对应被测电压在坐标轴上的投影值。 积分结束后积分器输入连接到反  极性参考电压，进行反向积分直到输出为0，A/D 变换周期结束，从而得到被测电压在坐标 轴上的投影值，将向量运算转化为除法运算 [5] 。 A/D转换器 系统选择 ICL7135 双积分式A/D 转换器，它的分辨率相当于14 位二进制数，转换误差为± 1LSB，转换输出为0~19999。

图 3  ICL7135 外部连接图 ICL7135 所需的参考电压为量程的一半，系统中的参考电压为 1V。参考电压上并联

的 CBB电容C12 （1μF）以及R 9 等电阻主要是保证参考电压的稳定性。基准电容C12 应该使

结点对地的寄生电容可以被忽略。 按照 ICL7135 的应用特性，积分电阻与量程有关，应选择精密电阻，大小应为：

R18 = 满量程电压值/Iint 。式中的I int 为积分电容充电电流。系统中的满量程电压为 2V，

因 此 R18 选 择100K 电 阻 。 积 分 电 容 计 算 公 式 为 C=10000 ×(f I ) - 1 / 积分器输出的电压摆动幅值 。ICL7135 采用 CMOS工艺，所以积分器输出电压的摆动幅值为 4V，所以该电容值为 0.025uF。考虑到系统可靠性，采用 0.47 μF 的

积分电容。 C8   = 1000×20μA ×T/ 积分器输出摆幅 ，式中 T=f clk 。 f clk 为  ICL7135 的时钟

频率，这里实际值为 500k、600k。此时 ICL7135 的转换速率为3 次/s 。在± 5V 系统中，如

果模拟地为 0V，则摆幅为±  4V，此时量程为 –2V~ +2V，则R3 =100k? ， C8 =0.47 μF 。 积

分电容选用聚丙烯电容器或者聚碳酸酯电容器。自动调零电容响，这里选用 1uF 电容减少系统噪声。 电平转换电路 C19 的大小也会产生噪声影 MSP430系列典型工作电压是 3.3V，但除了控制器本身还有很多外围的模块和芯片，如 AD转换器  ICL7135、74 系列芯片等工作电压都是 5V。因此就存在如何将3.3V 的 MSP430 与5V 芯片模块连接的问题。 系统中同时采用两种方法解决此问题。 选用的 EPM3064为 MAX3000A 系列的芯片可工作在 3.3V 和 5V 混合电压系统中。另外一个方法是采用 TI 的 SN74ALVC4245 双电压供电的双向驱动器芯片实现电平转换。 LCD 显示驱动电路 MSP430的 LCD控制器采用 4-MUX液晶显示。 LCD电压依靠外部梯形电阻网络产生，外部电阻网络如图

4。不管要驱动的像素数目有多少，总能使激励电流保持恒定不变。系统所选 用的 LCD是 STN型液晶显示器。  

  图 4  LCD 外部梯形电阻网络     系统 ACLK为 32768Hz，LCD 频率由是 ACLK分频产生，  LCD 频率依赖于 LCD液晶显示器 帧频率以及 LCD的 MUX数，计算公式为： f LCD = 2×mux ×fframe 系统中的 LCD帧频率为 75hz ，控制4、软件设计 上电后系统初始化，读取 Flash 中存放的测量数据并显示在LCD上。接下来启动测量过  程。A/D 转换结果由极性和数据组成。转换后的数字信号为 D1、D2、D3、D4 及 D5，其中 D5 （万位）只能是1 或 0，其他几位为 BCD码。当 7135 完成 1 次转换后，产生5 个连续的 STR 低电平， D5 到 D1 依次输出高电平，将各位 BCD码和标志位送入MSP430GPIO口。ICL7135 的 STR引脚接单片机的 P2.2，R/H 置高电平开始进行 AD转换，转换结束后 ICL7135 的 STR 发出低电平脉冲， R/H 置低， ICL7135 处于保持状态，同时单片机读入万位 BCD码 ，退出中断程序。 MSP430 控制坐标轴角度转换，测量出a、b、c、d根据公式计算。系统有 9 个功能 键，分别是测量参数切换键、测量频率切换键、蜂鸣器开关、DQ/θ、50hz/60hz 工频干扰 选择、串并联等效方式切换、flash保存、数据保持 / 分选功能、电源开关。系统软件流程如图 5 所示。   

测量范围测量范围 表 1 参数测量范

系统上电默认选择量程电阻为100 欧姆标准电阻。 根据测量结果跟当前量程范围的边界值比较并自动转换量程，得到准确的测量结果。 结束语 文章论述了基于 MSP430F449的手持 LCR测量仪的设计及涉及到的相关问题解决。一方 面使系统功耗降低， 另一方面测量精度也有提高， 可高精度测量。 系统的测量精度可达0.5%， 所需电流为60mA。