數(shù)字式電參數(shù)測試儀分析

摘要:本系統(tǒng)以MSP430F449為控制核心，由自動判別信號模塊，測頻模塊，測電壓、電阻、電流模塊，LCD顯示和鍵盤等模塊組成。采用等精度法實現(xiàn)了頻率的精確測量，通過分壓網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了對電壓的精確測量，通過將電阻、電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號實現(xiàn)了對電阻、電流的精確測量，且本系統(tǒng)可以自動識別所測信號。由于本系統(tǒng)充分利用了MSP430F449的內(nèi)部資源，所以本系統(tǒng)功耗低，穩(wěn)定性好，精度高，人機界面友好。

關(guān)鍵詞:MSP430F449;等精度法;自動識別;功耗

中圖分類號:TN709 文獻標(biāo)識碼:A 文章編號:1672-3198(2010)02-0307-02

0 前言

隨著測量技術(shù)的飛速發(fā)展以及人們對電參數(shù)的測量精度要求的提高，目前教學(xué)實驗中普遍采用的數(shù)字式萬用表已不能滿足測量要求，因此一種使用更方便，測量精度更高的電參數(shù)測試儀將會有廣泛的使用價值和應(yīng)用前景。

1 理論分析與計算

設(shè)計要求:①電阻測量范圍:10Ω～100KΩ，相對誤差<2%;

②電流測量范圍:100μA～10mA，相對誤差<2%;

③電壓測量范圍:100mV～10V，相對誤差<2%;

④頻率測量范圍:100Hz～10kHz，相對誤差<0.1%;

⑤顯示刷新周期≤2s，使用單5V直流電源供電;

⑥連續(xù)測量的時候可以不檢測輸入信號類型，但須設(shè)置AUTO功能鍵，按下后自動判別一次輸入信號類型，判別時間不大于4S。

頻率測量原理分析。

下圖1為等精度測頻法的測量原理時序圖。等精度測頻法同時使用兩個計數(shù)器A和B對待測信號頻率Fx和頻標(biāo)信號頻率Fm在設(shè)定的精確門內(nèi)進行計數(shù)，精確門與預(yù)置門的門限時間相同，F(xiàn)x的上升沿觸發(fā)精確門。用兩個計數(shù)器分別在精確門內(nèi)對Fx和Fm計數(shù)得數(shù)值分別為M和N，則待測信號的頻率為Fx=MFxN，由于計數(shù)由待測信號的上升沿控制，故M無計數(shù)誤差，誤差為ΔFx=MFxN-1-MFxN，相對誤差為ΔFxFm=1N-1，本系統(tǒng)精確門門限時間為0.5S，頻標(biāo)信號頻率Fm=8MHz，N=4000000，相對誤差可達0.000025%，完全達到設(shè)計要求。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)先對所測信號進行識別，后調(diào)用相應(yīng)的測量電路進行測量。由于本系統(tǒng)將電流，電阻信號轉(zhuǎn)換為電壓信號，將所測測量結(jié)果送入單片機后由其內(nèi)部12位AD進行采樣，根據(jù)所測結(jié)果進行計算后由LCD實時顯示，系統(tǒng)設(shè)計圖見下圖2.

3 主要電路設(shè)計

3.1 信號判別電路方案設(shè)計

本系統(tǒng)首先對待測信號進行頻率檢測，若檢測信號頻率不為0，則轉(zhuǎn)入頻率檢測，若信號頻率為0，則將電阻R1接入回路，檢測R1兩端電壓，若電壓值為0，則待測信號為電阻，轉(zhuǎn)入電阻測量。若電壓值不為0，則將R1換為阻值不同的R2，檢測R2兩端電壓，若電壓值與R1相同則待測信號為電壓，轉(zhuǎn)入電壓測量，若不同，則待測信號為電流，轉(zhuǎn)入電流測量。詳細電路設(shè)計見下圖3.

3.2 電壓測量電路方案設(shè)計

本系統(tǒng)為了降低功耗，充分利用MSP430內(nèi)部資源，所以使用MSP430內(nèi)部AD進行采樣，其內(nèi)部AD為12位，最大輸入幅值為2.5V，精度為 V=0.6mV，完全達到設(shè)計要求精度。將待測通過一電阻分壓網(wǎng)絡(luò)后，將分壓網(wǎng)絡(luò)每個節(jié)點電壓經(jīng)雙四通道模擬開關(guān)MAX309，模擬開關(guān)分兩路輸出，一路信號經(jīng)射級跟隨器后輸入到MSP430中由AD采樣，另一路輸出信號經(jīng)一放大電路后輸入到MSP430中由AD采樣。根據(jù)采樣值判斷比較這兩路輸出值后計算出待測電壓大小。詳細電路設(shè)計下圖4。

3.3 電阻測量電路方案設(shè)計

本系統(tǒng)采用改變反饋電阻大小對恒定電壓實現(xiàn)不同倍數(shù)的放大，通過對輸出電壓的測量可以計算出放大倍數(shù)，從而計算出待測電阻的大小。由于要求采用單電源供電，所以運放采用精密，低噪聲可單電源供電的OPA350，測量小電阻采用導(dǎo)通電阻小于5Ω的模擬開關(guān)MAX4664。詳細電路設(shè)計見下圖5。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件主要由MSP430F449構(gòu)成，根據(jù)按鍵選擇不同的測量電路，從而根據(jù)測量值計算出待測信號的大小。MSP430F449主要完成人機交互部分處理和系統(tǒng)控制和計算，整個系統(tǒng)模塊化思想始終貫穿，詳細流程圖見右圖6所示。

5 數(shù)據(jù)測試與分析

5.1 測試儀器

5.2 測試方案及結(jié)果

通過改變待測頻率，電阻，電壓，電流值的大小檢測系統(tǒng)的測試精確度。詳細測試結(jié)果見下表1，2，3，4.

5.3 結(jié)果分析

通過以上數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)測量信號頻率精度很高，測量其他指標(biāo)精度也達到了設(shè)計要求。由于本系統(tǒng)采用了較多的模擬開關(guān)，其實際導(dǎo)通電阻與其性能參數(shù)中導(dǎo)通電阻相差較大，且隨工作電壓的變化而改變，導(dǎo)致本系統(tǒng)測量精度無法進一步提高，若大量使用繼電器，則會導(dǎo)致系統(tǒng)體積較大，且功耗較高，故綜合考慮模擬開關(guān)比較適合本系統(tǒng)。

6 結(jié)語

本電參數(shù)測試系統(tǒng)與廣泛使用的萬用表相比，使用方便，只需要兩個探測表筆，無需檔位切換便可自動檢測出待測電信號，且精度高，性能穩(wěn)定，具有廣闊的應(yīng)用前景。

參考文獻

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