學科分類號0806本科生畢業論文設計題目（中文）網絡阻抗測試儀硬件部分（英文）THENETWORKIMPEDANCETESTERHARDWAREPART學生姓名李健學號0910406014系別物理與信息工程系專業通信工程指導教師高吉祥教授起止日期20131201352013年5月17日懷化學院本科畢業論文設計誠信聲明作者鄭重聲明所呈交的本科畢業論文設計，是在指導老師的指導下，獨立進行研究所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，論文不含任何其他個人或集體已經發表或撰寫過的成果。對論文的研究做出重要貢獻的個人和集體均已在文中以明確的方式標明。本聲明的法律結果由作者承擔。本科畢業論文（設計）作者簽名年月日目錄摘要I關鍵詞IABSTRACTIKEYWORDSII1前言12設計方案論證與比較321電源模塊322主控制模塊323按鍵顯示模塊424信號源模塊525測量電路模塊626相敏檢波模塊727本章小結83系統原理及理論分析831自由軸測量法原理832相敏檢波原理1133本章小結134硬件設計1341系統總體設計1342電源模塊1443主控制模塊1544按鍵顯示模塊1645信號源模塊1746測試模塊1947相敏檢波模塊2048本章小結225軟件設計2351系統設計流程圖2352系統子程序說明24521AD9851轉換程序24522CH452轉換程序25523單片機時鐘選擇程序25524液晶顯示程序2653本章小結276數據測試及分析2761測試內容與使用儀器2762測試數據結果2763數據誤差分析287結論29參考文獻29致謝31附錄32附錄A系統電路圖32附錄B程序清單35I網絡阻抗測試儀硬件部分摘要本系統以TI公司16位超低功耗單片機MSP430G2553為核心，以矩陣鍵盤和12864液晶屏為人機交換界面。利用一片AD9851芯片組成信號發生器，通過程序控制產生頻率為1KHZ100KHZ的正弦波，經過低通濾波器濾除雜波，利用待測阻抗與基準阻抗分壓電路和相敏檢測器，檢測出參考電壓相量和阻抗電壓向量在參考電壓方向上的投影，并通過MSP430G2553內部A/D進行采樣，將采樣得到的電壓信號在單片機內進行處理。自由軸法的基本思想是待測阻抗ZX和標準阻抗ZS串聯，嚴格要求被測參數矢量在X、Y坐標軸上投影準確正交，然后分別測出待測阻抗、標準阻抗兩端的矢量電壓UX和US在直角坐標X、Y軸上的分量，最后送入單片機經過四則運算即可求出阻抗網絡的阻抗值和阻抗角。關鍵詞MSP430G2553；AD9851；自由軸法；相敏檢波THENETWORKIMPEDANCETESTERHARDWAREPARTABSTRACTTHISSYSTEMWITHTHE16BITULTRALOWPOWERMICROCONTROLLERMSP430G2553TICOMPANYASTHECORE,WITHMATRIXKEYBOARDAND12864LCDSCREENASMANMACHINEEXCHANGEINTERFACEUSEAD9851CHIPOFSIGNALGENERATOR,FREQUENCYGENERATEDBYPROGRAMCONTROLFORSINEWAVEOF1KHZTO100KHZ,PASSESTHROUGHALOWPASSFILTERTHATFILTERSOUTNOISE,USINGIMPEDANCEUNDERTESTANDBENCHMARKIMPEDANCEANDPHASESENSITIVEDETECTORBLEEDERCIRCUIT,DETECTTHEREFERENCEVOLTAGEVECTORINTHEREFERENCEVOLTAGEANDIMPEDANCEVOLTAGEVECTORINTHEDIRECTIONOFPROJECTION,ANDTHROUGHTHEA/DCHIPSAMPLES,WILLBESAMPLINGTHEVOLTAGESIGNALINTOSINGLECHIPFORIIPROCESSINGFREEAXISMETHODTHEBASICIDEAISFORTHEIMPEDANCEMODELZSSERIESIMPEDANCEZXANDSTANDARDS,STRICTMEASUREDPARAMETERVECTORPROJECTIONONX,YAXISORTHOGONALACCURATELY,ANDTHENRESPECTIVELYMEASUREDIMPEDANCEUNDERTEST,STANDARDIMPEDANCEATEACHENDOFTHEVECTORVOLTAGEUXANDUSINCARTESIANCOORDINATESX,YAXISCOMPONENT,FINALLYINTOTHEMICROCONTROLLERTHROUGHTHEARITHMETICTOTHEIMPEDANCEVALUESOFIMPEDANCENETWORKANDIMPEDANCEANGLEKEYWORDSMSP430G2553；AD9851；FREEMETHODOFSHAFT；PHASESENSITIVEDETECTION11前言隨著電子技術的發展，數字控制等先進方法在數字電路應用領域的擴展，現今社會，產品智能化、數字化已成為人們追求的一種趨勢，設備的性能，價格，發展空間等備受人們的關注，尤其對電子設備的精密度和穩定度最為關注。機電產品廣泛應用于家電、通信、一般工業。無論是日常生活乃至航空航天和軍事領域高端科技領域，電子技術的應用均日益深入。掌握必要的電子知識成為我們常生活必要技能。傳統的網絡阻抗測量儀體積龐大，功耗大，國內外主要儀器廠家還產生了內含微處理器的各種網絡阻抗參數測量儀。這種專用的網絡阻抗測量儀具有多功能、多參量、多頻率、高速度、高精度、大屏幕、菜單方式顯示等優點。如高頻導納電橋，該產品是一種高準確度，寬測試范圍的網絡阻抗測量儀，有液晶顯示屏，全中文菜單。可提供穩定的6位測試分辨率，測試信號電平可進行可編程設置，自動分配選擇匹配系數實現自動化，能適用生產現場高速檢測等應用。雖然高頻導納電橋具有許多的有點，但價格十分昂貴，不便于社會普及。所以在次基礎上，我們要設計出更方便，更便宜的網絡阻抗測試儀，在現有技術的基礎上，我們加了一些改進，雖然達不到非常高的指標，但是，我們基本還是能夠達到了測試的標準。網絡阻抗測量方法有許多種，各自有著不同的優缺點，根據實際需要選擇適合的設計方法。比如交流電橋法，運用交流電橋法進行網絡阻抗測量時系統要達到平衡，實現平衡必須滿足兩個條件，必須調2節兩個橋臂的參數，才能使電橋完全達到平衡，而且往往需要對這兩個參數進行反復地調節，所以交流電橋的平衡調節要比直流電橋的調節困難一些。具有較高的測量精度，被廣泛采用，現已派生出許多類型。但電橋法測量需要反復進行平衡調節，測量時間長，很難實現快速的自動測量。還有諧振法，要求較高頻率的激勵信號，一般不容易滿足高精度的要求。由于測試頻率不固定，測試速度也很難提高。還有伏安法是最經典的方法，它的測量原理來源于阻抗的定義。即若已知流經被測阻抗的電流相量并測得被測阻抗兩端的電壓，則通過比率便可得到被測阻抗的相量。采用了基于自由軸伏安測量法的測量原理和四端測量技術。自由軸法可將復數變換成是實數的計算。大大降低了計算的復雜度。為了方便和高靈敏度地測量網絡阻抗，本設計利用MSP430單片機作為控制芯片。MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（MIXEDSIGNALPROCESSOR）。稱之為混合信號處理器，是由于其針對實際應用需求，將多個不同功能的模擬電路、數字電路模塊和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片機”解決方案。該系列單片機多應用于需要電池供電的便攜式儀器儀表中。綜合之前的知識，我們設計了一種基于自由軸法的智能化的網絡阻抗測量系統。該系統由信號源產生電路、測量電路、相敏檢波電路、微處理器電路、顯示電路、按鍵電路構成。具有自動換擋測量阻抗的功能。32設計方案論證與比較21電源模塊方案一用開關穩壓電源給整機供電，開關電源工作效率高，能夠完成本作品電源的供電，但是開關電源比較復雜，而且體積也比較大，制作不便，而且輸出紋波比較大，不適合對電源要求較高的精密儀器。方案二單片機控制系統以及外圍芯片供電采用78系列三端穩壓器件，通過全波整流，然后進行濾波穩壓1。此方案能滿足題目要求，而且簡單實用，易于自制。綜合考慮，因三端穩壓器具有結構簡單、外圍器件少、性能優良、調試方便的各個特點，以及優點，所以電源部分采用三端穩壓電路，故選用方案二。22主控制模塊方案一采用中小規模集成電路構成的控制電路，此方法實現起來電路復雜，元件較多，容易出故障，而且不適合復雜的控制。方案二采用可編程邏輯器件（如FPGA）構成的控制器，該控制器價格比較昂貴，不適合本設計。方案三采用以單片機為核心的最小系統方案，以主控制芯片MSP430G2553的核心，由于對此芯片比較熟悉，且外圍元件不多，容易掌握，可靠性高。綜合考慮，方案三從性價比和性能上都比方案一和方案二好，故選擇方案三，原理圖框如圖21所示。4圖21控制模塊原理框圖23按鍵顯示模塊方案一采用獨立鍵盤作為控制，其中每個按鍵占用一條I/O線，當按鍵數量較多時，I/O口利用率不高，但程序編制簡單。適用于所需按鍵較少的場合。液晶采用LCD12864，它能夠顯示足夠的信息量且方便使用。方案二采用矩陣鍵盤作為控制，電路連接復雜，但提高了I/O口利用率，軟件編程較復雜。適用于需使用大量按鍵的場合，為了進一步提高I/O的利用率，可以使用矩陣按鍵驅動芯片CH452，它最少僅需兩根線就可以和單片機通信，實現88矩陣鍵盤功能。液晶同樣采用LCD12864，它能夠顯示足夠的信息量且方便使用。綜合考慮，方案二比方案一合理，它克服了按鍵少的缺點，提供豐富的按鍵資源且僅需兩個I/O口資源，液晶LCD12864作為顯示也能滿足要求，故選取方案二。524信號源模塊方案一采用集成函數發生器產生的波形利用函數發生器如（ICL8038）產生頻率可變的正弦波、方波、三角波。此方案實現電路復雜，難于調試，實現波形難度大,且要保證技術指標困難，故采用此方案不理想。方案二采用瑣相環間接合成（PLL）雖然具有工作批頻率高、寬帶、頻譜質量好的優點，但由于鎖相環本身是一個惰性環節，鎖定時間長。另外由模擬方法合成的正弦波的參數（如幅度頻率和相位等）都很難控制，而且要實現1KHZ10KHZ大范圍的頻率變化相當困難，不易實現。方案三采用直接數字式頻率合成（簡稱DDS），利用單片機編程控制AD9851芯片，按不同的頻率要求以頻率控制字K為步進對相位增量進行累加，以累加相位值作為地址碼讀取存放在存儲器內的波形數據。經D/A轉換和幅度控制，再濾波就可以得到所需要波形。由于DDS具有相對帶寬，頻率轉換時間極短（可小于20UF）,頻率分辯率高，全數字化結構便于集成等優點，以及輸出相位連續，頻率、相位和幅度均可實現程控，因此，可以完全滿足本題的要求。綜合考慮，方案三比其他方案合理，克服了其他方案的缺點，故選取方案三，該芯片原理圖框如圖22所示。6圖22AD9851芯片原理框圖25測量電路模塊方案一諧振法要求較高頻率的激勵信號，一般不容易滿足高精度的要求。由于測試頻率不固定，測試速度也很難提高。需要調諧到諧振，阻抗測量精度低。方案二動平衡電橋法對從低頻至高頻的寬頻率范圍，且寬的阻抗測量范圍內具有高精度。但其不能適應更高的頻率范圍要求，而且檢測器電路要求比較高，硬件電路設計較為復雜，調試難度大。方案三基于自由軸法的阻抗測量方法將對阻抗的測量轉換成對相量比值的測量，而且自由軸法坐標軸的選擇可以是任意的，參考電壓可以不與任何一個被測電壓的方向同向，由于其精確的正交坐標系主要靠軟件產生和保證，硬件電路大大簡化，還消除了固定軸法難以克服的同相誤差，提高了精確度。被測參數通過MCU獲得，因而可以方便的計算出阻抗模值|ZX|、阻抗角、品質因數等。綜合考慮，故采用方案三，原理圖框如圖23所示。7圖23測量電路模塊原理框圖26相敏檢波模塊方案一采用專用的數字電表芯片ICL7135，ICL7135是采用CMOS工藝制作的單片45位A/D轉換器，只要附加譯碼器，數碼顯示器，驅動器及電阻電容等元件，就可組成一個滿量程為2V的數字電壓表。方案二采用差分運放以及加法器等電路組成信號調節電路，最后利用MSP430G2553內部自帶的10位A/D轉換器采集電壓值，該方案原理簡單，實現起來不復雜，而且充分利用單片機芯片內部資源，節省外部A/D芯片。綜合考慮，由于MSP430G2553內部具有集成了A/D芯片，而且使用起來方便，所以方案二更合理，故采用方案二，原理圖框如圖24所示。8圖24相敏檢波模塊原理框圖27本章小結本章主要討論了系統各個模塊的選擇，然后通過論證、比較，得到了最佳設計方案。比如電源模塊的選擇，它的選擇決定了系統穩定性，紋波較大的電源會直接影響測量的精度。控制模塊的選擇，它決定了整個系統在什么樣的處理器下工作，處理器是一個系統的控制中心。信號源模塊，測量模塊，相敏檢波模塊它們的選擇很重要，是整個系統的核心電路，決定了系統能不能達到想要的指標，能不能符合設計的目的。3系統原理及理論分析31自由軸測量法原理如圖31所示，R0為信號源內阻，RS是標準電阻，ZX為被測阻抗，利用一個集成運算放大器組成反相輸入比例運算電路。測量時，開關S通過程控可以分別置于UX或US端。由圖可知被測阻抗ZXSSXXZUUZ319圖31網絡測試原理框圖由式31可知，只要測出UX，US在直角坐標系中兩坐標軸X，Y上的投影分量，經過四則運算，即可求出測量結果。圖32中，被測信號與相位參考基準信號經過相敏檢波器后，輸出就是被測信號在坐標軸上的投影分量。相位參考基準代表著坐標軸的方向，為了得到每一被測電壓US或UX在兩坐標軸上的投影分量，基準相位發生器需要提供兩個相位相差90的相位參考基準信號。需要指出的是在自由軸法中，相位參考基準與US沒有確定關系，可以任意選擇，即X，Y坐標軸可以任意選擇，只需保持兩坐標軸準確正交90。UX，US和坐標軸的關系如圖32所示。圖32自由軸法矢量圖10應用圖31測量時，通過開關S選擇某一被測量如UX，基準相位發生器依次送出兩個相位相差90的相位參考基準信號，經相敏檢波器后分別得到UX在兩坐標軸上的投影分量U1，U2。類似，當開關S選擇US時，可分別得到US在兩坐標軸上的投影分量U3，U4。各投影分量經AD轉換器可得對應的數字量，再經微處理器計算便得到被測元件參數值。若以電阻、電容、電感串聯接入，來推導數學模型。由圖32可得到UXU1JU2EN1JEN232USU3JU4EN3JEN433式中NI為UI對應的數字量，E為AD轉換器的刻度系數，即每個數字所代表的電壓值。由式32，式33可知24234132242342314321NNNNNNJNNNNNNJNNJNNUUSX34直接通過對N1N4數值的運算，即可完成矢量除法運算。由表達式我們可以得到SSSSXXZNNNNNNJZNNNNNNZUUZ242341322423423135所以對于阻抗模|A|22BA，對于阻抗角ARCTANAB（其中ASZNNNNNN24234231，BSZNNNNNN24234132）1132相敏檢波原理相敏檢波有乘法型D/A鑒相和開關鑒相兩種方案，由于鑒相前端的直流容易產生漂移，在乘法器中直流也會產生漂移，造成噪聲的處理和濾波都很麻煩，所以選擇開關鑒相的方案，開關鑒相的等效原理框圖如圖33所示。圖33開關鑒相的等效原理框圖在原理框圖中，UI是輸入的待測信號，UO是相敏檢波后的輸出信號，UC是單刀雙閘開關的控制信號，當UC為高電平時選擇上端，UC為低電平時選擇下端。電路的基本原理是通過單刀雙閘開關將待測信號UI分成兩路，再分別通過低通濾波器，濾除交流分量，保留直流分量，得到的直流信號通過差分放大器將兩路信號合并。其中相位0O的UC控制信號輸出波形圖，如圖34所示。其中相位90O的UC控制信號波形圖，如圖35所示。12圖34相位0O的UC控制信號輸出波形圖圖35相位90O的UC控制信號輸出波形圖在圖34和圖35中，相位0O的波形圖的輸出UO代表待測信號在X坐標軸上的投影U1，也就是該信號的實部，相位90O的波形圖的輸出UO代表待測信號在Y坐標軸上的投影U2，也就是該信號的虛部?？梢酝ㄟ^勾股定理計算該待測信號UI的幅度UX。從圖34和圖35中，我們可以得到其直流分量的理論計算值，圖34中UO的虛線部分代表著該直流分量通過低通濾波器之前所對應的波形，該波形就是周期全波正弦信號，它的傅立葉級數為133COS354E2COS154ECOS34E2EFT111TTT周期全波正弦信號的直流分量2ECV，那么該周期全波正弦信號通過截止頻率1C的RC低通濾波器之后就可以得到其直流分量了。圖35中UO的虛線部分代表著該直流分量通過低通濾波器之前所對應的波形，可以看出該波形是一個奇函數，根據奇函數的性質，它的直流分量C0V。33本章小結本章主要介紹了本系統的兩個主要原理，分別為自由軸測量法原理和相敏檢波原理，從理論上論證了該方案的可行性，為設計提供了保障，自由軸測量法的核心是公式的推導，在軟件計算部分還需要利用這些推導的公式來得到計算的結果。相敏檢波主要是在硬件電路上實現對信號的一些相關處理，最終得到需要A/D采樣的電壓值。通過對這兩個理論的分析，就可以很好的理解本設計的各個組成模塊和要點。4硬件設計41系統總體設計本系統是由信號源模塊、測試模塊、相敏檢波模塊、鍵盤顯示模塊、供電模塊以及主控制模塊構成，并以MSP430G2553單片機為核心控制芯片。如圖41所示。14圖41系統總設計原理框圖MSP430G2553單片機控制信號源模塊產生一路正弦波作為測試用信號，兩路相互正交的方波作為相敏檢波模塊的控制信號。單片機還控制測試模塊中標稱電阻的檔位選擇以及測試模塊中放大信號和放大倍數的選擇，通過不同檔位的選擇可以實現量程的轉換，通過對放大信號的選擇可以分別測的標稱電阻上的信號和待測元件上的信號，通過對信號放大倍數的調整可以使單片機A/D采樣值始終保持在最佳采樣的范圍內。在相敏檢波模塊中，單片機控制選擇相位0O和90O的方波，分別測量信號的實部和虛部，最后通過A/D采樣輸出的電壓值。矩陣鍵盤和液晶作為人機交互設備。42電源模塊本系統供電模塊使用三端穩壓集成芯片作為電源模塊2，能輸出可靠，有效的電壓，并且有效的減少紋波。由圖42得知，電路由變壓器、橋式整流器、濾波電容和穩壓芯片、LED顯示燈等部分組成。15電壓輸出用到集成穩壓芯片LM7805、LM7905、AMS111733，其中AMS111733提供33V電壓給單片機供電，LM7805和LM7905提供5V和5V給系統其他各個模塊供電。其中為了減少數字電路對模擬電路的影響，我們將數字電源和模擬電路之間加了一個型濾波電路，在數字地和模擬地之間加一個0歐姆電阻隔離3，這些元件的加入可以在很大程度上提高電路的穩定性，減少干擾信號。VCC_5VDVCC_5VDVCC_5VR11KDVCC_5VDVCC_5V12C4220UF12C301UF12C2033UF12C12200UFIN1GND2OUT3U17805IN2GND1OUT3U2790512C72200UF12C8033UF12C901UF12C10220UFGNDR21KVCC_5V12D1DIODELED12D2DIODELED12L1100UH12L2100UH12C601UFGND12C1301UFGND12345P1HEADER512345P2HEADER512345P3HEADER512345P4HEADER5GNDDGND12345P6HEADER512345P7HEADER5123CON112VGND22113344S1SW614AC2AC3B1KBPCOUT2GND1IN3U3AMS1117GND12C11033UF12C1401UF12C15220UF12345P5HEADER5DVCC_33V12D3DIODELEDR41KDVCC_5VR30OHM12C5100UF12C12100UF圖42供電模塊電路原理圖43主控制模塊采用以MSP430G2553單片機為核心的最小系統方案，德州儀器TIMSP430系列超低功耗微控制器包含多種器件，它們特有面向多種應用的不同外設集。這種架構與5種低功耗模式相組合，專為在便攜式測量應用中延長電池使用壽命而優化。該器件具有一個強大的1616位RISCCPU，16位寄存器和有助于獲得最大編碼效率的常數發生器。數字控制振蕩器DCO可在不到1S的時間里完成從低功耗模式至運行模式的喚醒。MSP430G2553系列是超低功耗混合信號微控制器，具有內置的16位定時器、一個多用途模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內置通信能力。此外，MSP430G2553還具有一個10位模數A/D轉換器。單片機外圍組成還包括一個晶振，兩個按鍵，兩個LED燈以及一些芯片的I/O引腳接口，如圖43所示。圖43單片機最小系統電路圖44按鍵顯示模塊如下圖44所示，鍵盤采用44矩陣鍵盤，易于實現各種功能的控制，外加一塊矩陣按鍵驅動芯片CH452，CH452是數碼管顯示驅動和鍵盤掃描控制芯片。CH452內置時鐘振蕩電路，可以動態驅動8位數碼管或者64只LED，具有BCD譯碼、閃爍、移位、段位尋址、光柱譯碼等功能；同時還可以進行64鍵的鍵盤掃描；CH452通過可17以級聯的4線串行接口或者2線串行接口與單片機等交換數據；并且可以對單片機提供上電復位信號。顯示模塊采用LCD12864，液晶顯示模塊是12864點陣的漢字圖形型液晶顯示模塊，可顯示漢字及圖形，內置國標GB2312碼簡體中文字庫（16X16點陣）、128個字符（8X16點陣）及64X256點陣顯示RAM（GDRAM）?？膳c單片機串行連接節省I/O口資源。1234567891011121314151617181920P912864GNDVCCCSSIDSCLKGNDVCCVCCGNDSEG71VCC2INT3ADDR4SDA5SCL6DIG77DIG68DIG59DIG410DIG311DIG212DIG113DIG014GND15RST16H3L217SEG018SEG119SEG220SEG321SEG422SEG523SEG624U1CH452VCCGND11223344S011223344S111223344S211223344S311223344S811223344S911223344S1011223344S1111223344S1611223344S1711223344S1811223344S1911223344S2411223344S2711223344S2511223344S26SEG0DIG012C2220UFC1104R101KGNDR111KR121KR131KSEG1SEG2SEG3DIG1DIG2DIG3SEG0DIG0SEG1SEG2SEG3DIG1DIG2DIG312P1HEADER2VCCGND123P4HEADER31234P2HEADER4GND12P5HEADER2R1200R2200R6200R9200R31KR41KR51KR71KR81KSDASCL12P3HEADER2VCC123RP110KC3104CSSIDSCLK圖44按鍵和顯示模塊電路圖45信號源模塊信號源模塊采用高集成度DDS頻率合成器AD9851芯片實現波形的產生，AD9851合成一路正弦波，再經過LC組成的7階橢圓濾波器濾除高頻干擾4，7階橢圓濾波器的截止頻率FC20MHZ，可以濾除晶體振蕩器帶來的高頻干擾，7階橢圓濾波器的MULTISIM120仿真圖，如下圖45所示，再經過一個反相比例放大器實現對波形幅度的調整。18圖457階橢圓濾波器幅頻特性圖正弦波再通過AD9851內部的比較器輸出一個方波信號，該方波通過CD74HC4046集成鎖相環芯片實現方波的4倍頻，CD74HC4046是帶VCO的高速CMOS邏輯鎖相環5，用該芯片再加上一個外部的分頻器就可以實現PLL鎖相環倍頻。然后再利用移位寄存器芯片74HC1646實現相互正交的兩路方波輸出，該相互正交的兩路方波與合成的正弦波同頻。一路方波產生兩路相互正交方波的MULTISIM120仿真圖如下圖46所示。圖46兩路相互正交方波圖19信號源模塊的實際電路原理圖47如下圖所示，分別用到了頻率合成芯片AD9851，運算放大器OPA211，邏輯鎖相環芯片CD74HC4046，雙十進制計數器74LS390，移位寄存器芯片74HC164。12C210UFR310KVCCGND123P1HEADER3R1439KC3104GNDD31D22D13D04PGND5PVCC6W_CLK7FQ_UD8REFCLK9AGND10AVDD11RSET12VOUTN13VOUTP14VINN15VINP16DACBP17AVDD18AGND19IOUTB20IOUT21RESET22DVDD23DGND24D7SERIAL25D626D527D428U1AD9851VCCGNDW_CLKFQ_UDS_LOADVCCGNDNC1GND2OUT3VCC4X150MHZVCCGNDVCCVCCR120R51KR71KR21KR40GNDVCCC4104C5104C6104123P2HEADER3GNDVCCGNDR9100KR15100KR16100GNDR10200GNDC21470PL122UHL222UHL322UHC108PC1110PC123PC1756PC1856PC1930PC1620PGNDR11200GNDVINPVINPVINNVINN12C110UF32647U2OPA211C1410512C9330UFVEE123P3HEADER3R61KR81KGND123RP12KVCCVEE12C2210UFC20104GND12C810UFC7104GND123P5HEADER3C1510512C13330UFC23104GNDR130GNDVOUTPPCPOUT1PC1OUT2COMIN3VCOOUT4INH5C16C27GND8VCOIN9DEMOUT10R111R212PC2OUT13SIGIN14PC3OUT15VCC16U3CD74HC4046A12C2410UFR1722K123P10HEADER3R18100KGNDGNDVCCC29104GNDC25102CP01MR2Q03CP14Q15Q26Q37GND8Q39Q210Q111CP112Q013MR14CP015VCC16U474LS390GNDVCCGNDGNDGND123P6HEADER3VOUTPA1B2QA3QB4QC5QD6GND7CLK8CLR9QE10QF11QG12QH13VCC14U574HC164123P8HEADER3SQUARE_4SQUARE_1SQUARE_4VCC123P7HEADER3123P9HEADER3VCCGND12C2810UF0_CLK90_CLK0_CLK90_CLKSINR11K12D1DIODELEDC26103C27103123P4HEADER3S_LOADW_CLKFQ_UD123P11HEADER3GND123P12HEADER3GNDR19012P13HEADER2GND圖47信號源模塊電路圖46測試模塊測試模塊作用是分別對被測件的電壓UX及標稱電阻上的電壓US進行處理，以便更適合后級電路的工作，分別做了檔位選擇和幅度的放大的處理。本設計的測試電路如圖48所示，它由集成運算放大器、模擬開關和儀表放大器組成。測量時，先通過程控使開關接到測量待測元件ZX上的電壓UX，再通過程控使開關接到標稱電阻上的電壓US。其中標準電阻R9、R14、R15、R17用來改變量程。UX、US分別被儀表放大器放大之后，便經程控開關送到輸入運20算放大器放大，放大器的增益可以通過程控開關被置為1倍、2倍或者4倍7。BY1BX2CY3C4CX5INH6VEE7VSS8C9B10A11AX12AY13A14B15VDD16U3CD4053VCC123P1HEADER3123P2HEADER3GNDVEE123P3HEADER3123P4HEADER3GNDSIGNAL_INVCCVEE32647U6OPA37C1610412C2510UFC17104VCCGNDGNDVEEVCCVEE123P11HEADER3123P8HEADER3GND123P14HEADER3GND123P6HEADER3123P9HEADER3R1100GNDR211KR9100R14500R151KR175KY01Y22Y3Y34Y15INH6VEE7VSS8B9A10X311X012X13X114X215VDD16U5CD4052GNDGNDVCCVEE12C2210UFC1410412C2310UFC15104VCCGNDGNDVEE32647RG1RG8REF5U2INA12832647RG1RG8REF5U4INA128VCCVEEVCCVEEGNDGNDR310KR1010K12C2810UFC2010412C2910UFC21104VCCGNDGNDVEE12C2610UFC1810412C2710UFC19104VCCGNDGNDVEE12P16HEADER2R20012P15HEADER2GNDGND32148U1AOPA2209567U1BOPA220912C810UFC610412C910UFC7104VCCGNDGNDVEE12C1210UFC1010412C1310UFC11104VCCGNDGNDVEE12P5HEADER212P10HEADER2R2500R71KR51KGNDR8500VCCVEER61KR41KGND123P7HEADER3R16012P12HEADER2GND123P13HEADER3R181KR191KR111KR121KR131K圖48測試模塊電路圖47相敏檢波模塊相敏檢波的作用是將UX、US用不同參考相位進行鑒相并將其平均值通過A/D轉換成相應的數字量。相敏檢波由模擬開關CD4053構成，控制模擬開關通斷的信號就是相位0O或90O基準方波信號。相敏檢波電路的輸出是被測電壓信號在坐標軸上的投影，當基準方波信號相位0O時，就是信號在實軸上的投影，當基準方波信號相位90O時，就是信號在虛軸上的投影。相位0O時的MULTISIM120仿真圖如下圖46所示，示波器第一通道代表0O的方波信號，第二通道代表相敏檢波的一路輸出，第三通道代表相敏檢波的另一路輸出。21圖49相位0O時相敏檢波輸出波形圖這兩路輸出通過后面的RC低通濾波器，輸出就得到相應的直流分量，兩路直流分量通過差分放大器就能夠得到被測電壓在坐標軸上的投影值。單片機內部A/D對最后所得的信號進行采樣，可得到被測阻抗兩端電壓UX分別在X軸和Y軸的投影分量以及標稱電阻兩端電壓US分別在X軸和Y軸的投影分量。因為差分放大器輸出的電壓是有極性的，有可能產生負電壓，所以最后加了一級加法器，單片機的有效采樣范圍是033V，而差分放大器的輸出電壓范圍為1212V，所以利用加法器將將電平抬升15V，那么最后A/D采樣的范圍就是0327V，在這個范圍內單片機內部A/D芯片能夠采樣正確。相敏檢波模塊的硬件電路圖，如下圖410所示。22BY1BX2CY3C4CX5INH6VEE7VSS8C9B10A11AX12AY13A14B15VDD16U5CD4053VCCGNDVIN2GND4VOUT6TRIM5NC1NC3NC7NC8U1REF504012C21UF12C110UFGND12C322UFVCC123P1HEADER3123P2HEADER3GNDVEE123P3HEADER3123P4HEADER312P9HEADER212P7HEADER212P8HEADER2GNDSIGNAL_INSIGNAL_IN0_CLK90_CLK0_CLK90_CLKGNDGNDSIGNAL_INCLK_SELCLK_SELVCCVEEGND12C610UFC410412C710UFC5104VCCGNDGNDVEE4751623U4INA105R5120KR6120K12C810412C9104GNDGNDVCCVEEGND32647U3OPA3732647U2OPA37123RP15K12C1810UFC1210412C1910UFC13104VCCGNDGNDVEEVCCVEE12C2010UFC1410412C2110UFC15104VCCGNDGNDVEEC10104C11104R410KR310KR210KGNDVCCVEER85KR710KGND123P5HEADER3123P6HEADER3GNDR9012P10HEADER2GNDGNDGND123P11HEADER3GNDR10032148U6AOPA2209567U6BOPA2209VCCVEER111K圖410相敏檢波模塊電路圖48本章小結本章主要講解了系統的各個部分硬件電路的設計以及具體的電路原理圖，首先講了電源模塊，電源模塊是一個系統最重要的部分，同時也決定了系統的穩定性。然后就是單片機最小系統的硬件電路圖，采用TI公司的MSP430系列單片機，該單片機的硬件電路比較簡單。還有人機交互的按鍵和顯示模塊電路圖8，44矩陣鍵盤和12864液晶方便的實現了交互的功能。最后就是本系統用于實現功能的三個重要模塊，分別為信號源模塊硬件電路、測試模塊硬件電路、相敏檢波模塊硬件電路，還具體講解了一些關于實現功能的原理仿真，充分利用MULTISIM120仿真軟件為設計做前期的模擬仿真準備，防止一些理論計算的疏忽而導致的錯誤。235軟件設計51系統設計流程圖軟件程序實現整個系統的調控，系統總流程圖如圖51所示圖51系統軟件控制流程圖函數從主函數開始，將程序初始化，比如MSP430單片機時鐘初始化、液晶顯示初始值、按鍵初始化等等，之后進入按鍵掃描，如果沒有按鍵值就進入默認設置，有按鍵值按下，就進行模式的選擇，分為自動模式和手動模式。在自動模式中，首先有個默認檔位選擇，然后是AD的采樣和計算，如果計算值超過相應的量程，就進行檔位切換，直到切換到合適的檔位上，如果正確就在液晶上進行顯示計算得到的數值，最后程序返回按鍵掃描進行循環。在手動模式中，檔位的24選擇是人工控制的，通過按鍵加一檔或者減一檔，然后進行AD采樣計算和顯示數值，最后程序返回按鍵掃描進行循環9。52系統子程序說明本程序采用了模塊化的思想，除了主程序之外，還分為四個應用程序，分別為AD9851轉換程序，CH452轉換程序，單片機時鐘選擇程序，液晶顯示程序。521AD9851轉換程序AD9851轉換程序是根據芯片AD9851的時序圖進行編寫的。如圖52所示，開始變量定義與賦值，再進行串行驅動的初始化，然后寫頻率控制字、寫命令控制一些內部寄存器的操作、寫相位控制輸出相位。圖52AD9851轉換程序流程圖25522CH452轉換程序鍵盤程序是人機溝通的關鍵，如圖53所示，矩陣按鍵驅動芯片CH452的驅動程序，開始變量定義與賦值，然后就是啟動總線實現通信，接著讀取數據，結束總線，最后返回按鍵值10。圖53CH452轉換程序流程圖523單片機時鐘選擇程序如圖54所示，單片機時鐘選擇程序，主要是配置一些單片機內部寄存器，實現單片機時鐘頻率的選擇,開始變量定義與賦值，然后設定芯片內部振蕩器頻率，然后就是輔助時鐘的設定，它是為外圍模塊提供低頻時鐘的信號，再是子時鐘的設定，它是為外圍模塊提供高頻時鐘的信號，最后是主時鐘的設定，為CPU和系統提供時鐘。26圖54單片機時鐘選擇程序流程圖524液晶顯示程序如圖54所示，顯示包涵數據的初始化顯示和實時的測量數值顯示，開始變量定義與賦值，然后寫命令控制，最后寫入需要顯示的初始化數據11。圖54LCD顯示流程圖2753本章小結本章結合系統總設計原理，給出總設計軟件流程圖。并對此流程圖進行步驟解釋說明，然后分模塊具體介紹各部分流程圖，重點介紹了AD9851轉換程序，CH452轉換程序，單片機時鐘選擇程序，液晶顯示程序，使總體框架更加清晰明了。6數據測試及分析61測試內容與使用儀器數據測試是反映系統性能的重要指標。因此本測試進行了全面的測試，測試信號源輸出頻率及幅度，輸出待測網絡阻抗模及阻抗角，判斷網絡結構，測量諧振頻率點。本系統測試采用的儀表如下TEKTRONIX數字示波器、數字萬用表、高頻導納電橋62測試數據結果根據題目要求，我們進行了以下測試表61信號源頻率和幅值測試表頻率KHZ理論值12510205080100測量值100200500100020005001800010005幅值V理論值11111111測量值10061000100510041001098310051000表62|Z|和的測試測試表（1）R、L串聯R1KL10MH頻率KHZ11050100200|Z|/理論值100211813296636212606測量值100011753300635812596理論值389716723380958545測量值50082082009000900028（2）R、C串聯R500C20NF頻率KHZ11050100200|Z|/理論值7973939524506501測量值7969946530512511理論值864078681767905455測量值950088881999133155（3）L、C串聯L05MHC10NF頻率KHZ11050100200|Z|/理論值159121560161155549測量值159221569169165558理論值90009000900090009000測量值80008366799980998502表63網絡結構的測試網絡1網絡2網絡3網絡4網絡5網絡6R理論值5001K/5001K/測量值478990/489991/L理論值/10MH05MH/20MH10MH測量值/8MH04MH/18MH9MHC理論值20NF10NF/5NF/1NF測量值18NF9NF/4NF/1NF串并聯理論值串串串并并并測量值串串串并并并63數據誤差分析正弦波信號發生器的誤差AD9851的工作頻率比較高，有噪聲影響產生的信號。幅值測量的誤差電路本身有轉換誤差，而且A/D采集后數據處理也有誤差。放大及濾波電路的誤差放大器不是理想的運放，濾波電路不可能濾去所有頻段的干擾。測量結果的誤差由于器件本身的固定誤差以及環境因素導致了結果產生的誤差。297結論在設計制作網絡阻抗測試儀的過程中，我學到了許許多多的知識和以前沒有接觸到的東西。我深切體會到，實踐是理論運用的最好檢驗。本次設計是對我們四年所學知識的一次綜合性檢測和考驗，無論是動手能力還是理論知識運用能力都得到了提高，同時加深了我們對網絡資源認識，大大提高了查閱資料的效率，使我們有充足的時間投入到電路設計當中。本系統的研制主要應用到了模擬電子技術、單片機控制技術、儀器儀表相關的工作原理、電子工藝等多方面的知識，所設計的基于單片機程序控制的網絡阻抗測試儀，基本達到了題目要求。但是在過程中我也遇到了許許多多的問題，其中包括芯片的保護，PCB的布線排版原則，電源方案的選擇等等。在數據測試和調試方面，由于儀表存在誤差和電路器件因工作時間過長而產生的誤差，使得測量數據不是很精確，本系統通過多次測定和修正，最終達到了預期的目標。參考文獻1全國大學生電子設計競賽組委會第六屆全國大學生電子設計競賽作品選編。北京電子工業出版社，20072高吉祥模擬電子技術（第二版）北京電子工業出版社，20073華成英，童詩白模擬電子技術基礎北京高等教育出版社，2006124高吉祥模擬電子技術學習輔導及習題詳解北京電子工業出版社，200515高吉祥電子技術基礎實驗與課程設計（第二版）北京電子工業出版社，200526高吉祥數字電子技術（第二版）北京電子工業出版社，200817高吉祥，唐朝京全國大學生電子設計競賽培訓系列教程模擬電子線路設計北京電子工業出版社，200788潘永雄，沙河電子線路CAD實用教程第三版西安西安電子科技大學出版30社200979譚浩強C程序設計（第三版）北京清華大學出版社，200710譚浩強C程序設計題解與上機指導（第三版）北京清華大學出版社,200711郭天祥新概念51單片機C語言教程北京電子工業出版社，2009131致謝時光匆匆如流水，轉眼便是大學畢業時節，春夢秋云，聚散真容易。離校日期已日趨臨近，畢業論文的完成也隨之進入了尾聲。從開始進入課題到論文的順利完成，一直都離不開老師、同學、朋友給我熱情的幫助，在這里請接受我誠摯的謝意經過近幾個月的畢業設計工作，我的論文和設計終于完成了。在設計網絡阻抗測試儀的過程中，高吉祥教授對本設計的理論運用、報告撰寫和數據測量等方面給予了很多寶貴的意見，在此特別感謝我的導師高吉祥教授給予我的指導和幫助。老師在淵博的學識，學術上嚴謹求實，兢兢業業、一絲不茍的工作作風都是我將來走出校門學習的榜樣。我可以感受到一個學者的嚴謹和務實，這些都讓我獲益菲淺，并且將終生受用無窮。畢竟“經師易得，人師難求”，希望借此機會向高教授表示最衷心的感謝同時非常感謝期間幫助過我的同學們，在他們的幫助下，我們的設計才得以順利完成。在此，我再一次衷心的感謝所有幫助，關心和支持我本次設計的老師和同學們，你們不僅培養了我對本專業濃厚的興趣，而且你們循循善誘的教導和不拘一格的思路給予我無盡的啟迪，是你們讓我懂得了什么叫“一份耕耘，一份收獲”。在未來的日子里，我會更加努力的學習和工作，不辜負你們對我的殷切期望32附錄附錄A系統電路圖VCC_5VDVCC_5VDVCC_5VR11KDVCC_5VDVCC_5V12C4220UF12C301UF12C2033UF12C12200UFIN1GND2OUT3U17805IN2GND1OUT3U2790512C72200UF12C8033UF12C901UF12C10220UFGNDR21KVCC_5V12D1DIODELED12D2DIODELED12L1100UH12L2100UH12C601UFGND12C1301UFGND12345P1HEADER512345P2HEADER512345P3HEADER512345P4HEADER5GNDDGND12345P6HEADER512345P7HEADER5123CON112VGND22113344S1SW614AC2AC3B1KBPCOUT2GND1IN3U3AMS1117GND12C11033UF12C1401UF12C15220UF12345P5HEADER5DVCC_33V12D3DIODELEDR41KDVCC_5VR30OHM12C5100UF12C12100UF圖A1供電模塊電路圖圖A2控制模塊電路圖331234567891011121314151617181920P912864GNDVCCCSSIDSCLKGND