基于MSP430單片機的智能阻抗測量儀設計

摘要：為了智能小巧高靈敏度地測量電阻、電感和電容，基于MSP430單片機控制、FPGA數字信號處理，設計了一個智能化的LRC(電感、電阻、電容)測量系統，實現了系統使用較少模擬器件，可以實現對電阻、電感、電容元件的自動識別。自動切換檔位和測試頻率以保證測量精度，具有良好的顯示界面，測量范圍廣，體積小等特點。
關鍵詞：MSP430單片機；智能測量；FPGA數字信號處理；自動識別

0 引言
RLC單獨測量的方法有很多，對電阻的測量最為簡單。電容電感對時變信號敏感，可將電容電感轉換成與電量、時間和頻率相關的物理量，通過對電量、時間或頻率的測量獲得電感電容值。目前通過不同的模擬電橋電路可以實現RLC參數的較精確測量，在測量時需要預先甄別RLC類型再選著合適的測量電橋和測量頻率，因此測量時智能化水平不高。隨著數字信號處理技術的成熟，以及AD芯片性能的提升，采用數字信號處理的方法逐漸替代了傳統模擬測量信號相位、頻率、幅度信息，降低了模擬器件的使用量和系統復雜程度，便于智能化控制。
基于MSP430的智能LRC測量系統，利用高速數模轉換電路將信號量化處理，FPGA進行高速數字信號處理獲得信號相位、幅值信息。這樣不僅減少了模擬器件的數量，也減少了信號傳輸中的衰減和模擬器件溫度變化以及供電變化等引入的附加干擾。此外，采用MSP430單片機的智能控制技術，使測量系統具備自動分析、識別、計算的能力。用戶只需開機接入待測量元件即可獲得待測元件的RLC值。

1 系統總體設計
系統采用矢量比例法測量RLC的方法，如圖1所示。圖中參考阻抗用標準阻抗R0代替Z0，可推導出：

由式(2)～(4)可知，只要知道Vx，V0實部、虛部就可以測量待測R，L和C的值。

系統測量過程中總體信號流程如圖2所示，系統首先需要產生頻率非常穩定的正弦波作為圖1的信號源，接入待測元件后，由于V0信號不便直接測量，因此需要減法電路做差后求得V0。為了保證測量精度，系統采用高速高精度的AD芯片進行兩通道交流信號同步采樣，采樣前需要將信號差分化處理。當采樣完成后，數據傳給FPGA進行傅里葉變換。利用傅里葉分析法，對采樣的信號進行FFT變換就能分離出V0，Vx的實部和虛部。FPGA分離出的V0，Vx的實部和虛部數據經單片機MSP430F4617計算，結果將顯示在液晶顯示器上。