基于MSP430單片機的智能阻抗測量儀設計

2．1 系統主控制MCU模塊
儀器的控制核心采用MSP430F4617單片機，該芯片有2個16位定時模塊單元，多路12位A／D采樣轉換模塊，12位D／A轉換模塊，多路時鐘系統，存儲容量大，數量多的I／O口，在整個系統中是利用率比較高的器件。在系統測量過程中，首先用于分析測量數據，根據測量值與沒定參數比較，然后再反饋給控制測量模塊選擇合適R0達到最佳測量狀態。根據初步測量結果反饋控制函數發生器以及內部定時器選擇合適函數頻率，進行精確的測量，最終控制液晶顯示器將測量的元件的電學特性RLC值輸出顯示。
2．2 FPGA數字信號處理模塊
FPGA芯片采用XC3S200A芯片，系統中高速A／D采樣芯片工作頻率較高它的控制時鐘以及采樣時序主要由FPGA控制產生，同時利用FPGA處理數字信號速度快的特點對圖3兩路信號V0，Vx進行FFT運算分離出實部虛部信息，并將數據傳送給單片機。
2．3 A／D采樣模塊
為了減小圖3中2個模擬輸入信號V0，Vx的相位誤差，系統采用AD7862高速、低功耗、雙核12位模數轉換器(ADC)芯片進行采樣。該器件內置2個4μs逐次逼近型A／D轉換器、兩個采樣保持放大器、一個2．5 V內部基準電壓源和一個高速并行接口，它有4個模擬輸入組成2個通道A和B(分別用于采樣V0、Vx信號)，每個通道的兩個輸入(VA1與VA2或VB1與VB2)可同時進行采樣和轉換，通過A0(FPGA控制)作為輸入選擇通道，采樣時序由FPGA提供。
2．4 單端轉差分電路
后級A／D采樣電路需要在差分輸入狀態下達到最佳采樣精度，所以需要將前級測量模塊產生的V0，Vx差分化預處理，這里采用全差動運算放大器THS4503進行轉換，THS4503具有非常卓越的線性度，輸出模式可調，電壓工作范圍寬(5V，5V，12V，15V)工作帶寬可達370MHz，轉換速度極快達到2 800 V／s。另外，還需要REF2330芯片為THS4503以及A／D采樣模塊提供基準電壓。
2．5 測量模塊
測量模塊是待測元件與標準R0分壓部分，主要包括減法電路求Vx、減法求V0電路以及標準電阻R0選擇電路，如圖4所示。由于圖2中的Vx不便直接測量，所以通過減法電路來求Vx。當圖4減法電路求得Vx的同時，也引入了新的環境變量，因此，使V0也通過相同的電路環境以減小系統誤差?？梢苑治龅贸?，當圖1中Vx／V0為1：1時測量精度最高，所以需要調整R0與待測元件的分壓接近1：1來保證測量精度。標準電阻R0
由MSP430單片機控制的模擬開關CD4051進行軟件選擇。

2．6 函數發生器模塊
在圖1測量原理中，測量是工作在正弦信號的條件下，要保證測量的精度，測量頻率必須保證相當穩定。所以，利用晶體振蕩器振蕩頻率穩定性高的特點來獲得測量頻率將很好的保證我們測量的穩定性。同時利用單片機定時器分頻晶振產生的頻率，可以獲得頻率穩定性高的各種頻率。單片機的定時器輸出為方波信號，要獲得正弦信號，需要對方波信號進行濾波，將方波的中心頻率信號濾出并保證相當的信號強度，因此需要設計一款性能良好的濾波器。此外，設計的濾波器必須有較高的Q值以提高選頻特性。其電路原理如圖5所示。