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数字式电参数测试仪分析
作者：马正亚 王 慕 蒋鹏飞
来源：《现代商贸工业》2010年第02期
摘要:本系统以MSP430F449为控制核心,由自动判别信号模块,测频模块,测电压、电阻、电流模块,LCD显示和键盘等模块组成。采用等精度法实现了频率的精确测量,通过分压网络实现了对电压的精确测量,通过将电阻、电流信号转换为电压信号实现了对电阻、电流的精确测量,且本系统可以自动识别所测信号。由于本系统充分利用了MSP430F449的内部资源,所以本系统功耗低,稳定性好,精度高,人机界面友好。 关键词:MSP430F449;等精度法;自动识别;功耗
中图分类号:TN709 文献标识码:A 文章编号:1672-3198(2010)02-0307-02 0 前言
随着测量技术的飞速发展以及人们对电参数的测量精度要求的提高,目前教学实验中普遍采用的数字式万用表已不能满足测量要求,因此一种使用更方便,测量精度更高的电参数测试仪将会有广泛的使用价值和应用前景。 1 理论分析与计算
设计要求:①电阻测量范围:10Ω～100KΩ,相对误差 ②电流测量范围:100μA～10mA,相对误差 ③电压测量范围:100mV～10V,相对误差 ④频率测量范围:100Hz～10kHz,相对误差 ⑤显示刷新周期≤2s,使用单5V直流电源供电;
⑥连续测量的时候可以不检测输入信号类型,但须设置AUTO功能键,按下后自动判别一次输入信号类型,判别时间不大于4S。 频率测量原理分析。
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下图1为等精度测频法的测量原理时序图。等精度测频法同时使用两个计数器A和B对待测信号频率Fx和频标信号频率Fm在设定的精确门内进行计数,精确门与预置门的门限时间相同,Fx的上升沿触发精确门。用两个计数器分别在精确门内对Fx和Fm计数得数值分别为M和N,则待测信号的频率为Fx=MFxN,由于计数由待测信号的上升沿控制,故M无计数误差,误差为ΔFx=MFxN-1-MFxN,相对误差为ΔFxFm=1N-1,本系统精确门门限时间为0.5S,频标信号频率Fm=8MHz,N=4000000,相对误差可达0.000025%,完全达到设计要求。 2 系统总体设计方案
本系统先对所测信号进行识别,后调用相应的测量电路进行测量。由于本系统将电流,电阻信号转换为电压信号,将所测测量结果送入单片机后由其内部12位AD进行采样,根据所测结果进行计算后由LCD实时显示,系统设计图见下图2. 3 主要电路设计
3.1 信号判别电路方案设计
本系统首先对待测信号进行频率检测,若检测信号频率不为0,则转入频率检测,若信号频率为0,则将电阻R1接入回路,检测R1两端电压,若电压值为0,则待测信号为电阻,转入电阻测量。若电压值不为0,则将R1换为阻值不同的R2,检测R2两端电压,若电压值与R1相同则待测信号为电压,转入电压测量,若不同,则待测信号为电流,转入电流测量。详细电路设计见下图3. 3.2 电压测量电路方案设计
本系统为了降低功耗,充分利用MSP430内部资源,所以使用MSP430内部AD进行采样,其内部AD为12位,最大输入幅值为2.5V,精度为 V=0.6mV,完全达到设计要求精度。将待测通过一电阻分压网络后,将分压网络每个节点电压经双四通道模拟开关MAX309,模拟开关分两路输出,一路信号经射级跟随器后输入到MSP430中由AD采样,另一路输出信号经一放大电路后输入到MSP430中由AD采样。根据采样值判断比较这两路输出值后计算出待测电压大小。详细电路设计下图4。
3.3 电阻测量电路方案设计
本系统采用改变反馈电阻大小对恒定电压实现不同倍数的放大,通过对输出电压的测量可以计算出放大倍数,从而计算出待测电阻的大小。由于要求采用单电源供电,所以运放采用精密,低噪声可单电源供电的OPA350,测量小电阻采用导通电阻小于5Ω的模拟开关MAX46。详细电路设计见下图5。 4 系统软件设计
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本系统软件主要由MSP430F449构成,根据按键选择不同的测量电路,从而根据测量值计算出待测信号的大小。MSP430F449主要完成人机交互部分处理和系统控制和计算,整个系统模块化思想始终贯穿,详细流程图见右图6所示。 5 数据测试与分析 5.1 测试仪器 5.2 测试方案及结果
通过改变待测频率,电阻,电压,电流值的大小检测系统的测试精确度。详细测试结果见下表1,2,3,4.
5.3 结果分析
通过以上数据可知,本系统测量信号频率精度很高,测量其他指标精度也达到了设计要求。由于本系统采用了较多的模拟开关,其实际导通电阻与其性能参数中导通电阻相差较大,且随工作电压的变化而改变,导致本系统测量精度无法进一步提高,若大量使用继电器,则会导致系统体积较大,且功耗较高,故综合考虑模拟开关比较适合本系统。 6 结语
本电参数测试系统与广泛使用的万用表相比,使用方便,只需要两个探测表笔,无需档位切换便可自动检测出待测电信号,且精度高,性能稳定,具有广阔的应用前景。 参考文献
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