MSP430F149控制的简易阻容网络测试仪

超低功耗MSP430控制检测RC网络

简易阻容网络测试仪

参赛队员：

所在学校：成都理工大学工程技术学院

指导教师：

超低功耗MSP430控制检测RC网络

简易阻容网络测试仪

摘要

本设计以超低功耗MSP430F149单片机为控制核心，以高集成度频率合成器AD9850芯片为信号源，通过12位A/D电路对被测RC网络进行实时的数据采集，实现被测RC网络的智能化测试过程。本设计系统主要有六个模块组成：直流稳压电源模块、信号源模块、RC网络检测模块、整流滤波模块、A/D采样模块、控制和显示模块。系统利用MSP430F149单片机控制RC网络的测量和计算，运用自校准电路，提高了任意RC网络的测试精度，测量结果采用128*64液晶模块，对网络的电阻电容和幅频曲线通过按键模块实时显示，本系统同时留有手动测试模式，方便手动检测。在整个设计过程中，充分利用MSP430F149的低功耗特点，结合低功耗的外围电路，系统稳定，测量精度高，实现了阻容网络的测试。

关键词：RC网络 幅频特性 智能化 低功耗

Abstract

The design for the control of ultra-low power MSP430F149 microcontroller core, highly integrated frequency synthesizer AD9850 chip as the signal source, through 12 bit A / D RC network circuit of the tested real-time data acquisition to achieve the measured RC network intelligence test. The design system is mainly composed of six modules: DC power supply modules, Source modules, RC network detection module, Rectifier module, A / D sampling module, Control and Display module. MSP430F149 single-chip control system uses RC network measurements and calculations, the use of self-calibration circuitry to improve the accuracy of any RC network testing, measurement results using 128*64 LCD module, the network of resistors, capacitors and amplitude-frequency curve by real-time display key module, the system Manual test mode while leaving easy manual testing. Throughout the design process, full use of the MSP430F149 low power characteristics, combined with external low-power circuits, system stability, high accuracy, RC network to achieve a test.

Keywords: RC network Amplitude-frequency characteristic

Intelligent Low-power consumption

超低功耗MSP430控制检测RC网络

目录

一、前言 ....................................................................................................................... 1

二、方案的分析与论证 ............................................................................................... 1

2.1 控制模块.......................................................................................................... 1

2.2 信号源模块...................................................................................................... 1

2.3 RC网络检测模块 ............................................................................................ 1

2.4 AD采样模块..................................................................................................... 2

三、理论分析与计算 ................................................................................................... 2

3.1电阻测试........................................................................................................... 2

3.2电容测试........................................................................................................... 2

3.3幅频特性........................................................................................................... 3

四、系统电路设计与程序设计 ................................................................................... 3

4.1系统整体框图设计........................................................................................... 3

4.2 RC测试电路 ..................................................................................................... 4

4.3 高精度滤波整流电路 ....................................................................................... 5

4.4 直流稳压电源设计 ........................................................................................... 6

4.5 软件程序设计 ................................................................................................... 6

五、系统测试与分析 ................................................................................................... 6

5.1 测试和校准仪器 ............................................................................................... 6

5.2测试结果........................................................................................................... 7

5.2 测试结果分析 ................................................................................................... 8

六、总结 ....................................................................................................................... 8

七、附录 ....................................................................................................................... 9

7.1 参考文献 ........................................................................................................... 9

7.2 直流稳压电源原理图 ....................................................................................... 9

7.3 部分主要程序 ................................................................................................... 9

超低功耗MSP430控制检测RC网络

一、 前言

高精度低功耗的手持数字式测量仪器、设备等，被人们越来越多的使用到学习和生产生活当中。随着电子技术日新月异的发展，人们对设备的测量范围、工作时间、功耗、稳定度以及便携度提出了越来越高的要求。简易数字式阻容网络测试仪就是在这样的一个大前提下开发出来的。本设计是基于TI公司的超低功耗MSP430F149单片机，结合低功耗的外围器件设计，采用128*64液晶的清晰友好界面进行显示，达到了工作稳定，测试精度高，清晰的显示，利于分析被测RC网络的幅频特性。

二、 方案的分析与论证

分析设计题目的各项指标和要求，控制模块和RC网络检测电路是本题的重点，而信号源模块是本设计的难点，因此，对各主要模块做出以下的方案选择与论证。

2.1 控制模块

方案一：采用AT89S52作为控制模块，AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器，但该单片机体积大，下载调试不方便，在该系统中性价比相对较低。

方案二：采用TI公司Fx系列的MSP430F149芯片作为核心控制模块，MSP430F149单片机可工作于1.8~1.6V电压，并有不同的工作模式，实现超低功耗。MSP430F149具有高性能16位精简指令系统，集成有16位寄存器和常数发生器，发挥了最高的代码效率和数据处理能力，同时具有16个中断源，可以任意嵌套，使用十分的灵活。另外MSP430F149拥有丰富的片上模块（关键是集成有12位的A/D模块）和方便灵活的开发手段,简化了外围电路，下载也十分方便，易于调试，同时具有48个通用的I/O引脚，具有很强的扩展性，方便与外围器件模块的连接。

介于综合考虑，MSP430F149比AT89S52具有更低的功耗，故采用方案二。

2.2 RC网络检测模块

方案一：谐振法，采用555定时器，组成谐振回路，将被测的RC网络接入测试回路，进行测量。但是谐振法要求较高频率的激励信号，一般不容易满足较高精度的要求，且测试的频率不固定，测试速度也很难提高。

方案二：电桥法，被广泛运用的测试方法，具有较高的测量精度，但是其测量需要反复的进行平衡调节，测量的时间长，对于实现快速的自动测量就显得不尽人意了。

方案三：伏安法，经典测量RC的方法，来源于阻抗的定义。即如果已知流经被测阻抗的电流并测得阻抗两端的电压，故通过比率便可得到被测阻抗的值。

综上所述，利用电压的数字化测量来实现，伏安法实现最佳，因此采用伏安法对RC网络进行测量。

2.3 信号源模块

方案一：用MAX038产生1HZ到1MHZ的正弦波信号，信号频率通过键盘设置，连续步进的控制相对不太容易，所设计的电路也十分复杂。

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方案二：用AD9850 DDS产生1HZ到30MHZ的正弦波信号，AD9850具有低功耗、体积小、重量轻、可靠性高、易于控制，所以使用相当灵活，性价比十分高。

在完成连续的步进可调信号产生，故采用方案二

2.4 AD采样模块

方案一：采用AD公司的8位AD0809进行采样，但是AD0809的动态范围窄，功耗相对较高，分辨率一般，如果模拟量的变化较快时，还需要在输入前加采样保持电路。

方案二：采用MSP430F149内部集成的ADC模块，此模块为SAR型12位AD，共有16路输入通道，能够较快的将模拟信号转换为单片机处理的数字信号，并传送给处理器。

考虑便携、高精度要求，充分利用超低功耗MSP430F149，故优先采用方案二。

三、 理论分析与计算

3.1电阻测试

电阻高精度的测量方法即是采用与标准的电阻进行相比较，其主要的原理是：在待测电阻Rx与基准电阻Rr的串联电路中加一直流基准电压Vref，AD采样被测电阻Rx上的电压Vo，则测量表达式如下：

V0 Vref RxRr Rx V0 Rr Vref

由上表达式得出，当基准电压Vref和基准电阻Rr确定之后，RC网络待测电阻Rx只跟输出电压Vo有关，即将被测电阻Rx转换成相应的输出电压Vo，单片机系统对Vo进行处理后，即可得出待测电阻Rx的阻值。

3.2电容测试

我们采用经典伏安法测电容，则要加入交流的正弦信号，在角频率为 的交流信号的作用下，电容的容抗为：

Xc 1 jwxc

根据电阻与容抗的分压可知：

V0 Vref

Rr Zx Vref(RrwCx)（其中Zx Cx ）Rx

当RC网络中，要测量电容Cx的值，必须提高正弦波发生器的频率f ，使

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得容抗1 Rx，则此时可以忽略Rx的影响，则阻抗Zx Cx，则 wCx

Vo Vref

(RrwCx) Cx Vref

2 fRrVo

由上得出，只要当Vref、f、Rr确定，则被测电容Cx只与Vo有关，即将被测电容Cx转换成与之有关的电压值Vo，Vo经AD转换，通过单片机进行处理后，得出被测电容Cx的值。

3.3幅频特性

如图2-3所示的RC串联网络，其系统函数为：

1Vo(w)H(w) H(w) (w) 1Vi(w)jw Rc

上述表达式中，H(w) 1w2 1

(RC)2为幅频特性，电阻R和电容C已经测出，此时的幅值H(w)只与频率w有关，因此对于同样大小的输入信号，频率越高，输出信号的衰减越大；频率越低，输出信号的衰减越小或可以认为无衰减，因此此串联的RC网络可以认为是低通滤波器。

综上，可以推理其他的RC串联网络的幅频特性。

四、 系统电路设计与程序设计

4.1系统整体框图设计

本系统设计包括硬件设计和软件设计两部分。

通过上述方案的选择和理论分析，系统的整体框图设计如图3-1所示：为了提高系统直流稳压电源的效率，系统选用变压器配合以低压差静态电流的稳压芯片提高电源效率。直接频率合成器AD9850 通过MSP430F149控制产生正弦波信号作为信号源，输入信号源经过可变增益放大OP07CP和档位选择（选择基准电阻Rr），正弦信号进入RC检测网络。检测网络按照经典伏安法，将被测阻抗和容抗值转换为电压Vo进行输出（即Zx Vo），输出电压Vo信号经过精密整流滤波电路，输出正弦电压Vo转化为直流正信号，供12位A/D进行采样，采样信号经过MSP430F149运算处理，通过12864液晶显示，最终实现RC网络的测试，同时对频率采样，绘制RC网络的幅频特性。

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图3-1 系统整体设计框图

4.2 前级放大电路

由于DDS产生的正弦信号幅值为0~1幅，需要对其进行放大，为了不是真的线性放大，同时尽量不引入噪音，所以选择差动放大电路对信号源进行放大，放大电路如图4-2所示：

图4-2 差动放大电路

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4.3 RC测试电路

如图3-2所示，RC各元件的测量通过基本的RR、RＣ电路进行测量的。当测量探针接电阻元件时，电路组成

了基本的RR电路；同理，当探针接

电容元件时，电路就组成了RC电

路，输入正弦信号的频率位

1HZ—10KHZ。

4.4 高精度滤波整流电路

此电路采用TL082CM的集成

运放和稳压管D1N4148对RC测试

模块产生的信号进行峰值检测。因

为测试的电路产生的信号是正弦波

信号，而AD采样不能采集负信号，

所以要通过电路整流滤波给后面的

AD采样，电路如图3-3所示

图3-3 高精度滤波整流电路

仿真和实际效果如图

3-3-1

图3-3-1 仿真与实际比较

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4.5 直流稳压电源设计

本系统设计是基于低功耗的，所以电源的制作应该尽量满足高效率的直流稳压电源，系统选用高效率的隔离变压器。基于系统由 18V、 5V、3.3V供电，而每一电路均要考虑到用电压差的线性稳压芯片，所以设计用了两块隔离变压器，在经过4片稳压芯片（TM317 2和TL337 2）得到系统需要的稳压源。

4.6 软件程序设计

系统的程序控制部分由超低功耗MSP430F149单片机完成，主要用来控制DDS正弦信号源的产生、档位选择和RC检测值的运算处理和传输，控制流程如图3-5所示。

五、 系统测试与分析

5.1 测试和校准仪器

超低功耗MSP430控制检测RC网络

（1）60M数字存储示波器，型号UNI-T UTD2062CE

（2）函数信号发生器, 型号UNI-T UTG9005A

（3）万用表，型号UNI-T UT39A

5.2测试结果

以RC串联网络为例（如图5-2），通过按键操作，被测参数通过本系统测试显示出来的示值与参数的标值进行对比，从而得到本系统的测量精度。

1）自制信号源测试，测试数据如表1所示：

确率在99.98%。

2）电阻测试结果数据如表2所示

3）电容测试数据如表3所示

表3 电容测试数据

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测试结果：测出的幅频与仿真的幅频图总体趋势基本上保持了一致，但由于电路存在不可避免的噪音，导致测出的幅频曲线不光滑。

5.2 测试结果分析

根据以上的测试数据结果表明，本系统能够满足题目所提出的设计内容和功能，有较好的测试精度（相对误差小于 ），测量的范围扩展（电阻范围，电容范围），在基础部分有了一定的提高。

本系统设计的测量信号基本上是基于小信号，所以在实际的测量中，测试环境、测试仪器和测试方法都对测试的结果有一定的影响，要通过一定的修正方法来减小测试系统的测量误差。系统电路，也是产生误差的主要来源，其中在RC检测中的滤波整理电路，集成运放TL082CN受频率和温度的影响产生的纹波，从而导致误差。

综上为了减小误差，测试仪主要根据实测值和不同的测试参数进行多次求其平均，获得被测参数公式的常数K，然后通过软件进行修正，从而尽可能的减少本测试的系统误差。

六、 总结

本采用MSP430F149单片机实现了一个简易阻容网络测试仪，满足了题目的各项指标要求，整个设计基于低功耗、智能化测试，系统的测试精度相对较高，稳定性好，操作简单，具有较强的实用性，同时留有一定的扩展，供系统进行扩展功能，如增加对电感的测试，测试的结果通过语音播报，改进实现在线测试等。在设计的过程中，充分考虑了制作的成本和功耗系统，以低功耗的MSP430F149单片机作为核心的控制部分，尽可能达到合理的较高性价比。

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七、 附录

7.1 参考文献

【1】童诗白 华成英 主编.模拟电子技术基础（第四版）.北京：高等教育出版社，2006

【2】全国大学生电子设计竞赛委员会（编）.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选（2003）.北京：北京理工大学出版社，2005

【3】秦龙 编著.MSP430单片机常用模块与综合系统实例精讲.北京：电子工业出版社，2007

【4】孙肖子 主编.模拟及数模混合器件的原理与运用（上册）.北京：科学出版社，2009

【5】黄根春 周丽青 张望先 编著.全国大学生电子设计竞赛教程——基于TI器件设计方法.北京：电子工业出版社，2011

7.2 直流稳压电源原理图（略）

7.3 部分主要程序（略）

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/fnu4.html