【摘 要】介绍一种数字化的简易阻抗测量仪设计方法，以MSP430单片机作为控制核心、CPLD进行数字信号处理，DDS信号发生器提供输入信号，通过高速A/D转换器AD7799，实现信号实时采样、数据处理和液晶显示，键盘做功能设置。该设计实现了RLC元件参数的实时测量、自动识别、结构判断和谐振频率测试等功能。测试结果表明该系统具有测试精度高、频率范围宽、可靠性好和性价比高等优点。
【关键词】阻抗测量仪；MSP430；CPLD；AD7799
0 引言
阻抗测量仪是一种用途很广泛的电子测量仪器。传统的模拟测量阻抗信号的参数是通过不同的模拟电桥电路测量获得电感与电容的值，测量较为准确[1]。而数字化测量仪与模拟测量仪相比，模拟器件的使用度低、系统简单、功耗低、智能化水平和精确度高，而且还具有强大的信号实时处理分析、自动识别计算和参数显示等功能，在日常生活、工厂生产和电子实验室中有广泛的应用[2]。
随着电子技术的不断成熟和完善，对于检测仪器产品的智能化和数字化要求越来越高，高性能、低价格、多功能的检测仪的研究备受理工类学生和电子研究人员的关注，因此研究数字化的简易阻抗测量仪具有重要的意义。
1 系统结构和工作原理
1.1 系统结构
该设计以MSP430F149单片机为控制核心，CPLD数字信号处理[3]，由DDS信号发生器、信号预处理电路（包括差分放大、I/V转换、过零比较）、峰值检测电路、A/D数据采集电路、功能键盘、LCD液晶显示电路以及电源等部分组成。系统结构框图如图1所示。
1.2 工作原理
简易阻抗测量仪的输入信号由DDS（直接数字频率合成）模块AD9851产生，两路正弦信号经过差分放大电路，对输入信号进行放大。然后信号通过待测网络，输出的电流经电流—电压转换电路以电压信号方式输出。输出分成两路，一路经过峰值检测电路转化为符合A/D转换[4]要求的0～5v电压，高速转换器AD7799再将模拟信号进行实时采样变成数字信号；另一路信号与原信号进行比较将测得的方波信号输入CPLD中进行高速信号运算处理。将两路输出送入MSP430中进行数值计算和元器件判断等操作，最后将待测元件类型、相位角、器件参数值等显示在LCD液晶屏上。所有功能都有键盘操作完成。
2 硬件设计
2.1 单片机
MSP430F149是具有16位总线的带FLASH存储、低电压和超低功耗的单片机，其性价比和集成度高，具有强大的处理能力，而且系统工作稳定[5]。
本系统采用MSP430F149作为主控芯片，控制整个系统运行过程和数据的设置处理。实现与CPLD的数据通信、A/D采样数据处理的功能。整个设计在其控制下达到自动化、智能化、数字化和高速化的目标。
2.2 信号发生器
信号发生器的作用是为整个电路提供稳定的、不失真的交流输入信号。AD9851模块是从相位概念出发直接合成所需波形的一种新的频率合成技术。其工作原理是用告诉ROM存储[6]所需波形的量化数据，按照不同频率要求，用频率控制字M为步进对相量增量进行累加，按照不同的量化数据，按照不同频率要求，用相位控制字K调节相位偏移量，用累加相位值加上相位偏移量后作为地址码读取存放在存储器内的波形数据。单片机MSP430通过给DDS[7]送控制频率控制字和相位控制字，实现频率步进即改变输入信号的频率，其可以变化的范围是0～30Mhz。
2.3 差分放大电路
差分放大电路的作用对输入交流正弦信号进行放大，保证输出信号电压值在A/D转换器的信号幅度范围内，而且便于处理时值更精确。根据DDS产生的两种相位恰好相反地波形作为高速运放OPA2227的两端输入信号构成的差分电路，恰好将直流分量相抵消而幅值倍数翻倍，达到适合的幅值。如图2所示。
2.4 峰值检测电路
峰值检测电路的目的是检测模拟交流正弦信号的真有效峰值。AD637的输入信号是被测网络经I/V转化得到的正弦电压信号，通过高精度外围设备将正弦信号的峰值转化为其模拟直流真有效值。由于输出信号中有负电压值，就需要给该信号叠加直流量，将负电压部分信号抬高至零电平以上[8]，使信号满足AD7799的正常工作电压。具体电路如图3所示。
2.5 A/D转换电路
本设计在数据的测量部分采用A/D转换电路来采集峰—峰值信号，将电压信号经A/D转换为数字量送入处理部分进行数据处理。A/D转换电路使用的是高速24位A/D转换器AD7799，另外采用ADR421给AD7799一个稳定的基准电压[9]使其正常工作。AD7799的测量精度可达■，因此本设计输出参数值精度很高。A/D转换电路如图4所示。
2.6 其他硬件电路
键盘控制模块：该系统选用4×4的矩阵键盘，键盘的作用分别0～9十位数字键，确认和取消键，元器件参数显示、换屏、扫描键，便于系统的操作。
LCD液晶显示电路：该设计采用12864液晶实时显示测量数据值同时配合键盘进行频率预设参数的设置。带中文字库的LCD12864液晶[10]是一种高性能显示模块，利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。单片机的P5口与12864液晶的数据口连接，用于数字信号的读取，P4.4，P4.5作为液晶显示模块的读/写控制信号端口，P4.6作为LCD的片选端口。
3 软件设计
本系统的软件是分为五个模块：显示部分，控制预计算部分，信号源部分，键盘部分，AD转换部分。电压的测量是通过软件控制AD对取样电压进行采样，然后送入单片机中进行处理与运算，求得一端口网络的电压值和电流值，则可以求得阻抗值。相位角是通过对CPLD编程操作实现一个计数器功能，将两路信号进行异或，相位差的部分为高电平，此时通过计数器对参考脉冲进行计数得到脉冲数，再与单片机通信将此数交给单片机处理，由单片机根据参考脉冲的周期算出相位角。显示数据是通过液晶显示。键盘中断服务程序与定时器中断程序如图5和图6所示。
由于信号源的幅值不稳定会造成峰值检测电路的有效值不精确，不能使电压保持在稳定的峰值，从而导致误差，进而导致阻抗模的误差产生。通过对所求数据分析，在软件中做相应的补偿措施使结果更接近真实值。
4 结语
本文设计的以MSP430F149单片机为主控核心的简易阻抗测量仪，在软硬件有机结合下，可以满足所要求的参数值的测量、频率的显示、被测网络的类型等功能，运行可靠稳定。测试表明简易阻抗测量仪具有实时采样显示、任意设置信号频率、测试精度高等功能。该测量仪能够实现电阻电容电感元件各参数的实时测量和自动识别、连接方式的判断和谐振频率的测试等功能。该系统简单、功耗低、智能化水平和精确度高，而且还具有强大的信号实时处理分析、自动识别计算和参数显示等优点。对于工厂生产和电子实验室的应用有着广阔的前景和使用价值。
【参考文献】
[1]曹京宜，张寒露，左禹，唐聿明.便携式阻抗测量仪的研制与应用[J].现代仪器，2010（04）.（下转第58页）
（上接第104页）[2]温新华.基于S3C2440 ARM9的便携式阻抗测量仪研制[A]//中国农业工程学会2011年学术年会（CSAE 2011）论文摘要集[C].2011.
[3]潘智斌，胡小龙.基于FPGA的实时图像融合系统中MCU接口的研究与设计[J].自动化技术与应用，2011（01）.
[4]陆飞，郭建中.基于虚拟仪器的超声换能器阻抗分析仪设计[J].压电与声光，2011（03）.
[5]何敏.基于MSP430微处理器的低功耗无线传感器网络节点设计[J].现代计算机：专业版，2012（19）.
[6]黄继鹏.高速高可靠小型数字视频存储系统的设计与实现[D].中国科学院研究生院：长春光学精密机械与物理研究所，2012.
[7]寄文星，刘俊华，庞仁治，高通.基于单片机和DDS技术的信号发生器的设计[J].科技信息，2010（07）.
[8]丁金林，王峰.智能RCL测量仪的设计[J].苏州市职业大学学报，2010（02）.
[9]赵强，吕明，张鉴.带隙电压基准源的设计[J].电子科技，2012（05）.
[10]龚成莹，何辉，兰聪花.基于STC12C5A08AD单片机的自动电阻测试仪的设计[J].自动化与仪器仪表，2012（02）.
[责任编辑：王静]