数字电桥RLC测量仪毕业设计

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数字电桥设计

[摘要] 数字电桥是一种可以方便的通过对测试条件的设置，包括测量频率、等效连接的方式的设置等，帮助用户测量所需器件的电阻R、电容C以及电感L的值的电子测量仪器。它除了可以得到较为精确的参数L、C、R值以外，还可以方便的计算出测损耗角及Q值等多种相关辅助变量，方便用户对相应的电子器件进行选择。与此同时数字电桥还提供了另外一些方便用户使用的功能，例如对电子元件的筛选功能等。通过对电桥相应参数的设置，可以对大量电子元件进行快速的测量分类，节省时间，并且可以保证用户对电子器件精度上的要在现代电子测量与电子维修方面有着极其重要的应用价值。

本次设计的思想是基于以上原因提出来的。该系统以TI公司的16位超低功耗单片机MSP430为控制核心，搭配必要的外围电路对电阻、电容和电感参数进行测量。系统的基本原理是将电阻阻值、电容容值、电感感值的变化均转换成方波脉冲频率的变化，利用计数器测频后通过单片机做运算，最后计算出待测元件的各个参数并显示在128×64液晶屏幕上。系统使用按键设置及选择系统参数，使用128×64液晶屏作为显示部分，使用继电器完成自动量程转换，实现了全自动化测量。测量时，只需将待测元件引脚夹在测试仪的输入端，用按键操作需要测量的参数，便可以很快测出被测元器件的参数，简便易用。实验测试结果表明，本系统性能稳定，测量精度高。

[关键词]MSP430单片机；电阻测量；电容测量；电感测量

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Design Of Digital Bridge

[Abstract] Digital Bridge is an easy by setting conditions for the test,including the measurement frequency,the equivalent way connection settings,the device needed to help the user to measure the resistance R, electronic measuring instruments capacitance and inductance LC values . In addition it can be more precise parameters LCR values,it also can easily calculate a variety of related auxiliary variables measuring the loss angle and Q value, the corresponding user-friendly electronic devices to choose from. Meanwhile digital bridge also provides a number of additional user-friendly features, such as the electronic components of the screening function. By setting the corresponding parameters of the bridge can be a large number of electronic components for rapid measurement classification, save time, and can ensure that users want to have a very important value in modern electronic measurement and electronic maintenance on precision electronic devices.

MSP430 16-bit ultra-low power microcontroller for the control of the core, with the necessary external circuit resistance, capacitance and inductance parameters were measured. The basic principle of the system is resistor, capacitance values, changes in inductance are converted square wave pulse frequency conversion, frequency measurement using the counter to do after the operation through the microcontroller, and finally calculate the device under test and display various parameters In the 128 × 64 LCD screen. Use buttons to set the whole system and selection of system parameters, using 128 × 64 LCD screen as the display part of the range using the relay automatically switches to achieve a fully automated measurements. Measurement, the measured components simply caught in the tester pin input, with the key operation parameters to be measured, we can easily measure the parameters of the tested components, easy to use. Experimental results show that the system is stable and high accuracy.

[Key Words] MSP430 Microcontroller；Resistance Measurement；Capacitance Measure- Ment；Inductance Measurement

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第1章绪论 (1)

第2章系统总体设计方案 (2)

2.1 数字电桥设计方案选择 (2)

2.1.1 有源电桥 (2)

2.1.2 半桥电路 (3)

2.1.3 固定轴法的基本原理 (4)

2.1.4 自由轴法的基本原理 (6)

2.2 系统总体设计和分析 (7)

2.2.1数字电桥的原理 (8)

2.2.2数字电桥的系统分析 (8)

2.2.3数字电桥的系统框图 (8)

第3章硬件设计部分 (10)

3.1 MSP430F149单片机 (10)

3.1.1 MSP430F149单片机简介 (10)

3.1.2 MSP430F149单片机主要功能部件 (10)

3.2 MSP430F149单片机最小系统简介 (11)

3.2.1 电源电路 (11)

3.2.2 串口通信电路 (12)

3.2.3 复位电路 (12)

3.2.4 时钟电路 (12)

3.3 LCD12864液晶显示器 (13)

3.4 键盘原理简介 (13)

第4章模拟电路设计 (15)

4.1 电阻测量电路 (15)

4.1.1 电阻测量原理介绍 (15)

4.1.2 电阻的计算方法及原理图 (15)

4.1.3 电阻测量电路原理图 (16)

4.2 电容、电感测量电路 (16)

4.2.1 电容、电感测量原理介绍 (16)

4.2.2 电容、电感测量电路的原理图 (17)

第5章软件设计 (18)

5.1 主程序流程图 (18)

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5.2 中断程序流程图 (19)

5.3 按键主程序流程图 (20)

5.4 频率计算程序流程图 (21)

第6章系统测试 (22)

6.1 数据测试 (22)

6.1.1 测量工具及方法 (22)

6.1.2 电阻测试数据 (22)

6.1.3 电容测试 (22)

6.1.4 电感测试 (23)

6.2 误差分析 (23)

致谢 (24)

参考文献 (25)

附录 (26)

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第1章绪论

数字电桥是一种可以方便的通过对测试条件的设置，包括测量频率、等效连接的方式的设置等，帮助用户测量所需器件的电阻R、电容C以及电感L的值的电子测量仪器。它除了可以得到较为精确的参数L、C、R值以外，还可以方便的计算出测损耗角及Q值等多种相关辅助变量，方便用户对相应的电子器件进行选择。与此同时数字电桥还提供了另外一些方便用户使用的功能，例如对电子元件的筛选功能等。通过对电桥相应参数的设置，可以对大量电子元件进行快速的测量分类，节省时间，并且可以保证用户对电子器件精度上的要在现代电子测量与电子维修方面有着极其重要的应用价值。

RLC单独测量的方法有很多，对电阻的测量最为简单。电容电感对时变信号敏感，可将电容、电感转换成与电量、时间和频率相关的物理量，通过对电量、时间或频率的测量获得电感电容值。目前通过不同的模拟电桥电路可以实现RLC参数的较精确测量，在测量时需要预先甄别RLC类型再选着合适的测量电桥和测量频率，因此测量时智能化水平不高。随着数字信号处理技术的成熟，以及AD芯片性能的提升，采用数字信号处理的方法逐渐替代了传统模拟测量信号相位、频率、幅度信息，降低了模拟器件的使用量系统复杂程度，便于智能化控制。

基于MSP430的智能RLC测量系统，利用高速数模转换电路将信号量化处理，FPGA 进行高速数字信号处理获得信号相位、幅值信息。这样不仅减少了模拟器件的数量，也减少了信号传输中的衰减和模拟器件温度变化以及供电变化等引入的附加干扰。此外，采用MSP430单片机的智能控制技术，使测量系统具备自动分析、识别、计算的能力。用户只需开机接入待测量元件即可获得待测元件的RLC值。

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第2章系统总体设计方案

2.1 数字电桥设计方案选择

本章主要从LCR数字电桥的设计思想和功能需求入手，依据软硬件协同设计的理

论和方法，设计并制定了基于MSP430的数字LCR电桥的软硬件系统设计方案。软件系统则指由程序实现的相应功能模块。系统构建的是否合理、稳定，将直接影响到系统测量数据的真实性、可靠性和J下确性。因此，系统的规划和设计工作是设计该LCR 数字电桥系统的一个重要阶段和环节，其重要性不言而喻。下面首先对现有的电桥种类进行分析和说明，通过对于现有数字电桥的结构以及测量原理进行比较，确定系统采用的设计方案。

2.1.1 有源电桥

电桥线路中除了含有无源元件外，还含有有源器件运算放大器的电桥电路就是有源电桥。电桥电路中引入了运算放大器以后，不但可以改善电桥的性能，扩大电桥的测量范围，增加电桥的灵活性和多样性，而且还可以简化电桥的屏蔽保护电路的复杂度。60年代中期出现了采用有源可调元件进行自动平衡的电子测量仪器。有源可调元件代替了变压器电桥中感应分压器的方式，使电路可以自动平衡。70年代初出现了能测量LCR三种参数的“五端电桥"，使有源真桥的形态和技术都有所完善。基于平衡法对相应的电子元件参数进行测量的线路的主要特点是有平衡点。当满足平衡条件的时候，它的一条对角线上的两个顶点间的电压或流过对角线上的电流为零。但是由于引入了运算放大器以后，有源电桥的构成及其形态与无源电桥有了很大的差异：有源桥各个桥臂之间的关系往往不是很明确，它们的组成有很大的灵活性；信号源与指零仪共地，降低了对屏蔽保护的要求，可以进行五端测量等。有源电桥的调节元件大多采用有源可调元件，可以实现自动平衡。典型的五端电桥的电路如图2-1所示。在这种电桥中，运算放大器起了非常重要的作用，不但实现了五端测量，还大大的扩大了测量范围，并且使信号源与放大器共地，极大地改善了电桥的性能。信号电压U

加到

被测阻抗Z

，和电流检测电阻R

组成的串联电路上，产生了回路电流I

。这个电流在

被测阻抗上产生电压降。经过差分放大器A

当大后得到，在经过数控分压器α和标准电容器Cβ。后获得被测支路电流x I 。Σ为虚地点。当电桥平衡时，可以经过计算得到被测阻抗的值。

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图2-1 典型五端电桥电路

但是有源五端电桥也存在着以下缺点：

(1)在桥路中使用了很多昂贵的精密元件，比如精密分压器、高准确度的标准电阻和标准电容等，制造困难，使产品的成本较高。

(2)逻辑复杂，元器件较多，不易调试，可靠性比较低。

(3)前置放大器的时间延迟降低了测量的准确度，为了避免这个问题就必须增加逻辑电路和降低测量速度。

(4)抗干扰能力差。正是由于这些缺点，五端电桥没有得到继续的发展，但是它的主要优点却被继承下来，发展成了后来的半桥测量电路。

2.1.2 半桥电路

在有源电桥之后出现了相量电压比的测量方式，它的实质是伏安法，但是由于它的测量电路只是截取了五端电桥的一半，也就是图1中虚线的左半部分。所以被称为半桥电路。它没有平衡点所以不需要平衡，不具备有源电桥的基本特性，但是大多数采用这种电路的测量仪器仍然沿用了电桥的称法，所以文章所设计的数字电桥也沿用了这种习惯称为LCR数字电桥。

半桥电路的基本原理是根据欧姆定律，即Zx=U／I，实际上属于伏安法的延伸。数字式的自动测量仪器基本上是采用半桥电路，这种方法已成为阻抗测量法的主流方法，含有微处理器的数字电桥也大多采用半桥测量电路。典型半桥电路原理如图2所示。和分别代表被测阻抗和标准电阻上的电压，Zx为被测阻抗，Rx为标准电阻，Ix为流经被测阻抗的电流，Is为流经标准电阻的电流。信号电压U经过限流电阻R

加

到被测元件Zx上，它上面的电压被放大器放大后得到Ux。放大器A

和电阻Rs

构成电流.

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊-电压变换器。由于A

反相端的虚地特性使得流过被测元件的电流全部流向Rs，这就使Rs上的电压与电流成正比。流过Zx的电流为Ix，流过标准电阻Rs的电流为Is。该电路可以自动平衡，平衡时G点的电位是0V，为虚地点。当电桥平衡的时候流过Zx的电流全部流过标准电阻Rs，也就是说Ix=Is。经过电流-电压转换放大电路，转换成矢量电压。所以由图2-2可知，

Ux?

（1）

Us?

（2）

由公式（1）、（2）可知 = （3）所以Zx=Rs×（4）

图2-2 典型半路电桥原理图

被测阻抗正比于电压比，而电压比是一个复数，是相量比。阻抗的测量转化为相量电压比的测量。测出相量比就可以获得被测阻抗的值，并且电压比的实部与被测阻抗的有功分量电阻成正比，与虚部无功分量电抗成正比，而与被测电阻成反比。R s

为取样电阻可以用来变换量程。R

是限流电阻，它比被测阻抗Z x，大的多，R

与U

起

构成衡流电源，保持电流I基本不变。通常R

与R s的值相等，并且同步切换。这样当变换量程电阻的时候可以保持s

U大体上不变，从而保持鉴相参考信号的幅度也大体上不变。在获得相量电压和s

U之后进行相量除法运算，但是用普通的电路来实现相量除法运算很困难。在微处理器没有引入之前，选取坐标系的x轴也就是参考相量与分母相量的方向相同，这就使分母变成了实数，这样相量除法转化成为了标量除法就可以采用双斜电路来完成运算。

2.1.3 固定轴法的基本原理

由于电子技术的发展和进步，70年代初期微处理器的出现给电子测量仪器带来了

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图2-3 固定轴法原理

固定轴法测量相量电压比的第一步是建立起一个参考直角坐标系，将分母相量变成实数。这个任务由相敏检波器来完成，分别以电压比的分母和它相移90度的相量作为相敏检波器的参考信号建立起坐标系。然后利用双斜积分电路进行除法运算。它和计数器一起完成了模拟一数字的变换，可以将测量结果显示出来。标准电阻上的电压Us直接映射到实轴上，因此公式(4)中 / 的分母变成了实数。所以，

Zx=Rs×=Rs×

（5）

要计算被测阻抗的值只需要得到被测阻抗上的电压在两个坐标轴上的投影就可以得到测量结果。

这种方法实现起来比较简单，但是限制了微处理器功能的发挥。在这种电桥中，微处理器只是代替硬件逻辑对电桥的工作过程进行控制，并不参与测量过程。固定轴法不可避免的存在着同相误差，就是坐标系X

轴与分母相量不完全重合所引起的误差。

U s

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊为了减小这种误差就必须增加许多电路来进行弥补，使电路变得复杂，可靠性降低，调试方法困难，仪器精度受到影响。

2.1.4 自由轴法的基本原理

第二阶段为采用自由轴法。用微处理器直接进行相量除法运算的方法就是自由轴法。自由轴法克服了固定轴法的固有缺点，更充分的发挥了微处理器强大的运算能力，使得电桥有可能实现更多的功能，取得更高的准确度以及实现多频率下的测量，并且进入了高频领域。在《用双斜积分器对正弦电压模数变换》一文中介绍了自由轴法，这种基于半桥结构的测量方法所取的坐标系的方向不固定，可以任意旋转，这使微处理器直接介入了测量过程，成为电桥不可分割的有机组成部分。自由轴法的出现是以采用微处理器为前提的，这种方法坐标轴的方向可以是任意的，不必限定在分母相量的方向上，不但避免了固定轴法存在的同相误差，而且也避免了固定轴法为了减少同相误差所增加的许多硬件电路，这样就尽可能的避免了由于这些方面的原因所造成的系统可靠性降低，并且减少了硬件电路的体积。自由轴法测量原理如图2-4所示。

图2-4 自由轴法原理

相量除法的运算结果与选定的坐标轴的方向无关，所以可以建立任意一个直角坐标系，它与被测相量的关系是自由的。不是把坐标轴固定在某一指定的矢量电压方向上，而是采用自由坐标轴。坐标系的取向不固定，可利用微处理控制任意旋转，从而可避免同相误差。相量除法运算与选定的坐标轴方向无关，可任意建立一个直角坐标系。

U和s

U分别代表被测参数两端的相量电压和标准电阻两端的相量电压，a、b、c、d分别是这两个相量在坐标轴上的投影值大小。两个相量可以表示为

U=c+jd,s

U=a+jb 从而向量比

= = +j =X+jY (6)

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊式中X= ；Y= 。

但是无论坐标轴的方向如何，一旦选定就在整个测量周期内保持不变，X轴和Y 轴必须严格垂直，参考信号电压可以不和任何一个被测电压的方向相同，但应和被测电压保持固定的相位关系，比如相差θ，并且在整个测量过程中保持不变。其次，X 轴和Y轴必须严格垂直，互成90度。这样依次测出相量电压的四个投影分量，就可以根据公式(6)计算出相量比的值。

算出相量比值

U／s

U也就是X和Y的值以后，可根据用户设定按以下公式计算出所需的被测参数。另外除了可以得到参数L、C、R以外，还可以方便的计算出相角0、损耗因子D、品质因数Q等多种辅助变量。

对于阻抗Z x，Z x=-Rs =-R s(X+jY)；

对于电阻R,R x=RsX=Rs×（7）

对于电容C,Zx=Rx+ ；

Cx=(ωRsY)-1 =(ωRs×)-1 (8)

Dx= = (9)

对于电感L，Zx=Rx+Lx

jω；

Lx=- Y= ×（10）

Qx= = （11）

θ为Ux与参考电压的夹角，tanθ= ，所以θ=arctan 。

在自由轴法测量原理中，由于精确的正交坐标系主要靠硬件来产生和保证，而参考轴的相角θ需要靠软件来保证，所以大大简化了硬件电路，消除了固定轴法难于克服的同相误差的缺点，提高了精度。

为了提高系统的测量精度，论文中采用的是自由轴法测量原理。

2.2系统总体设计和分析

jω

┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊装┊┊┊┊┊订┊┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊2.2.1数字电桥的原理

本系统的基本工作原理是将电阻，电容，电感的变化量最终变成脉冲波频率的变化量，通过MSP430单片机内部定时计数器可以很方便的计算出脉冲波的频率，确定频率之后可以通过相应的公式计算出各个器件的参数。

系统可以分为三部分：即电阻测量部分、电容测量部分、电感测量部分。每个部分对应一块模拟电路，实现了相应元件的参数转换为脉冲波频率的变化。电阻测量的核心芯片是ADVFC32，该芯片功能是将电压的变化转换为随电压线性变化的频率的变化。电感测量电路的核心是LC震荡电路，电路由已知电容和被测电感组成震荡回路，产生频率随被测电感值变化的正弦波，经过运放进行放大再通过比较器后得到方波脉冲波。电容测量电路和电感测量电路原理一样，只是将已知电容换成已知电感，被测电容和已知电感构成震荡回路。

2.2.2数字电桥的系统分析

简易电阻、电容电感测量仪系统主要包括电阻值到方波脉冲频率的转换，电容值到方波脉冲频率的转换，电感值到方波脉冲频率的转换。转换后的各路方波脉冲经过继电器选择后送入MSP430单片机内部定时计数器，计算出检测到方波脉冲的频率。得到频率值后，单片机根据相应元器件参数的计算公式计算出元器件的参数并且在128×64宽屏液晶上面显示出结果。

系统一开机128×64液晶显示提示信息，提示用户选择需要测量的元件，选择后继电器会跳动，选择相应的测量档位，然后系统进入等待状态中。当用户插入需要测量的元件之后系统会在1s内测出元器件的所有参数，并且在液晶屏上显示出来，完成自动量程转换。

经过分析，该系统的重点和难点在于测量电路的精确性和稳定性，测量精度完全取决于测量电路的特性，所以我们决定使用标准精密电阻电容作为标称元件，用它们和实际待测元件进行对比计算，从而得到被测元件的实际值。

2.2.3数字电桥的系统框图

本设计的原理框图如下图2-5所示，系统以MSP430F149单片机为控制核心，按键和128×64液晶实现了人机交互。

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┊┊┊┊线┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊┊图2-5 系统结构框图

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第3章硬件设计部分

3.1 MSP430F149单片机

3.1.1 MSP430F149单片机简介

TI公司的MSP430系列是一个特别强调超低功耗的单片机品种，很适合应用于采用电池供电的长时间工作场合。在这个系列中有很多型号，它们是由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。MSP430系列的CPU采用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。它采用数字控制振荡器（DCO），使得从低功耗模式到唤醒模式的转换时间小于6us。其中MSP430x41x系列微控制器设计有一个16位定时器，一个比较器，96段LCD驱动器和48个通用I/O引脚。

典型应用：捕获传感器的模拟信号转换为数据加以处理后发送到主机。其中芯片中的比较器和定时器是工业仪表、计数装置和手持式仪表等产品设计中的理想选择。

该系列单片机的特点如下叙述：

（1）低电压范围：1.8 V-3.6V

（2）超低功耗：活动模式电流为225uA，待机模式电流为0.8uA，掉电模式（RAM 数据保持）电流为0.1uA

（3）五种省电模式

（4）从待机模式到唤醒模式响应时间不超过6us

（5）频率锁相环PLL+

（6）16位精简指令系统，指令周期125ns

（7）带有三个捕获/比较寄存器的16位定时器

（8）集成96段LCD驱动器

（9）片内比较器

（10）串行在线可编程，无需提供外部编程电压

（11）64脚QFP封装形式

3.1.2 MSP430F149单片机主要功能部件

CPU: MSP430F149单片机的CPU和通用微处理器基本相同，只是在设计上采用了面向控制的结构和指令系统。MSP430F149的内核CPU结构是按照精简指令集和高透明的宗旨而设计的，使用的指令有硬件执行的内核指令和基于现有硬件结构的仿真指令。这样可以提高指令执行速度和效率，增强了MSP430F149的实时处理能力。

存储器：存储程序、数据以及外围模块的运行控制信息。有程序存储器和数据存储器。对程序存储器访问总是以字节形式取得代码，而对数据可以用字或者字节方

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外围模块：经过MAB、MADB、中断服务及请求线与CPU相连。MSP430F149包含：时钟模块、看门狗、定时器A、定时器B、比较器A、串口0/1、模数转换、端口、基本定时器、DMA控制器。图3-1所示为MSP430F149单片机的芯片管脚图。

图3-1 MSP430F149芯片管脚图

3.2 MSP430F149单片机最小系统简介

MSP430F149单片机的最小系统原理图主要包括电源电路，I/O接口电路，MAX232串口通信电路，并口调试电路，单片机复位电路，时钟电路。

3.2.1 电源电路

电源电路以三端稳压芯片ASM1117-3.3为核心，将输入的5V电压稳定到3.3V 供单片机及外围芯片使用。该电路最终产生两路电压，一路为模拟电路供电，一路为数字电路供电。模拟地和数字地需要用零欧电阻或者电感隔开以防止两边电路互相干扰。图3-2所示电路即为MSP430F149单片机最小系统电源电路。

图3-2 电源电路

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该电路的主要功能是实现TTL电平和电脑RS232之间的转换。单片机通用的TTL 电平标准规定：大于2.4V为高电平，小于0.4V为低电平，而电脑上RS232电平标准是：+10V到+15V表示逻辑0，-10V到-15V表示逻辑1。所以要想实现单片机和电脑通信，就必须使用电平转换芯片MAX232或者其他电平转换芯片，实现电脑和单片机之间高低电平的统一。图3-3即为MSP430F149单片机的电平转换电路，有了该电路就可以实现单片机和电脑串口的通信，最终实现利用电脑远程控制系统的目的。

图3-3 MAX232串口通信电路

图3-3 串口通信电路

3.2.3 复位电路

复位电路的作用是实现单片机的异步复位，当单片机程序运行时发生死机，或者系统需要重启时，可以按下复位按键，单片机复位后PC指针将指向程序最开始的地方。单片机要想实现复位，就必须在复位端口上持续10ms以上的低电平，所以该复位电路中使用了一个0.1uf的电容实现了上电复位的目的。上电后，电容充电需要一段时间，电容充电时，电容和单片机复位管脚相连的地方电压缓慢上升，只要保持10ms的低电平时间就实现了单片机的上电复位。图3-4为MSP430F149单片机最小系统的复位电路原理图：

图3-4 异步复位电路

3.2.4 时钟电路

时钟电路是协调整个系统同步运行的重要电路，时钟电路的稳定性决定了单片机工作的稳定度。MSP430F149单片机外围配备了两个无源晶振，一个8MHz，一个

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单片机内部有PLL锁相环电路，可以实现时钟倍频。图3-5所示为时钟电路原理图：

图3-5 时钟电路

3.3 LCD12864液晶显示器

128×64液晶显示模块是128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，可显示汉字及图形，内置国标GB2312码简体中文字库（16X16 点阵）、128 个字符（8X16 点阵）及64X256点阵显示 RAM（GDRAM）。可与CPU直接接口，提供两种界面来连接微处理机：8-位并行及串行两种连接方式。具有多种功能：光标显示、画面移位、睡眠模式等。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。

图3-6 LCD12864显示电路

3.4 键盘原理简介

键盘是人机交互的重要组成部分，通过按键可以选择需要测量的对象，设置系统参数等。和按键相连的单片机端口都用一个10K电阻拉高，可以保证在没有按键按下时单片机端口有稳定的电平。没有按键按下时端口保持高电平，当按下按键时，端口跳为低电平，可以被单片机检测到。按键原理图如图3-8所示：

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图3-7 按键原理图

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第4章模拟电路设计

正如之前所说的一样，数字电桥的测量精度是最重要的，然而其的测量精度完全取决于硬件电路的特性。所以对硬件电路需要如下要求：

（1）电路可靠性要高，应不随温度或者外界磁场的影响而改变

（2）配备的标定元件需要有极高的稳定性和精度，它们的精度将直接影响待测元件的精度

（3）LC震荡回路需远离继电器或者变压器等强磁场元件，最好加入磁屏蔽盒以保证震荡出的波形或者频率不受到干扰

（4）由于本系统中需要一些高精度运放实现信号处理和放大，所以系统供电电源必须稳定可靠，直流纹波需小于8mV

（5）单片机时钟电路必须稳定，因为在做精确测频时会用到定时器做精确定时以上这些要求是保证测量精确度的前提，下面将详细介绍测量电路的原理及

组成部分。

4.1 电阻测量电路

4.1.1 电阻测量原理介绍

由于电阻范围较广，常用电阻的范围是1Ω-10MΩ，所以采用通常的恒流源的办法至少需要六个档位的切换才能满足该范围的要求。如果再使用自动换挡功能的话，这无疑会使硬件电路规模大增，而且系统的功耗也会增加。在此，我们使用了一片ADVFC32芯片，利用精密电阻搭成的电阻网络将被测电阻阻值的变化量变成0-10(V)的电压变化，该电压经过运算放大器OP07跟随后接入ADVFC32的电压控制端，ADVFC32会输出一个频率随控制电压线性变化的脉冲波，脉冲波频率的范围是0-38（KHz）。最后通过计数器和单片机计算出具体频率值，根据ADVFC32的输入电压和输出频率之间的线性关系还有精密电阻分压比可以求出待测电阻的阻值。

4.1.2 电阻的计算方法及原理图

如下图4-1所示电路为电阻测量简易原理图由原理图可以看出，被测电阻

R和

已知电阻

R是串联关系，当

R发生改变时，

R两端电压

U就会发生变化。把

U经过OP07运算放大器跟随后直接输入到压频变换芯片ADVFC32的电压控制端，然后

ADVFC32频率输出端会产生频率

f与输入电压呈线性关系的方波脉冲，

f可以通过频率计数器和单片机得到。相关计算如下：

x U

0 (1) 其中

U是已知电压，V

U10

=。

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38000

U= (2) 其中10是ADVFC32电压控制端的电压满刻度值，38000是满电压值对应的输出频率满刻度值。由（1）式和（2）式可

知，只要知道

f，便可以求出被测电阻

R的值。

图4-1 电阻测量简易原理图

4.1.3 电阻测量电路原理图

图4-2所示电路为电阻测量电路完整原理图：

图4-2 电阻测量电路完整原理图

4.2 电容、电感测量电路

4.2.1 电容、电感测量原理介绍

电容和电感会构成震荡电路，而震荡频率只和电容值和电感值有关，它们之间的关系为：。利用这个公式，只需令L已知，通过测量F就可以求出C 的值，

π2

数字电桥RLC测量仪 毕业设计

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