基于MSP430单片机的智能阻抗测量仪设计

摘要：为了智能小巧高灵敏度地测量电阻、电感和电容，基于MSP430单片机控制、FPGA数字信号处理，设计了一个智能化的LRC(电感、电阻、电容)测量系统，实现了系统使用较少模拟器件，可以实现对电阻、电感、电容元件的自动识别。自动切换档位和测试频率以保证测量精度，具有良好的显示界面，测量范围广，体积小等特点。
关键词：MSP430单片机；智能测量；FPGA数字信号处理；自动识别

0 引言
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和系统复杂程度，便于智能化控制。
基于MSP430的智能LRC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。

1 系统总体设计
系统采用矢量比例法测量RLC的方法，如图1所示。图中参考阻抗用标准阻抗R0代替Z0，可推导出：

由式(2)～(4)可知，只要知道Vx，V0实部、虚部就可以测量待测R，L和C的值。

系统测量过程中总体信号流程如图2所示，系统首先需要产生频率非常稳定的正弦波作为图1的信号源，接入待测元件后，由于V0信号不便直接测量，因此需要减法电路做差后求得V0。为了保证测量精度，系统采用高速高精度的AD芯片进行两通道交流信号同步采样，采样前需要将信号差分化处理。当采样完成后，数据传给FPGA进行傅里叶变换。利用傅里叶分析法，对采样的信号进行FFT变换就能分离出V0，Vx的实部和虚部。FPGA分离出的V0，Vx的实部和虚部数据经单片机MSP430F4617计算，结果将显示在液晶显示器上。