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1、萬方數(shù)據(jù)第3期李林等。FPGA與單片機在RLC測量系統(tǒng)設計中的應用301FPGA與單片機在RLC測量系統(tǒng)設計中的應用李林王心剛(中國石油大學(華東)信息與控制工程學院，山東東營257061)摘要提供了一種采用FPGA和單片機實現(xiàn)自動測量RLC參數(shù)的測量系統(tǒng)。系統(tǒng)以C8051F020MCU單片機作為系統(tǒng)控制器，利用直接數(shù)字頻率合成(DDFS)技術(shù)使用FPGA來產(chǎn)生測試用正弦波，利用電抗元件串聯(lián)分壓原理，實現(xiàn)對電阻、電容、電感的精確測量。本測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，并進行了抗干擾設計，使其具有較好的抗干擾能力，保證系統(tǒng)可靠工作。關(guān)鍵詞C8051F020FPGADDS電阻電容電感測量中圖分類
2、號TP31l文獻標識碼A文章編號1000—3932(2011)03-0301-03為了方便用戶準確掌握手中RLC(電阻電容電感)的各項參數(shù)，筆者提供了一種采用FPGA和MCU的測量系統(tǒng)，可自動測量RLC的多項基本參數(shù)，系統(tǒng)以液晶屏顯示測量結(jié)果，并可根據(jù)需要打印測量的結(jié)果，與現(xiàn)有的昂貴測試儀相比，該測量系統(tǒng)功能精簡、操作智能化、人機接口友好。1方案設計與論證為滿足高校實驗室教學需要，設計一個低成本RLC電參數(shù)測量系統(tǒng)，本系統(tǒng)采用基于C8051F020單片機的可編程控制系統(tǒng)方案，單片機生成各種波形的數(shù)據(jù)表傳輸給FPGA，使用DDFS技術(shù)使FPGA生成所需要的波形并進行輸出，通過DA
3、轉(zhuǎn)換模塊，將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，通過程控放大器AD603，由單片機控制AD603進行增益的調(diào)整，再經(jīng)過NE5532構(gòu)成的調(diào)理電路對其進行電壓放大¨’2]。產(chǎn)生高精度的正弦波信號流經(jīng)待測的電阻、電容或者電感和標準電阻的串連電路，通過測量電容或者電感和標準電阻各自的電壓，利用電壓比例計算的方法推算出電容值或者電感值，利用C8051F020單片機控制測量和計算結(jié)果，運用自校準電路提高測量精度，采用液晶模塊實時顯示數(shù)值。系統(tǒng)總體組成框圖如圖1所示。1．1DDS簡介直接數(shù)字頻率合成(DDS)技術(shù)是通過累加相位來合成所需波形的頻率合成技術(shù)。利用DDS設計的波形發(fā)生器具有精度高、穩(wěn)定性好
4、、頻率和波形易于控制等優(yōu)點¨1。DDS主要由參考時鐘、相位累加器、波形存儲器、數(shù)模轉(zhuǎn)換器和濾波器組成，近年來在頻率合成、通信、儀器測量領域均有鍵盤輸入瑙一面坪I圖1系統(tǒng)總框圖廣泛地應用。1．2信號產(chǎn)生模塊要求設計的正弦波信號發(fā)生器的頻率范圍較寬，其頻率范圍是1Hz～1MHz，且可以對頻率進行設置，還有頻率步進調(diào)節(jié)的功能，一般傳統(tǒng)的LC諧振回路或無源RC結(jié)合運放的方式很難達到這一要求，所以我們提出利用DDS原理使用FPGA實現(xiàn)的解決方案。用FPGA實現(xiàn)波形信號的輸出，只需要在FPGA內(nèi)部建立一個波形數(shù)據(jù)表，然后在時鐘的驅(qū)動下，讀取數(shù)據(jù)表中的數(shù)據(jù)，經(jīng)過高速DA的轉(zhuǎn)化，即可得出需要的
5、波形。要輸出不同的波形，改變波形數(shù)據(jù)表中的內(nèi)容即可實現(xiàn)。若要實現(xiàn)頻率的設置和步進，只需要給FPGA相應的數(shù)據(jù)關(guān)鍵字即可”’5。。采用FPGA中DDFS技術(shù)，對于不同波形，可建立不同存儲表即可輸出相應的波形，也可由外部輸入波形表來完成任意波形的輸出。頻率范圍高、精度高，方便收稿日期：20011-01—18(修改藕)基金項目：山東省自然科學基金項且資助(ZR2009FL027)萬方數(shù)據(jù)化工自動化及儀表第38卷與其它設備接口。FPGA中實現(xiàn)波形輸出原理圖如圖2所示。圖2FPGA中實現(xiàn)波形輸出原理框圖1．3控制器方案選擇¨1C8051F020是集模擬和數(shù)字信號為一體的混合信號系統(tǒng)級高速
6、單片機，他采用貼片封裝，體積小、運算速度快。具有與MCS-51指令集完全兼容的CIP-51內(nèi)核，具有所有8052外設器件，采用流水線指令結(jié)構(gòu)，除此之外，C8051F020單片機具有豐富的I／O，具有高達20個中斷源，而且具有豐富的外設：UART、SPI、ADC、定時器等。該單片機具有高達128k的FLASH和8k+256的RAM，無需外部擴展便可實現(xiàn)高速度運算和掉電存儲，并具有JTAG接口，便于在線調(diào)試，非常適合于各種工業(yè)控制和儀表的使用。1．4信號調(diào)理模塊增益可調(diào)的AD603的放大倍數(shù)可以通過單片機調(diào)節(jié)，由微控制器來判斷當前信號幅度的大小，經(jīng)過一定的運算處理后給出一一對應的數(shù)
7、字量控制信號，然后經(jīng)過DA轉(zhuǎn)換輸出一個對應的模擬量來控制放大電路的增益，可以輸出電壓的連續(xù)變化。NE5532可實現(xiàn)固定放大倍數(shù)放大H’51。AD603通過軟件控制輸出，使之輸出電壓連續(xù)變化通過調(diào)節(jié)反饋電位器可實現(xiàn)輸出幅度不小于5V，信號調(diào)理電路如圖3所示。圖3信號調(diào)理電路1．5時間模塊利用DSl2887作為時鐘顯示模塊。DSl2887自帶晶體振蕩器和電池，連接方便。通過修改其內(nèi)部控制寄存器可以方便的加以控制㈨。DSl2887內(nèi)部自帶114字節(jié)通用RAM，因此可以通過它實現(xiàn)掉電存儲功能。2理論
