數字式電參數測試儀分析

摘要:本系統以MSP430F449為控制核心，由自動判別信號模塊，測頻模塊，測電壓、電阻、電流模塊，LCD顯示和鍵盤等模塊組成。采用等精度法實現了頻率的精確測量，通過分壓網絡實現了對電壓的精確測量，通過將電阻、電流信號轉換為電壓信號實現了對電阻、電流的精確測量，且本系統可以自動識別所測信號。由于本系統充分利用了MSP430F449的內部資源，所以本系統功耗低，穩定性好，精度高，人機界面友好。

關鍵詞:MSP430F449;等精度法;自動識別;功耗

中圖分類號:TN709 文獻標識碼:A 文章編號:1672-3198(2010)02-0307-02

0 前言

隨著測量技術的飛速發展以及人們對電參數的測量精度要求的提高，目前教學實驗中普遍采用的數字式萬用表已不能滿足測量要求，因此一種使用更方便，測量精度更高的電參數測試儀將會有廣泛的使用價值和應用前景。

1 理論分析與計算

設計要求:①電阻測量范圍:10Ω～100KΩ，相對誤差<2%;

②電流測量范圍:100μA～10mA，相對誤差<2%;

③電壓測量范圍:100mV～10V，相對誤差<2%;

④頻率測量范圍:100Hz～10kHz，相對誤差<0.1%;

⑤顯示刷新周期≤2s，使用單5V直流電源供電;

⑥連續測量的時候可以不檢測輸入信號類型，但須設置AUTO功能鍵，按下后自動判別一次輸入信號類型，判別時間不大于4S。

頻率測量原理分析。

下圖1為等精度測頻法的測量原理時序圖。等精度測頻法同時使用兩個計數器A和B對待測信號頻率Fx和頻標信號頻率Fm在設定的精確門內進行計數，精確門與預置門的門限時間相同，Fx的上升沿觸發精確門。用兩個計數器分別在精確門內對Fx和Fm計數得數值分別為M和N，則待測信號的頻率為Fx=MFxN，由于計數由待測信號的上升沿控制，故M無計數誤差，誤差為ΔFx=MFxN-1-MFxN，相對誤差為ΔFxFm=1N-1，本系統精確門門限時間為0.5S，頻標信號頻率Fm=8MHz，N=4000000，相對誤差可達0.000025%，完全達到設計要求。

2 系統總體設計方案

本系統先對所測信號進行識別，后調用相應的測量電路進行測量。由于本系統將電流，電阻信號轉換為電壓信號，將所測測量結果送入單片機后由其內部12位AD進行采樣，根據所測結果進行計算后由LCD實時顯示，系統設計圖見下圖2.

3 主要電路設計

3.1 信號判別電路方案設計

本系統首先對待測信號進行頻率檢測，若檢測信號頻率不為0，則轉入頻率檢測，若信號頻率為0，則將電阻R1接入回路，檢測R1兩端電壓，若電壓值為0，則待測信號為電阻，轉入電阻測量。若電壓值不為0，則將R1換為阻值不同的R2，檢測R2兩端電壓，若電壓值與R1相同則待測信號為電壓，轉入電壓測量，若不同，則待測信號為電流，轉入電流測量。詳細電路設計見下圖3.

3.2 電壓測量電路方案設計

本系統為了降低功耗，充分利用MSP430內部資源，所以使用MSP430內部AD進行采樣，其內部AD為12位，最大輸入幅值為2.5V，精度為 V=0.6mV，完全達到設計要求精度。將待測通過一電阻分壓網絡后，將分壓網絡每個節點電壓經雙四通道模擬開關MAX309，模擬開關分兩路輸出，一路信號經射級跟隨器后輸入到MSP430中由AD采樣，另一路輸出信號經一放大電路后輸入到MSP430中由AD采樣。根據采樣值判斷比較這兩路輸出值后計算出待測電壓大小。詳細電路設計下圖4。

3.3 電阻測量電路方案設計

本系統采用改變反饋電阻大小對恒定電壓實現不同倍數的放大，通過對輸出電壓的測量可以計算出放大倍數，從而計算出待測電阻的大小。由于要求采用單電源供電，所以運放采用精密，低噪聲可單電源供電的OPA350，測量小電阻采用導通電阻小于5Ω的模擬開關MAX4664。詳細電路設計見下圖5。

4 系統軟件設計

本系統軟件主要由MSP430F449構成，根據按鍵選擇不同的測量電路，從而根據測量值計算出待測信號的大小。MSP430F449主要完成人機交互部分處理和系統控制和計算，整個系統模塊化思想始終貫穿，詳細流程圖見右圖6所示。

5 數據測試與分析

5.1 測試儀器

5.2 測試方案及結果

通過改變待測頻率，電阻，電壓，電流值的大小檢測系統的測試精確度。詳細測試結果見下表1，2，3，4.

5.3 結果分析

通過以上數據可知，本系統測量信號頻率精度很高，測量其他指標精度也達到了設計要求。由于本系統采用了較多的模擬開關，其實際導通電阻與其性能參數中導通電阻相差較大，且隨工作電壓的變化而改變，導致本系統測量精度無法進一步提高，若大量使用繼電器，則會導致系統體積較大，且功耗較高，故綜合考慮模擬開關比較適合本系統。

6 結語

本電參數測試系統與廣泛使用的萬用表相比，使用方便，只需要兩個探測表筆，無需檔位切換便可自動檢測出待測電信號，且精度高，性能穩定，具有廣闊的應用前景。

參考文獻

[1]黃根春，陳小橋，張望先.電子設計教程[M].北京:電子工業出版社，2007.

[2]謝自美.電子線路設計實驗測試(第二版)[M].北京:華中科技大學出版社，2003.

[3]鄭君里，楊為理.信號與系統[M].北京:高等教育出版社，2004.

[4]董尚斌，蘇利，代永紅.電子線路(1)[M].北京:清華大學出版社，2007.