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时间:2020-03-26
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1、第3期李林等。FPGA与单片机在RLC测量系统设计中的应用301FPGA与单片机在RLC测量系统设计中的应用李林王心刚(中国石油大学(华东)信息与控制工程学院,山东东营257061)摘要提供了一种采用FPGA和单片机实现自动测量RLC参数的测量系统。系统以C8051F020MCU单片机作为系统控制器,利用直接数字频率合成(DDFS)技术使用FPGA来产生测试用正弦波,利用电抗元件串联分压原理,实现对电阻、电容、电感的精确测量。本测量系统结构简单,并进行了抗干扰设计,使其具有较好的抗干扰能力,保证系统可靠工作。关键词C8051F020FPGADDS电阻电容电感测量中图分
2、类号TP31l文献标识码A文章编号1000—3932(2011)03-0301-03为了方便用户准确掌握手中RLC(电阻电容电感)的各项参数,笔者提供了一种采用FPGA和MCU的测量系统,可自动测量RLC的多项基本参数,系统以液晶屏显示测量结果,并可根据需要打印测量的结果,与现有的昂贵测试仪相比,该测量系统功能精简、操作智能化、人机接口友好。1方案设计与论证为满足高校实验室教学需要,设计一个低成本RLC电参数测量系统,本系统采用基于C8051F020单片机的可编程控制系统方案,单片机生成各种波形的数据表传输给FPGA,使用DDFS技术使FPGA生成所需要的波形并进行输
3、出,通过DA转换模块,将数字信号转换成模拟信号,通过程控放大器AD603,由单片机控制AD603进行增益的调整,再经过NE5532构成的调理电路对其进行电压放大¨’2]。产生高精度的正弦波信号流经待测的电阻、电容或者电感和标准电阻的串连电路,通过测量电容或者电感和标准电阻各自的电压,利用电压比例计算的方法推算出电容值或者电感值,利用C8051F020单片机控制测量和计算结果,运用自校准电路提高测量精度,采用液晶模块实时显示数值。系统总体组成框图如图1所示。1.1DDS简介直接数字频率合成(DDS)技术是通过累加相位来合成所需波形的频率合成技术。利用DDS设计的波形发生
4、器具有精度高、稳定性好、频率和波形易于控制等优点¨1。DDS主要由参考时钟、相位累加器、波形存储器、数模转换器和滤波器组成,近年来在频率合成、通信、仪器测量领域均有键盘输入瑙一面坪I图1系统总框图广泛地应用。1.2信号产生模块要求设计的正弦波信号发生器的频率范围较宽,其频率范围是1Hz~1MHz,且可以对频率进行设置,还有频率步进调节的功能,一般传统的LC谐振回路或无源RC结合运放的方式很难达到这一要求,所以我们提出利用DDS原理使用FPGA实现的解决方案。用FPGA实现波形信号的输出,只需要在FPGA内部建立一个波形数据表,然后在时钟的驱动下,读取数据表中的数据,经
5、过高速DA的转化,即可得出需要的波形。要输出不同的波形,改变波形数据表中的内容即可实现。若要实现频率的设置和步进,只需要给FPGA相应的数据关键字即可”’5。。采用FPGA中DDFS技术,对于不同波形,可建立不同存储表即可输出相应的波形,也可由外部输入波形表来完成任意波形的输出。频率范围高、精度高,方便收稿日期:20011-01—18(修改藕)基金项目:山东省自然科学基金项且资助(ZR2009FL027)化工自动化及仪表第38卷与其它设备接口。FPGA中实现波形输出原理图如图2所示。图2FPGA中实现波形输出原理框图1.3控制器方案选择¨1C8051F020是集模拟和
6、数字信号为一体的混合信号系统级高速单片机,他采用贴片封装,体积小、运算速度快。具有与MCS-51指令集完全兼容的CIP-51内核,具有所有8052外设器件,采用流水线指令结构,除此之外,C8051F020单片机具有丰富的I/O,具有高达20个中断源,而且具有丰富的外设:UART、SPI、ADC、定时器等。该单片机具有高达128k的FLASH和8k+256的RAM,无需外部扩展便可实现高速度运算和掉电存储,并具有JTAG接口,便于在线调试,非常适合于各种工业控制和仪表的使用。1.4信号调理模块增益可调的AD603的放大倍数可以通过单片机调节,由微控制器来判断当前信号幅度
7、的大小,经过一定的运算处理后给出一一对应的数字量控制信号,然后经过DA转换输出一个对应的模拟量来控制放大电路的增益,可以输出电压的连续变化。NE5532可实现固定放大倍数放大H’51。AD603通过软件控制输出,使之输出电压连续变化通过调节反馈电位器可实现输出幅度不小于5V,信号调理电路如图3所示。图3信号调理电路1.5时间模块利用DSl2887作为时钟显示模块。DSl2887自带晶体振荡器和电池,连接方便。通过修改其内部控制寄存器可以方便的加以控制㈨。DSl2887内部自带114字节通用RAM,因此可以通过它实现掉电存储功能。2理论分析与计算⋯电阻
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