基于MSP430F149的RLC、頻率及相位差測量儀的設(shè)計

摘要：給出了一種由單片機(jī)MSP430F149和部分外圍電路來構(gòu)成多參數(shù)測量儀的設(shè)計方案。詳細(xì)介紹了測量RLC、頻率及相位差的具體方法，同時給出了硬件電路和軟件程序框圖。
關(guān)鍵字：RLC；頻率；相位差；測量儀；MSP430F149

0 引言
目前，要在實驗室中完成對RLC、頻率及相位差的測量，實際需要用幾個儀表，如RLC表、頻率計和相位儀，這給實際使用帶來諸多不便。而且現(xiàn)在常用的儀表一般還是傳統(tǒng)的模擬式儀表，漂移大，程控性能不好，而有些儀表功能過于單一，不能滿足實際需求。為此，本文考慮到實際的科研實驗需要，給出了一種可同時測量RLC、頻率及相位差的測量儀的設(shè)計方法。

1 系統(tǒng)組成與硬件電路設(shè)計
1．1 系統(tǒng)組成
該儀器包括信號產(chǎn)生與接收模塊、信號的放大整形濾波處理模塊、單片機(jī)中央處理器、顯示模塊LCD12864和外部按鍵控制模塊等幾個部分，其系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)以單片機(jī)MSP430F149為處理器，主要用于整個系統(tǒng)的信號采集、輸入輸出控制和數(shù)據(jù)處理。系統(tǒng)中的信號來源有兩個：一是內(nèi)部信號源產(chǎn)生的信號，二是由外部接口輸入信號。這些信號先經(jīng)放大整形電路進(jìn)行處理，并由濾波電路濾波，之后送人到單片機(jī)，最后經(jīng)單片機(jī)運算處理，并輸出顯示。
1．2 MSP430F149芯片簡介
依據(jù)系統(tǒng)總體設(shè)計思路，該裝置選用MSP430F149作為整個系統(tǒng)的控制中心，MSP430系列單片機(jī)是一種超低功耗的混合信號控制器，它具有16位RISC結(jié)構(gòu)和豐富的尋址方式，同時集成了較豐富的片內(nèi)外設(shè)。本系統(tǒng)就是利用其內(nèi)部自帶的12位ADC來實現(xiàn)模擬信號的采集，其最高轉(zhuǎn)換速率可達(dá)382ksps，能滿足大多數(shù)數(shù)據(jù)采集的應(yīng)用要求；并且其內(nèi)部具有16位的定時器，可利用其定時器A、B的捕獲功能來捕獲一定頻率的方波信號，而且具有相當(dāng)高的精度。同時，利用此功能還可以實現(xiàn)對輸入信號的頻率和周期的計算。
1．3 系統(tǒng)工作原理
對電容、電阻進(jìn)行測量的基本原理是利用RC振蕩，具體做法是用電容三點式振蕩電路與555電路構(gòu)成多諧振蕩電路，并產(chǎn)生一定的頻率，然后通過測量頻率信號得出電容和電阻的信息。圖2所示是其555振蕩電路。

555的內(nèi)部時基電路與電容C1及外接的電阻R1、R2構(gòu)成的無穩(wěn)態(tài)振蕩電路的振蕩頻率范圍可達(dá)0．001Hz～500kHz。當(dāng)C1的電容量或電阻值R1、R2相應(yīng)變化時，555電路輸出的測量脈沖的寬度和頻率也會發(fā)生變化。其中測量電阻時，可將R2替換為被測電阻，即R2=Rx，以使C1與R1處于一個一定的已知量值上，此時的輸出頻率計算公式為：

測量電容時，可將C1替換為被測電容，即C1=Cx，R1與R2設(shè)定為固定量值且相等，此時輸出頻率的計算公式為：

由于輸出的頻率變化與外部接入的量值成比。因此，在電路中只要正確地選擇電阻的阻值與電容的容值，就可以得到適合測量所需要的脈沖寬度與脈沖頻率。