基于FPGA的便携式RLC参数测量仪设计
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在数字集成电路和微处理器高度发展的今天,传统的测试方法已经不再适应潮流了,各种基于微处理器和集成电路设计的测量仪器开始应运而生。本文在传统测量原理和设计思想的基础上,选择合适的部分并加以创新改进,介绍并应用了一种比较实用、方便和快捷的方法来设计用于测量元器件参数的便携式测量仪。利用FPGA高速、高度集成化和灵活方便设计数字系统的特点,将之用于本系统的控制与数据处理电路设计中,并设计了相应的数据处理算法,使之达到对系统性能和便携性的要求。设计系统由激励信号源、前端测量电路、档位切换电路、高速A/D采样、相敏检波器、键盘与LCD等构成。在激励信号源的设计中,利用FPGA和外部D/A转换电路,产生精确的测量频率信号以及A/D转换器的时钟频率信号。前端测量电路由多级档位标准电阻和高精度宽频运算放大器组成,能够自动选择相应的测量档位,完成量程自动转换,以及对信号进行自动放大控制,使小阻抗的测量过程中可得到精确的采样信号。系统采用数字鉴相技术配合高速高精度A/D转换器,代替传统的双积分A/D采样,将采集的数据进行数字滤波和数字积分进行处理,以此得到更加精确的测量值。本文具体介绍了系统硬件设计和重点的软件算法的原理和设计实现过程,并且在测量数据的基础上,进行了误差分析和软硬件校正。最终系统具有精度高、可便携、测速快等特点,可以方便地测量电阻、电容、电感的值及相关辅助变量如相角θ、损耗因子D、品质因数Q等。
摘要 | 第7-8页 |
Abstract | 第8-9页 |
第一章 绪论 | 第10-14页 |
1.1 课题的研究背景和意义 | 第10-12页 |
1.1.1 国内外研究现状及发展历程 | 第10-11页 |
1.1.2 RLC 测量仪的发展趋势 | 第11-12页 |
1.2 论文研究主要内容 | 第12-13页 |
1.3 本人主要承担的设计工作 | 第13-14页 |
第二章 RLC 测量仪系统功能和设计方案 | 第14-26页 |
2.1 测量原理概述 | 第14-23页 |
2.1.1 伏安法测量 | 第15-16页 |
2.1.2 自由轴测量法 | 第16-17页 |
2.1.3 DDS 技术简介 | 第17-20页 |
2.1.4 鉴相技术与测量计算 | 第20-23页 |
2.2 系统设计方案 | 第23-24页 |
2.3 系统设计目标和要求 | 第24页 |
2.4 系统关键技术和创新点 | 第24-25页 |
2.5 本章小结 | 第25-26页 |
第三章 RLC 测量仪硬件设计 | 第26-44页 |
3.1 系统硬件设计架构 | 第26页 |
3.2 器件选型 | 第26-30页 |
3.2.1 微处理器 | 第27页 |
3.2.2 FPGA | 第27-28页 |
3.2.3 DAC 与 ADC | 第28-30页 |
3.2.4 电源芯片 | 第30页 |
3.3 硬件电路设计 | 第30-42页 |
3.3.1 信号发生器 | 第30-33页 |
3.3.2 前端测量电路 | 第33-35页 |
3.3.3 相敏检波器 | 第35-37页 |
3.3.4 AD 采样外围电路设计 | 第37-40页 |
3.3.5 显示模块和键盘阵列 | 第40-41页 |
3.3.6 串口通信 | 第41-42页 |
3.4 本章小结 | 第42-44页 |
第四章 软件与硬件模块化设计 | 第44-66页 |
4.1 设计概述 | 第44页 |
4.2 单片机软件设计 | 第44-47页 |
4.2.1 开发环境 | 第45页 |
4.2.2 数据通信和解析 | 第45页 |
4.2.3 CRC 数据校验模块 | 第45-47页 |
4.3 FPGA 模块化设计 | 第47-63页 |
4.3.1 设计流程 | 第47-49页 |
4.3.2 测量信号产生模块 | 第49-53页 |
4.3.3 相敏检波模块设计 | 第53-55页 |
4.3.4 数据采集处理模块 | 第55-62页 |
4.3.5 RLC 的参数计算 | 第62-63页 |
4.4 调试实物图 | 第63-64页 |
4.5 本章小结 | 第64-66页 |
第五章 测量结果及误差分析 | 第66-72页 |
5.1 测试结果分析 | 第66-68页 |
5.2 误差来源和分析 | 第68-70页 |
5.3 误差减少和消除 | 第70页 |
5.4 本章小结 | 第70-72页 |
第六章 结论与展望 | 第72-74页 |
参考文献 | 第74-78页 |
致谢 | 第78-80页 |
附录 | 第80页 |
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