LM3S811测量仪的设计
LM3S811测量仪的设计[20200128194525]
摘 要
本文所设计的RLC测量仪程序主要有控制模块、正弦信号产生模块、测量模块、显示模块组成。是以LM3S811作为主控制器，再通过AD9851产生的正弦波信号， 经过滤波、放大处理后得到的频率和幅值可调的高精度正弦信号。是利用编程来实现的频率预置、步进、输出频率的连续可调。标准的直流信号经过待测电阻和标准正弦信号再经过待测电容、电感和电阻的串连电路，通过高精度有效值测量芯片OPA835测量电容、电感和电阻各自的有效电压值，利用电压比例计算的方法推算出电阻值、电容值和电感值。最后通过单片机来控制12864液晶显示屏显示数据，并通过控制多路选择开关来设定测量的量程，实现精确的读数。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电阻电容电感测量；LM3S811；高精度有效值测量芯片；电压比例法
一、引言 1
二、设计方案与硬件介绍 1
（一）设计方案 1
（二）硬件介绍 2
三、硬件设计 3
（一）RLC的计算 3
（二）LM3S811单片机主控电路 4
（三）产生电路 5
（四）分压电路 6
（五）测量电路 6
（六）矩阵键盘电路 7
（七）显示电路 8
（八）总电路 8
四、软件设计 9
（一）总流程 9
（二）测量子流程 9
五、总结 11
参考文献 12
致 谢 13
附录 14
一、引言
在当今社会电子技术领域中，随着电子技术的迅速发展，我们生活中的方方面面都已经使用到了电子产品，所以，人们对电子已经不再感到陌生了。随着科技的不断发展，利用平衡原理与运算放大的有源交流电桥相继出现，采用运放的比例特性的交流电桥受到了人们的重视。但由于微机技术的引进，此类电桥中的很大部分又存在了很短一段时间，就被功能、指标更优异的 RLC测量仪所替代，也将向着更合理，更科学，更适用的方向不断向前发展！
通常人们会对不知道阻值大小的一些元器件用万用表进行测量，然后他们并不知道有些元器件用万用表进行测量并不是很精确的。那么，对于电子电路成绩不好的同学来说，测量这些阻值就比较困难了。所以，设计出一台RLC测量仪就是有十分必要的。而且，不管是什么样的电子竞赛还是研究开发都需要精确的测量数据，本设计就是在这样的背景下提出来的。所以，制作出一台健全的电阻、电感、电容测量仪具有相当强的实际意义。
二、设计方案与硬件介绍
（一）设计方案
本文设计的RLC测量仪能够精确的测量电阻、电感、电容。
主要由以下几个部分组成：
1、LM3S81单片机；
2、标准正弦波产生芯片；
3、标准电容电阻和电感串联分压电路；
4、矩阵键盘；
5、A/D转换；
6、LCD显示电路。
系统框图如图 1 所示，控制器采用单片机LM3S811单片机为核心。
图1 RLC测量仪系统框图
（二）硬件介绍
1、LM3S811
单片机LM3S811的发展历史已经有很长的一段时间了，因为应用比较广泛，所以各种技术都比较成熟，结合论文的要求及单片机LM3S811的特点，选用LM3S811实现整个作品的核心控制是最好不过的了。
2、AD9851
AD9851的最高工作时钟为180MHz，内部除了完整的高速DDS外，还集成了时钟6倍频器和一个高速比较器。集成的时钟6倍频器降低了外部参考时钟频率，只需一个30MHz的晶振。因此减小了高频辐射，提高了系统的电磁兼容能力。
AD9851的 DDS系统采用了32bits相位累加器及10bitsDAC，在70MHz模拟输出时，DAC输出的抑制动态范围为SFDR>43dB。5bits相位控制可实现最小11.5°的相位改变。频率控制和相位调节可采用并行或串行方式。AD9851的工作电压范围较宽，为2.7～5.2V，180MHz工作时的功耗为550mW，功耗低，在2.7V时仅为4mW，频率调节范围满足论文的要求。
9851内部有一个高速比较器 （实为一个高速运放），DDS输端出接入该比较器的一个输入脚，在另一个输入脚接上做比较的直流电平，就可以输出与DDS输出同频率的方波，改变直流电平就可以改变方波的占空比。
3、OPA835
OPA835芯片是当前国际上转换精度最高及频带最宽的真有效值转换芯片，具备输出失调调整和尺度因数误差外表调整功能，可以帮助用户把总误差减小到最少，是一个超低功耗运算放大器，并且电路设计较为简单。
OPA835是单通道和双通道的超低功耗，负轨输入电压反馈运算放大器为2.5V，单电源电压范围为1.25V--5.5V的双电源电压范围内运作而设计，具有70MHz 、250μA。从而为轨至轨放大器设定了一个居业界领先水平的功耗-性能比的单位增益带宽。
对于将功耗作为关键性的重要指标的电池供电型便携式应用而言和OPA2835的低功耗及高频性能为设计人员提供了采用其他器件所无法获得的性 能,OPA835。再加上可将电流减小至功耗比< 1μA /的节能模式,这些器件为电池供电型应用中的高频放大器提供了一款极具吸引力的解决方案。
4、显示模块
LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，同时也带来了造价过高、视角不广、彩色显示不理想等问题。CRT的显示可以选择一系列的分辨率，从而能按照屏幕的要求加以调整，但是LCD屏只含有固定数量液晶单元，只能在全屏幕中使用一种分辨率显示(每个单元等于一个像素)。
随着电子技术的迅速发展，LCD技术也在不断的进步。现在，LCD显示器已经基本普及，价格对于普通消费者来说也可以接受，如三星、华硕、LG等厂商生产的科技含量较高的中高端LCD显示器的价格也并非"高不可攀"。LCD技术的飞速发展，也使缺点取得了进步，LCD显示器已经逐渐开始取代了CRT，成为了人们日常生活中最重要的显示设备。
LCD液晶显示，耗电量低，串行通信，占用很少的I/O， LCD液晶不但能显示字符和数字，而且显示效果较好，容易编程实现。
5、矩阵键盘
是将按下的键相当于单片机的代源码。把每个键的每一个部分都通过垂直和水平的线输入，比如说，如果扫描码是从垂直输入的，那就说明那一行所接收到的扫描码是同一个bit，而读入的扫描码就是水平的。扫描的动作是先输入扫描码，再读取所输入的值，比对之后就可知道是哪个键被按下的。
由于这种按键是机械式的开关，所以，当按键被按下时，键会震动一小段时间才会稳定下来，为了避免有误差，当我们发现有键按下的时候，就要停止一段时间，使键盘才可以达稳定的状态，然后再去判读所按下的键，就可以让键盘的输入稳定了。
三、硬件设计
（一）RLC的计算
高精度测量电阻较好的方法之一就是采用与标准电阻相比较的方法，其原理就是在待测电阻 Rx 与标准电阻 R1 的串联电路中间加一个电流 I ,这样的话Rx与R1上将得到的电压就为Ux和U1，则测量电阻为： 。
本人所设计的测量仪就是采用了和测量电阻相同的测量方法，用电压比例法来测量电容和电感。由于电容和电感都是属于电抗元件，所以不能采用直流来产生测量信号。只能采用交流信号在角频率为ω的交流信号的作用下。电容和电感所获得的电压分别为：
， (式中：Cx和Lx为待测电容和电感)
选择标准的元器件有很多方法 ，但是为了提高测量精度和降低成本 本人的设计采用了标准电阻，它所获得的电压为：
根据电压比例法，经过计算可以知道:
, (式中： 、 、 分别是 、 向量电压的模值)。
（二）LM3S811单片机主控电路
下图2是LM3S811单片机主控电路。在本论文中，是用单片机LM3S811作为主控制器的。通过此芯片来控制其他电路。
图2 LM3S811单片机主控电路
（三）产生电路
在30 MHz时钟下，输出正弦信号和脉冲信号的频率范围为 0. 291 Hz～70 MHz ，可以通过编程来任意输出其间的频率值，使用比较方便 ，频率准确度比较高。
正弦信号输出经AD811的放大，先通过旋转电位器来调节输出信号幅值的大小，后经过AD844电压跟随器，对前级和后级进行隔离，来降低输出的阻抗。
AD9851 芯片有并行加载和串行加载 2 种方式，图 3（放大可以见清晰原理图）所示是串行加载的电路连接图。单片机只需要 4 根信号线就可以对 AD9851 进行编程。DATA_IN 是数据加载串行输入线，FQ_UD和 W_CL K是 2 根时钟控制线，用来控制DATA _IN引脚上数据输入的时序 ，RESET 是 AD9851 芯片的复位线。
摘 要
本文所设计的RLC测量仪程序主要有控制模块、正弦信号产生模块、测量模块、显示模块组成。是以LM3S811作为主控制器，再通过AD9851产生的正弦波信号， 经过滤波、放大处理后得到的频率和幅值可调的高精度正弦信号。是利用编程来实现的频率预置、步进、输出频率的连续可调。标准的直流信号经过待测电阻和标准正弦信号再经过待测电容、电感和电阻的串连电路，通过高精度有效值测量芯片OPA835测量电容、电感和电阻各自的有效电压值，利用电压比例计算的方法推算出电阻值、电容值和电感值。最后通过单片机来控制12864液晶显示屏显示数据，并通过控制多路选择开关来设定测量的量程，实现精确的读数。
*查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:电阻电容电感测量；LM3S811；高精度有效值测量芯片；电压比例法
一、引言 1
二、设计方案与硬件介绍 1
（一）设计方案 1
（二）硬件介绍 2
三、硬件设计 3
（一）RLC的计算 3
（二）LM3S811单片机主控电路 4
（三）产生电路 5
（四）分压电路 6
（五）测量电路 6
（六）矩阵键盘电路 7
（七）显示电路 8
（八）总电路 8
四、软件设计 9
（一）总流程 9
（二）测量子流程 9
五、总结 11
参考文献 12
致 谢 13
附录 14
一、引言
在当今社会电子技术领域中，随着电子技术的迅速发展，我们生活中的方方面面都已经使用到了电子产品，所以，人们对电子已经不再感到陌生了。随着科技的不断发展，利用平衡原理与运算放大的有源交流电桥相继出现，采用运放的比例特性的交流电桥受到了人们的重视。但由于微机技术的引进，此类电桥中的很大部分又存在了很短一段时间，就被功能、指标更优异的 RLC测量仪所替代，也将向着更合理，更科学，更适用的方向不断向前发展！
通常人们会对不知道阻值大小的一些元器件用万用表进行测量，然后他们并不知道有些元器件用万用表进行测量并不是很精确的。那么，对于电子电路成绩不好的同学来说，测量这些阻值就比较困难了。所以，设计出一台RLC测量仪就是有十分必要的。而且，不管是什么样的电子竞赛还是研究开发都需要精确的测量数据，本设计就是在这样的背景下提出来的。所以，制作出一台健全的电阻、电感、电容测量仪具有相当强的实际意义。
二、设计方案与硬件介绍
（一）设计方案
本文设计的RLC测量仪能够精确的测量电阻、电感、电容。
主要由以下几个部分组成：
1、LM3S81单片机；
2、标准正弦波产生芯片；
3、标准电容电阻和电感串联分压电路；
4、矩阵键盘；
5、A/D转换；
6、LCD显示电路。
系统框图如图 1 所示，控制器采用单片机LM3S811单片机为核心。
图1 RLC测量仪系统框图
（二）硬件介绍
1、LM3S811
单片机LM3S811的发展历史已经有很长的一段时间了，因为应用比较广泛，所以各种技术都比较成熟，结合论文的要求及单片机LM3S811的特点，选用LM3S811实现整个作品的核心控制是最好不过的了。
2、AD9851
AD9851的最高工作时钟为180MHz，内部除了完整的高速DDS外，还集成了时钟6倍频器和一个高速比较器。集成的时钟6倍频器降低了外部参考时钟频率，只需一个30MHz的晶振。因此减小了高频辐射，提高了系统的电磁兼容能力。
AD9851的 DDS系统采用了32bits相位累加器及10bitsDAC，在70MHz模拟输出时，DAC输出的抑制动态范围为SFDR>43dB。5bits相位控制可实现最小11.5°的相位改变。频率控制和相位调节可采用并行或串行方式。AD9851的工作电压范围较宽，为2.7～5.2V，180MHz工作时的功耗为550mW，功耗低，在2.7V时仅为4mW，频率调节范围满足论文的要求。
9851内部有一个高速比较器 （实为一个高速运放），DDS输端出接入该比较器的一个输入脚，在另一个输入脚接上做比较的直流电平，就可以输出与DDS输出同频率的方波，改变直流电平就可以改变方波的占空比。
3、OPA835
OPA835芯片是当前国际上转换精度最高及频带最宽的真有效值转换芯片，具备输出失调调整和尺度因数误差外表调整功能，可以帮助用户把总误差减小到最少，是一个超低功耗运算放大器，并且电路设计较为简单。
OPA835是单通道和双通道的超低功耗，负轨输入电压反馈运算放大器为2.5V，单电源电压范围为1.25V--5.5V的双电源电压范围内运作而设计，具有70MHz 、250μA。从而为轨至轨放大器设定了一个居业界领先水平的功耗-性能比的单位增益带宽。
对于将功耗作为关键性的重要指标的电池供电型便携式应用而言和OPA2835的低功耗及高频性能为设计人员提供了采用其他器件所无法获得的性 能,OPA835。再加上可将电流减小至功耗比< 1μA /的节能模式,这些器件为电池供电型应用中的高频放大器提供了一款极具吸引力的解决方案。
4、显示模块
LCD克服了CRT体积庞大、耗电和闪烁的缺点，同时也带来了造价过高、视角不广、彩色显示不理想等问题。CRT的显示可以选择一系列的分辨率，从而能按照屏幕的要求加以调整，但是LCD屏只含有固定数量液晶单元，只能在全屏幕中使用一种分辨率显示(每个单元等于一个像素)。
随着电子技术的迅速发展，LCD技术也在不断的进步。现在，LCD显示器已经基本普及，价格对于普通消费者来说也可以接受，如三星、华硕、LG等厂商生产的科技含量较高的中高端LCD显示器的价格也并非"高不可攀"。LCD技术的飞速发展，也使缺点取得了进步，LCD显示器已经逐渐开始取代了CRT，成为了人们日常生活中最重要的显示设备。
LCD液晶显示，耗电量低，串行通信，占用很少的I/O， LCD液晶不但能显示字符和数字，而且显示效果较好，容易编程实现。
5、矩阵键盘
是将按下的键相当于单片机的代源码。把每个键的每一个部分都通过垂直和水平的线输入，比如说，如果扫描码是从垂直输入的，那就说明那一行所接收到的扫描码是同一个bit，而读入的扫描码就是水平的。扫描的动作是先输入扫描码，再读取所输入的值，比对之后就可知道是哪个键被按下的。
由于这种按键是机械式的开关，所以，当按键被按下时，键会震动一小段时间才会稳定下来，为了避免有误差，当我们发现有键按下的时候，就要停止一段时间，使键盘才可以达稳定的状态，然后再去判读所按下的键，就可以让键盘的输入稳定了。
三、硬件设计
（一）RLC的计算
高精度测量电阻较好的方法之一就是采用与标准电阻相比较的方法，其原理就是在待测电阻 Rx 与标准电阻 R1 的串联电路中间加一个电流 I ,这样的话Rx与R1上将得到的电压就为Ux和U1，则测量电阻为： 。
本人所设计的测量仪就是采用了和测量电阻相同的测量方法，用电压比例法来测量电容和电感。由于电容和电感都是属于电抗元件，所以不能采用直流来产生测量信号。只能采用交流信号在角频率为ω的交流信号的作用下。电容和电感所获得的电压分别为：
， (式中：Cx和Lx为待测电容和电感)
选择标准的元器件有很多方法 ，但是为了提高测量精度和降低成本 本人的设计采用了标准电阻，它所获得的电压为：
根据电压比例法，经过计算可以知道:
, (式中： 、 、 分别是 、 向量电压的模值)。
（二）LM3S811单片机主控电路
下图2是LM3S811单片机主控电路。在本论文中，是用单片机LM3S811作为主控制器的。通过此芯片来控制其他电路。
图2 LM3S811单片机主控电路
（三）产生电路
在30 MHz时钟下，输出正弦信号和脉冲信号的频率范围为 0. 291 Hz～70 MHz ，可以通过编程来任意输出其间的频率值，使用比较方便 ，频率准确度比较高。
正弦信号输出经AD811的放大，先通过旋转电位器来调节输出信号幅值的大小，后经过AD844电压跟随器，对前级和后级进行隔离，来降低输出的阻抗。
AD9851 芯片有并行加载和串行加载 2 种方式，图 3（放大可以见清晰原理图）所示是串行加载的电路连接图。单片机只需要 4 根信号线就可以对 AD9851 进行编程。DATA_IN 是数据加载串行输入线，FQ_UD和 W_CL K是 2 根时钟控制线，用来控制DATA _IN引脚上数据输入的时序 ，RESET 是 AD9851 芯片的复位线。
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