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基于单片机的电阻、电感、电容测量系统.pdf
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第一章 绪论
科学技术的飞速发展,特别是信息技术、精密工程的发展,催生了
众多的新工艺、新材料、新产品,给人们的生产生活带来了日新月异的
变化,然而所有这些新工艺、新材料、新产品都离不开测试测量技术和
精密仪器,测试测量技术是这些产品质量的重要保证,而计量是为测试
测量提供标准,精密仪器是其必不可少的工具。随着被测试系统、产品
的发展水平日趋提高——速度越来越快、体积越来越小、应用覆盖范围
越来越广,人们对测试测量技术及精密仪器的要求也越来越高,促使测
试测量技术和测量仪器不断出现新理论、新技术和新方法。而电阻、电
容、电感是电子线路中必定使用的零部件。在进行电子线路的设计的基
础上,准确地测量这些零部件的值是极其重要的。测量这些零部件的值,
一般使用 LCR 测试仪。
测量电子元器件集中参数 R.L.C 的仪表种类较多,方法也各有不
同,但都有优缺点。一般的测量方法都存在计算复杂,不易实现自动测
量而且很难实现智能化。随着智能化仪器的发展,元器件测量也变得十
分简单,不象传统的模拟万用电桥那样操作复杂、调试困难,而采用
LCR 自动测量仪。这种测量仪是以微处理器为基础的智能仪器,可以自
动测量无源元件的各项基本参数。RLC 参数自动测式仪不仅能自动判断
元件的性质,而且能将符号图形显示出来,并显示出其值,还能测量 Q、
D、Z、Lp、Ls、Kp、Ks 等参数,且显示出等效电路图形。这类自动测
试系统具有极强的通用性和多功能性,对于不同的测试任务,只需增减
或更换挂在它上面的仪器设备,编制相应的测试软件,而系统本身不变。
这种自动测试系统特别适合于要求测试时间短而数据处理量极大的测
试任务中,以及测试现场对操作人员有害或操作人员参与会产生人为误
差的测试场合。因其具有很多传统仪器所不具备的优点,故 RLC 自动测
试仪现在应用越来越广泛。
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第二章 方案设计与论证
RLC 参数的测量方法主要有电桥法.谐振法.伏安法三种。
电桥法具有较高的测量精确度,因而被广泛采用,而且电桥已派生
出许多类型。但是电桥法测量需要反复进行平衡调节,测量时间长,因
而很难实现快速的自动测量。
谐振法要求有较高频率的激励信号,一般不容易满足高精度测量的
要求。由于测试频率不固定,测试速度也很难提高。
伏安法是最经典的方法,它的测量原理直接来自于阻抗的定义,即
若已知流经被测阻抗的矢量电流并测得被测阻抗两端的电压,则通过比
较频率便可得到被测阻抗的矢量。显然,要实现这种方法,仪器必须能
进行矢量的测量及除法运算,因而,只有运用近现代电路技术,特别是
计算机技术才能是这一经典方法得到发展。但是其结构复杂,且计算量
很大,需借助于计算机,因此不易实现。
在本系统中我们要介绍的是把电子元件的参数 R、C、L 转换成频率
信号 f,然后用单片机计数后在运算求出 R、C、L,并送显示,转换原
理分别是 RC 振荡和 LC 三点式振荡,这样就能够把模拟量近似的转换位
数字量,而频率 f 是单片机很容易处理的数字量,这种数字化的处理一
方面便于使仪表实现智能化。
方案中用到的单片机是凌阳的 16 位单片机 SPCE061A,由于该 CPU
具有丰富的 I/O 口和丰富的时基信号,为我们提供了极大的方便,其中
可以利用 I/O 口置高低电平来实现量程的转换,由于单片机 SPCE061A
的定时器可以通过外部时钟源来计数,我们便可以将 555 电路或电容三
点式振荡电路产生的频率作为 SPCE061A 的定时器的时钟源,这样就很
容易得到被测 R/C/L 对应产生的频率。而且 SPCE061A 具有语音处理功
能,我们在显示的基础上还可以加入语音播报,使得整个测量过程更加
智能化。
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第三章 凌阳单片机简介
随着单片机集成化程度的不断提高,现代单片机已经具备了数字信
号处理功能,使语音信号处理用单片机实现成为可能。台湾凌阳公司推
出的一款 SPCE061A 就是这样的产品。它不但具有微控制器功能,还具
有 DSP 运算功能,可以用来进行数字语音信号处理。SPCE061A 是以μ
'nSP TM16 位微控制器及信号处理器芯片为内核的 16 位单片机,采用
模块式集成结构,集成了 2KB RAM、32KB Flash、ADC、DAC、并行 I/O
等,特别适合语音信号处理。
3.1 硬件系统结构
(1) SPCE061A 结构
SPCE061A 是继 m’nSP 系列产品 SPCE500A 等之后凌阳科技推出的
又一个 16 位结构的微控制器。其内部结构特点如下:
*16 位μ 'nSP TM 微控制器;
*工作电压:VDD 为 2.6~3.6V(CPU),VDDH 为 VDD~5.5V(I/O);
*CPU 时钟为 0.32~49.152MHz;
*内置存储器:SRAM 为 2KB,内存 Flash 为 32KB;
*可编程音频处理;
*2 个 16 位可编程定时器/计数器;
*7 通道 10 位 ADC(内置麦克风放大和自动增益控制功能);
*2 个 10 位 DAC;
*32 路可编程通用输入输出端口;
*串行输入输出接口;
*低电压监测/低电压复位功能;
*14 个中断源可来自定时器、外部时钟输入、键唤醒等;
*内置在线仿真电路 ICE;
(2) SPCE061A 开发方法
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SPCE061A 的开发是通过在线调试器 PROBE 实现的。它既是一
个编程器,又是一个实时在线调试器。PROBE 工作于凌阳 IDE 集成开发
环境软件包下,其 5 芯的仿真头直接连接到目标电路板上 SPCE061A 相
应管脚,直接在目标电路板上的 CPU---SPCE061A 调试、运行用户编制
的程序。PROBE 的另一头是标准 25 针打印机接口,直接连接到计算机
打印口与上位机通讯,在计算机 IDE 集成开发环境软件包下,完成在线
调试功能。下图是计算机、PROBE、用户目标板三者之间的连接适意图
图 3.1 用户目标板、PROBE、计算机三者之间的连接图
(3) “61”开发板简要介绍
图 3.2 “61” 开发板内部结构框图
4
表 3-1 61 开发板各管脚功能
POWER 5V 或 3V 供电电路
Power-电源指示灯
Sleep-睡眠指示灯
复位按键
PLL
RESET
PROBE
锁相环外部电
路
复位电路
在线调试器串
行 5pin 接口
麦克风输入电
路
K4
DAC 一路音频输出电路, MIC
采用 SPY0030 集成音
频放大器
OSC 32768 晶振电路 VREF A/D 转 换外部
参考电压输入
借口
R/C 芯 片 及 其 他 外 围 电 K1.K2.K3 扩展的按键:
阻.电容电路 接 IOA0~IOA2
32 个 I/O 口SPCE061A 61 板核心:16 位处理 PORTA
器
(4) 语音采集的硬件电路
语音采集的硬件电路,MIC 采用驻极体电容话筒,这种话筒具有灵
敏度高、无方向性、重量轻、体积小、频率响应宽、保真度好等优点。
与 PC 机的串行通信用 SPCE061A 的 UART 接口,用 MAX232 芯片进行电平
转换,即可实现 RS232 通信。
3.2 软件设计与实现
(1)语音信号的采集压缩
语音信号处理的基础是对语音信号进行数字化,并采样存储。
SRCE061A 内置专门用于语音信号采集的自动增益控制放大器(AGC)的
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