CN109444588A - 一种基于fpga+dds+pll的lcr测量系统 - Google Patents

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徐勤
张鹏程
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Abstract

本发明公开了一种基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，包括FPGA、MSP430单片机、通讯电路、信号源电路、采样电路、信号检测电路和LCD液晶显示屏；所述FPGA包括主控模块、通讯模块、采样控制模块、信号源控制模块、数据处理模块和FIFO存储器；所述主控制模块通过通讯模块和通讯电路接收MSP430单片机的命令并将所获得的电压数据传送到MSP430单片机，电压数据经MSP430单片机处理后，在LCD液晶显示屏上显示；本发明采用FPGA+MSP430单片机作为整个系统的微控制器和处理器，各个功能模块可以不受干扰的独立运行，提高了系统的实时性和稳定性；在FPGA的内部设置了一个FIFO存储器模块，可以实现对输入数据的缓冲和存储；测量更为简单、高效和精确。

Description

一种基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统
技术领域
本发明涉及电子测量仪器，具体涉及一种基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统。
背景技术
LCR测试仪能准确并稳定地测定各种各样的元件参数，主要是用来测试电感、电容、电阻的测试仪。它具有功能直接、操作简便等特点，能以较低的预算来满足生产线质量保证、进货检验、电子维修业对器件的测试要求。目前市场上的各种测量仪器，大多数采用的是ARM 作为控制器，精度和测量范围均有待提高，而且结构复杂不够集成化。随着现代科学技术的不断深入发展，人们对于电子测量仪器的要求越来越高，因此，亟需研发一种简易方便的，精准度高，多功能的电子测量仪器。
发明内容
发明目的：为了解决现有技术存在问题，本发明的目的是提供一种基于FPGA+DDS+PLL 结构的LCR测量系统，以实现更加精确、高效的测量。
技术方案：一种基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统：包括FPGA、MSP430单片机、通讯电路、信号源电路、采样电路、信号检测电路和LCD液晶显示屏；所述FPGA包括主控模块、通讯模块、采样控制模块、信号源控制模块、数据处理模块和FIFO存储器；所述主控制模块通过通讯模块和通讯电路接收MSP430单片机的命令并将所获得的电压数据传送到 MSP430单片机，电压数据经MSP430单片机处理后，在LCD液晶显示屏上显示。
具体的，所述信号源控制模块与外部的信号源电路相连，负责控制信号源电路的正弦信号源和直流电压信号源的产生以及初始化信号源电路。
所述FPGA与MSP430单片机采用异步通信方式，在一次测量过程结束后，FPGA发送信号给MSP430单片机停止测量，进行数据处理并进行实时显示。
所述数据处理模块根据所测的条件将FIFO存储器写满后交给数据处理模块的数据转换成所测的元器件的值，处理完的数据后交由MSP430单片机处理显示。
所述采样控制模块与外部的采样电路相连，用于控制采样电路对待测元器件产生的信号进行采样，所述采样电路采用自动平衡电桥的原理，激励信号经过待测元器件之后，产生的负载电流经过所述采样电路中的采样电阻形成压降，之后将IV电压和负载电压送入检测电路通道，进行电压幅值和相位检测；待采样完成后，数据送入信号检测电路。
所述采样电路采用继电器作为选择采样电阻的控制器，采样电阻的调整方法为：根据上次测量结果，选择阻抗值最接近的采样电阻值，采用的是设置一个信号幅值上限记为SigLimit，采用增益自动调节算法，让较大的信号经过放大后尽可能接近SigLimit，尽可能提高信号的信噪比，保证测量精度。
所述信号源电路包括信号源产生电路、DA电路、低通滤波电路和整形放大电路。
所述信号源产生电路由直接数字频率合成(DDS)和锁相环(PLL)组成。
所述信号检测电路由FPGA控制的积分ADC电路组成，当检测到直流信号后，直接进行ADC处理，计算出其对应的电压积分过程的计数值，传给FPGA，FPGA将数据存入FIFO 存储器；当检测到交流信号时，将待测元器件产生的信号与同频率的参考交流信号执行相乘，通过控制积分周期的时间，使积分时间是交流信号周期时间的2-8倍，实现滤波，从而得到只与待测信号的幅值、相位有关联的直流信号，执行与直流信号一样的ADC处理，得到交流信号的电压相量。
与FPGA连接的外部和FPGA引脚之间的连接采用的是光电隔离，从而保证不互相干扰。
有益效果：和现有技术相比，本发明具有以下显著进步：1、本发明采用FPGA+MSP430 单片机作为整个系统的微控制器和处理器，各个功能模块可以不受干扰的独立运行，提高了系统的实时性和稳定性。2、本发明在FPGA的内部设置了一个FIFO存储器模块，可以实现对输入数据的缓冲和存储。3、本发明利用MSP430单片机和FPGA的特性，通过控制采样电路的继电器来选择采样电阻，实现精确测量。4、本发明利用FPGA与MSP430单片机之间的互相通信，可以实现对整个测量的过程进行一体化的控制和参数设置，更加的简单高效。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是DDS+PLL信号源产生结构示意图；
图3是检测电路检测直流信号的流程示意图；
图4是检测电路检测交流信号的流程示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施方法对本发明的技术方案作进一步阐述。
本发明的系统结构示意图如图1所示，包括FPGA、MSP430单片机、通讯电路、信号源电路、采样电路、信号检测电路。所述信号源模块包括DDS+PLL信号源产生电路以及DA 电路，低通滤波电路和整形放大电路。所述FPGA内部设有主控制模块、信号源控制模块，采样控制模块，数据处理模块，通讯模块以及FIFO存储器。所述通讯模块与MSP430单片机进行通信，将所测数据显示在LCD液晶显示屏上；所述数据处理模块是由FPGA接收到检测电路的数据后进行处理计算测得待测器件的阻抗。
主控制模块与通讯模块相连，通讯模块负责与MSP430单片机进行通信，负责接收单片机的命令和将所获得的电压数据传送到单片机，然后经过单片机的处理在LCD液晶显示屏上显示。
信号源控制模块与外部的信号源电路相连，负责控制信号源电路产生正弦信号源和直流电压信号源以及初始化信号源模块，信号源电路是由直接数字频率合成(DDS)+锁相环(PLL) 组成，频率可由FPGA编程控制，采用FPGA+晶振+PLL+DAC的结构，输出的频率连续可调节。将产生的信号源作为激励信号通过待测元器件后产生测量信号。
采样控制模块与外部的采样电路相连，用于控制采样电路对待测元器件的产生的信号进行采样，采样电路是采用自动平衡电桥的原理，激励信号经过待测元器件之后，产生的负载电流经过采样电路中的采样电阻形成压降，之后将IV电压和负载电压送入检测电路通道，进行电压幅值和相位检测。
信号检测电路是由FPGA控制的积分ADC的电路组成，当检测到直流信号后，直接进行ADC处理，计算出其对应的电压积分过程的计数值，再传给FPGA，FPGA将数据存入FIFO 模块。当检测到交流信号时，将待测元器件产生的信号与同频率的参考交流信号执行相乘，通过控制积分周期的时间，让积分时间是交流信号周期时间的2-8倍，实现滤波，从而得到只与待测信号的幅值，相位有关联的直流信号，执行与直流信号一样的ADC处理，得到交流信号的电压相量。
FIFO存储器对信号检测的数据进行缓存，待FIFO存储器写满后通知数据处理模块读取数据并处理。
数据处理模块根据所测的条件将FIFO写满后交给数据处理模块的数据转换成所测的元器件的值，处理完数据后交由MSP430单片机处理显示。
通讯电路负责FPGA与MSP430单片机之间的通信，将数据处理模块的数据传送给MSP430单片机，同时将单片机的命令传送给FPGA，从而控制各个模块和电路。
MSP430单片机用于处理数据，发送命令和控制LCD液晶显示屏，将所测元器件的值实时显示。
图2所示为DDS+PLL信号源产生结构示意图，包括FPGA信号源控制模块负责给出所需要的数字信号(交流信号或者直流信号)，DDS模块负责接受FPGA的控制，对DDS内部的频率和相位进行控制，然后经过锁相环，DA转换，滤波器模块进行滤波纯净信号，通过功率放大器放大产生可以带动负载的信号。如图3所示为检测电路检测直流信号的测量过程示意图，展示了系统测量直流信号源的整个过程。如图4所示为检测电路检测交流信号的测量过程示意图，展示了系统测量交流信号源的整个过程。
综上，本发明选择FPGA和MSP430单片机作为整个系统的控制器，根据FPGA的特点加上MSP430单片机系统共同构成整个系统的微控制器，对整个测量的过程进行一体化控制和参数设置，其中，MSP430单片机主要负责处理测量数据和设置控制参数。FPGA在MSP430控制下，完成DDS+PLL程序控制，以及积分ADC算法的控制和一系列的电路控制。经实施校验，解决了现有技术中测量设备功能单一、测量精度低和实时性差等问题。

Claims (10)

1.一种基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，其特征在于：包括FPGA、MSP430单片机、通讯电路、信号源电路、采样电路、信号检测电路和LCD液晶显示屏；
所述FPGA包括主控模块、通讯模块、采样控制模块、信号源控制模块、数据处理模块和FIFO存储器；所述主控制模块通过通讯模块和通讯电路接收MSP430单片机的命令并将所获得的电压数据传送到MSP430单片机，电压数据经MSP430单片机处理后，在LCD液晶显示屏上显示。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，其特征在于：所述信号源控制模块与外部的信号源电路相连，负责控制信号源电路的正弦信号源和直流电压信号源的产生以及初始化信号源电路。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，其特征在于：所述FPGA与MSP430单片机采用异步通信方式，在一次测量过程结束后，FPGA发送信号给MSP430单片机停止测量，进行数据处理并进行实时显示。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，其特征在于：所述数据处理模块根据所测的条件将FIFO存储器写满后交给数据处理模块的数据转换成所测的元器件的值，处理完的数据后交由MSP430单片机处理显示。
5.根据权利要求1所述的基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，其特征在于：所述采样控制模块与外部的采样电路相连，用于控制采样电路对待测元器件产生的信号进行采样，激励信号经过待测元器件之后，产生的负载电流经过所述采样电路中的采样电阻形成压降，之后将IV电压和负载电压送入检测电路通道，进行电压幅值和相位检测；待采样完成后，数据送入信号检测电路。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，其特征在于：所述采样电路采用继电器作为选择采样电阻的控制器，采样电阻的调整方法为：根据上次测量结果，选择阻抗值最接近的采样电阻值，采用的是设置一个信号幅值上限记为SigLimit，采用增益自动调节算法，让较大的信号经过放大后尽可能接近SigLimit。
7.根据权利要求1所述的基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，其特征在于：所述信号源电路包括信号源产生电路、DA电路、低通滤波电路和整形放大电路。
8.根据权利要求7所述的基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，其特征在于：所述号源产生电路由直接数字频率合成和锁相环组成。
9.根据权利要求1所述的基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，其特征在于：所述信号检测电路由FPGA控制的积分ADC电路组成，当检测到直流信号后，直接进行ADC处理，计算出其对应的电压积分过程的计数值，传给FPGA，FPGA将数据存入FIFO存储器；当检测到交流信号时，将待测元器件产生的信号与同频率的参考交流信号执行相乘，通过控制积分周期的时间，使积分时间是交流信号周期时间的2-8倍，滤波得到只与待测信号的幅值、相位有关联的直流信号，执行与直流信号一样的ADC处理，得到交流信号的电压相量。
10.根据权利要求1所述的基于FPGA+DDS+PLL的LCR测量系统，其特征在于：与FPGA连接的外部和FPGA引脚之间的连接采用的是光电隔离。
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