2012TI杯山东省电子设计大赛A题
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A题低功耗数字多功能表 摘要: 本设计以TI公司的MSP430F149单片机为核心控制单元，实现了对电压（包括交流和直流电压）、电阻值、电容值和三极管β值的精确测量。本着低功耗的理念实现高精度的测量，并能产生10Hz~100kHz的正弦波信号源。该设计主要由DDS信号发生器、恒流泵、AD637交流到有效值转换及MSP430F149单片机等模块组成。通过电阻的分压原理测量电阻，通过运放对电压的放大与缩小实现不同量程电压的测量，根据三极管特性Ie =（1+β）Ib测量β值。通过555定时器接成多谐振荡器，经过单片机计算振荡频率求出电容值。正弦波信号发生采用集成芯片AD9850。并采用低功耗段式液晶作为显示器，真正实现低功耗高精度测量电压、电阻、电容、三极管β参数、正弦波信号源的功能，很好的完成了题目基本与发挥部分的各项指标。 关键词：测试仪 电阻 电容 电感 MSP430 恒流源 TI芯片：MSP430 Abstract: This design with TI company's MSP430F149 MCU as the core control unit of the low power digital multi-function table, this design realize the voltage (including ac and dc voltage), resistance, capacitance and triode beta value measurement. Based on the concept of low power consumption to realize the low power consumption of high accuracy function and can produce 10 hz ~ 100 KHZ sine wave signal source. This design mainly by the DDS signal generator, constant flow pump, AD637 communicate to value conversion AD9850 and MSP430F149 MCU module, such as composition, the DDS signal generator and constant current source constitute a RC test design, will be resistance and capacitance value into voltage value for single chip microcomputer, through calculation and the element parameter, and USES the low power consumption of liquid crystal zone as a display, truly realize low power consumption measurement voltage, resistance, capacitance, triode β parameters, sine wave signal source function.
Keywords：tester resistor capacity inductance MSP430 constant current source
1. 方案论证
1.1控制单元模块 方案一：采用TI公司的超低功耗的MSP430单片机作为控制单元用于采集外部电路参数，数据处理计算得到相应参数后显示在段式液晶上。 方案二：采用STC89C51单片机作为控制单元，采集外部参数数据处理得到相应参数后输出并显示。 方案比较：方案一中MSP430单片机工作电压为1.8~3.6，活动模式工作电流225uA，待机模式工作电流0.8uA，掉电模式工作电流0.1uA，并提供5种低功耗模式，实现题目要求的低功耗的要求。MSP430是具有16位总线的带FLASH 的单片机,寻址范围可达64K,片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，功能完善 ，C51单片机工作电压5V左右，工作电流较大，功耗较MSP430高，内存只有4K，功能较少，因此操作简单，价格较便宜适合一般电路工作需要。因此选择方案一。
1.2电阻测量 方案一：采用电阻分压的方法，运用电阻网络通过U = R1/(R1+R2)的并联将电阻的阻值转换为电压量送入单片机，再由单片机进行数据处理得到电阻阻值并进行显示。 方案二:采用恒流源法，恒流源法利用公式U=I*R作为电源与电阻网络的配合将电阻值转化为电压值送给单片机。并进行数据处理后输出显示。 方案比较：方案一电路简单，原理思路清晰，容易实现，将电阻值转化为电压值送给单片机，经过计算求出元件参数并显示，优点是简单没有阻值大小限制，电阻分压法简单易实现。方案二的优点是测量较电阻分压法精确，缺点是电流源的选择及阻值与电流源的配合要求过高，恒流源如果太高，则当电阻值过大时，得到的电压值较大造成单片机无法采集处理，恒流源法测量范围有限且不易实现，。因此选择方案一。
1.3电容测量 方案一：利用多谐振荡原理测量电容C，电容C电阻R和555芯片构成一个多谐振荡电路。在电源刚接通时，电容C上的电压为零，多谐振荡器输出V0为高电平V0通过R对电容C充电。当C上冲得的电压Vc=Vr时，施密特触发器翻转，V0变为低电平，C又通过R放电，Vc下降。当Vc=Vr时施密特触发器又翻转，输出Vc
又变为高电平，如粗往复产生震荡波形。
这种方法是利用了一个参考的电容实现，虽然硬件结构简单，软件实现却相对比较复杂。 方案二：直接根据充电放电时间判断电容值 这种电容测量方法主要利用了电容的充放电特性Q=UC，放电常数r=RC，通过测量与被测电容相关电路的充放电时间来确定电容值。一般情况下，可设计电路使T=ARC（T为振荡周期或处罚时间；A为电路常数与电路参数有关）。这种方法中应用于555芯片组成的单稳态触发器，在秒脉冲的作用下产生触发脉冲，来控制门电路实现计数，从而确定脉冲时间，通过设计合理的电路参数，使计数值与被测电容相对应。 方案三：基于MSP430F149单片机和555芯片构成的多谐振荡电路电容测量 这种电容测量方法主要是通过一块555芯片来测量电容，让555芯片工作在直接反馈无稳态的状态下，555芯片输出一定频率的大小跟被测量的电容之间的关系是：f=0.772/(R*Cx),我们固定R的大小，其公式就可以写为：f=k/C x，只要我们能测量出555芯片输出的频率，就可以计算出测量的电容。 方案比较： 通过对上述方案的比较，已知方案三不仅硬件结构简单，而且软件设计业简便。能够满足测量精度高、易于实现自动化测量等设计需要，而且单片机构成的应用系统有较大的可靠性、系统扩展、系统配置灵活，容易构成各种规模的系统。所以选择方案三。
1.4晶体三极管β测量
方案一：分别测量CI和BI，由CBII计算得到β值，采用A/D采样后，将数值通过显示元件显示。
方案二：将电流转换成电压信号后，直接通过采用A/D转换将模拟信号转换成数字信号。再配合相应的元件参数输出给显示元件显示测量值。
方案比较：方案一，原理简单，思路清晰易懂，但实际电路复杂，需要较多的芯片，成本较高，不适合这样的小设计。方案二，可省去大量连线和芯片，且此芯片成本低，使用方便，适合于本设计。因此，采用方案二作为设计思路。
1.4.1BI数值的固定 方案一：采用自制恒流源固定BI在10附近，电流稳定。 方案二：直接在基极处加较大电阻，通过调节电位器使BI电流维持在10附近。
方案比较：方案一，电流稳定，运用三端可调恒流源电路简单并且使用零温度系数方式抑制温漂减小误差。方案二，可以满足并实现题目要求，电路简单,但误差较大。因此采用方案一。 1.5正玄波信号发生 方案一：采用反馈型LC振荡原理，选择合适的电容、电感就能产生相应的正弦信号。 方案二：采用DDS技术的基本原理。DDS技术是基于 Nyquist 采样定理，将模拟信号进行采集，经量化后存入存储器中（查找表），通过CPLD或者FPGA进行寻址查表输出波形的数据，再经D/A 转换滤波即可恢复原波形。根据 Nyquist 采样定理知，要使信号能够恢复，必须满足采样频率大于被采样信号最高频率的2倍，否则将产生混叠，经D/A 不能恢复原信号。
方案三：直接采用DDS集成芯片。AD9850是AD公司生产的DDS芯片，带并行和串行加载方式，AD9850 内含可编程DDS 系统和高速比较器,能实现全数字编程控制的频率合成。
方案比较：方案一器件比较简单，但是难以达到高精度的程控调节，而且稳定度不高，故不采用。方案二产生的波形比较稳定，在高频输出时会产生失真，而且电路比较复杂，故不采用。方案三由于DDS集成芯片能达到要求，而且节省硬件电路，程控调节能够方便实现可调，本设计采用方案三，作为10HZ～100KHz正弦信号发生。
2. 系统综合设计 2.1系统软件设计 2.1.1总体控制电路设计 本系统的软件设计采用C语言对单片机进行编程，从而实现各模块的功能，主程序主要是控制电路的选择、各参数的检测与控制。程序流程图如图7所示。
