高精度数字式电参数测量仪.doc

《冶金自动化 》2 0 1 0 年 Ｓ1 高精度数字式电参数测量仪 徐 　骅 ,孟凡荣 ,彭 　力 (武汉大学 电子信息学院 ,湖北 武汉 4 3 0 0 7 9 ) 摘要 :以 ＮＩＯＳＩＩ为控制核心 , 结合 外围判断电 路 、电 流测量 、电阻测 量 、电 压测量 、频率测量 电路 、显示模块 , 共 同完成了数字式电参数测试仪的相应功 能 。其中 ,电压模块采用精确的 ＡＤＳ1 2 1 1 2 4 ｂＤｅｌｔａ-ＳｉｇｍａＡＤＣ, 实现精 度达到 6 位半的电压测量 , 电流模块采用 经典 Ｉ/Ｖ转换原理 , 在 误差容 许的范围 内 , 很好地实 现了 小电流 的测 量 。其中电阻测量模块采用电压比较法原理 , 频率测量采用测周法与等精度法相结合的原理 。 关键词 :判断电路 ;ＮＩＯＳＩＩ;ＡＤＳ1 2 1 1 　　目前对各项电参数的测量多采用手持式万用 电表或者台式高精度电表。由于大多数手持式万 用电表精度较低 ,而台式高精度电表又不便于携 带 ,且检测装置成本较高,对于一般用户并不适 用 。 本装置结合精确的电流转电压电路 ,高精度 ＡＤＣ转换电路,采用等精度法 ,测周法 ,智能信号 识别技术和必威体育精装版的 ＮｉｏｓＩＩ软核技术完成了高集成 度和高精度的电参数测量仪的设计。本系统极大 地提高了测量各种电参数的精度 ,并且由于使用 了 3 2 ｂ软核技术,使整个系统集成度大大提高 ,功 图 1 　系统框图 耗上比台式高精度电表要低很多 ,便于制作成高 精度手持式电参数测试仪 。 1 　系统工作原理 高精度数字式电参数测量仪的系统框图如图 钟脉冲记数,最终记数值 Ｎ即为被测信号的频率 值。原理图如图 2 所示。 1 所示,它由 ＦＰＧＡ内嵌的 ＮＩｏｓＩＩ软核 、自定义控 制单元 、外围驱动单元 、模拟信号测量单元和信号 图 2 　直接测周法原理 类型自动判定单元组成。 电路结构比较简单 ,软件控制易于实现 。测 系统通电自动复位后进入由 Ｎｉｏｓ软核驱动信 量误差 =ΔＮ/Ｎ, (Ｎ为时钟脉冲的最终记数值 , 号类型自判断电路,对信号类型进行自判断。之 ΔＮ为误记部分 )。对低频信号的测量比较准确 , 后将进入相应的测量电路部分再由 ＡＤＣ转换得 但对于高频信号(频率 1 0 ｋＨｚ),Ｎ值太小,测量 到精确的电压值进行高精度测量 。而后由 Ｎｉｏｓ自 精度很低 。 动进行多量程转换 ,并由显示逻辑实时显示电参 (2 )等精度测量法 数的值 。键盘的设置是方便使用人员进行手动选 原理如图 3 所示 。将被测信号同 ＦＰＧＡ产生 择所需要的量程范围和对仪器进行复位操作。 的预置门控信号通过一个 Ｄ触发器 ,得到与被测 1 .1 　频率测量原理 信号同步的门控电平 ＴＲＥＳＴ,在这个门控电平时间 (1 )测周法 内,对被测频率和标准频率的信号同时开始记数 , 其原理是在被测信号一个周期内对标准的时 若 ＮＸ 和 ＮＳ 分别为记数值,则有如下公式成立 : 　　 收稿日期 :2 0 0 9 -0 9 -2 1 ;修改稿收到日期 :2 0 0 9 -1 1 -0 6 　　 作者简介 :徐 　骅 (1 9 8 7 -),男,湖北武汉人 ,主要研究方向为嵌入式仪器 、大规模集成电路 。 · 2 0 3 ·  《冶金自动化 》2 0 1 0 年 Ｓ1 ＮＸ /ＦＸ =ＮＳ /ＦＳ;从而有 ＦＸ =ＮＸ ×ＦＳ /ＮＳ,ＦＸ 为被 ＧＡＴＥ ＦＲＥ 测信号的频率,ＦＳ 为标准晶振的频率 。由于预置 的门控信号与被测信号同步,因而 ＮＸ 测量无误 ｇａｔｅ ｐｌｕｓｅ(.ｃｌｋ(ｃｌｋ), .ｏｕｔ ｃｌｋ(ｇａｔｅ ｐｕｌｓｅ Ｄ), .Ｃｏｍｍａｎｄ (ｃｏｍｍａｎｄｇａｔｅ)); Ｄ ｆｌｉｐｆｌｏｐＤＦＦ(.Ｄ ｉｎｐｕｔ(ｇａｔｅｐｕｌｓｅＤ), .Ｄ ｏｕｔｐｕｔ(ＩＮＴ ｎ), .Ｄ 差 ,而 ＮＳ 最多有一个脉冲的误差 ,经过简单的推 ｃｌｋ(ＦｒｅｔｕｒｅＩＮ)); 导 ,可得测量的相对误差为 ΔＦＸ /ＦＸ =1 /ＮＳ;ＮＳ = ｘｏｒ　　ｘｏｒ1 (ｘｏｒｏｕｔ,ＦｒｅｔｕｒｅＩＮ,ＦＲＥ ＩＮ ＤＵＯ); ＴＲＥＳＴ ×ＦＳ;可见 ,相对误差与被测信号的频率无 ａｎｄ　　ａｎｄ1 (ｃｌｋｘ,ＩＮＴｎ,ＦｒｅｔｕｒｅＩＮ), ａｎｄ2 (ｃｌｋｓｔｄ,ＩＮＴ ｎ,Ｓｔａ 5 Ｍ); 关 ,从而实现等精度测量只要增大 ＴＲＥＳＴ或者 ＦＳ, 就可以提高测量精度 。 ａｎｄ3 (ｃｌｋｐｈｒ,ｘｏｒｏｕｔ,Ｓｔａ 5 Ｍ,ＩＮＴ ｎ); ａｎｄ4 (ｃｌｋｐｅｒｉｏｄｃｏｎｒ,ＦｒｅｔｕｒｅＩＮ,Ｓｔａ 5 Ｍ,ＩＮＴｎ); ａｎｄ5 (ｃｌｋ ｐｅｒｉｏｄ ｃｏｎｒＣｏｍｐ,Ｆｒｅ ｔｕｒｅ