无源网络导纳测量仪的设计与实现

1、无源网络导纳测量仪的设计与实现的广泛应用，使得用户可以按照需求，设计自己的仪器系统。无源网络导纳测量仪即是虚拟仪器设计思想的一种详细运用，旨在实现对端口网络的导纳举行自动测量。测量仪是以c8051为控制和处理核心，采纳可编程规律器件epf10k10，按照dds原理产生信号源，将信号源衔接到待测的网络上，对网络两端的和举行差分放大，使其输出电压尽可能达到的最大输入电压，然后举行ad采样，采样时，频率随信号频率而转变，一个周期内固定采32个点，用单片机的p1、p2挺直接收数据，边采样边接收。对采样所得的电流、电压数据举行迅速傅立叶变换(fft)，并分离求出其模值和相位，则导纳的模值为电流模值与电压

2、模值之比，相位为电流与电压的相位之差。试验证明，导纳测量仪可按照不同的被测对象，挑选合适量程，可步进转变信号频率(频率呵由键盘挺直键入)，实现精确测量。系统功能与指标1制作正弦波，技术指标如下：a、能产生100hz、：300hz、1khz、3khz、10khz频率，频率误差的肯定值小于所要求频率的1：b、输出电压峰-峰值为1v，输出电压误差的肯定值小于20mv；c、输出小于1，输出波形无显然失真。2实现端口网络n0的电导rey、电纳imy、导纳模|y| 和导纳角y的测量，技术指标如下：a、电导rey的测量范围为0.1ms10ms，分为若干量程，测量误差的肯定值小于理论计算值的10；b、电纳im

3、y的测量范围为0.1ms10ms，分为若干量程，测量误差的肯定值小于理论计算值的10：c、导纳模|y|测量误差的肯定值小于理论计算值的10；d、导纳角y的测量范围为±90°，测量误差的肯定值小于理论计算值的5。发挥部分1将rey和imy的测量范围扩展到0.01ms100ms，测量误差要求不变。2自动测量功能a、正弦波信号发生器的频率可以从100hz开头，以100hz的步进增强，最后到达10khz结束；b、能在上述各频率点对网络的rey和imy(或|y|和y)举行延续的测量、存储和回放显示，其中，rey和imy(或|y|)的测量具有量程自动转换功能；c、能分离显示上述4个参数

4、的频率特性曲线。系统计划设计与实现本系统利用芯片制作正弦波信号源v(t)=vmcos2ft，通过电压测量电路和电流测量电路，输入端口网络，分离对端口两端的电压v(t)=vmcos2ft和电流i(t)=imcos(2ft+)举行采样，将采样数据存入存储器。然后对采样所得的电压v(n)和电流i(n)数据举行 幅值推断，按照电压、电流的幅度值v(n)max、i(n)max来确定相应的测量量程；对采样数据举行迅速傅立叶变换，得出采样电压和电流的幅度谱和相位谱，计算对应频率处的电压模值|v|和相位v，及电流的模值|i|和相位i，则电流模值与电压模值之比|i|v|即为被测网络的导纳模值|y|，电流与电压的

5、相位之差 i-v为网络导纳的相位y。自动转变信号源的输出信号频率f，分离计算不同频率的网络导纳值，可绘出网络导纳随频率的变幻曲线。实现原理1所示。正弦信号发生器设计正弦信号产生采纳dds技术，以fgpa方式实现，dds的基本结构由参考时钟、相位累加器、存储器(rom)、和(lpf)组成，其组成2所示。在用fpga设计dds电路的时候，相位累加器是打算dds电路性能的关键部分，设计中采纳相位累加器，通过进位链和流水线技术相结合的方法来实现，这样既能保证较高的资源利用率，又能大幅提高系统的性能和速度。相位幅度转换电路是dds电路中的另一个关键部分，设计中濒临的主要问题就是资源的开销。该电路通常采纳

6、rom结构，相位累加器的输出是一种数字式锯齿波，通过取它的若干位作为rom的地址输入，而后通过查表和运算，rom就能输出所需波形的量化数据。在fpga(针对公司的器件)中，rom普通由eab实现，并且rom表的尺寸随着地址位数或数据位数的增强成指数递增关系，因此，在满足信号性能的前提条件下，如何削减资源的开销就是一个重要的问题。在实际设计时充分利用了信号周期内的对称性和算术关系来削减eab的开销。基于fpga的dds技术可以实现频率范围为1khz1mhz、频率稳定度优于10-4的要求，且简单实现频率步进100hz的功能。在其外围电路设计中利用lf356接成射随器，可以保证输出电阻小于1，满足设

7、计要求，同时通过调整电位器可转变正弦波信号的峰峰值，便于系统调试。数据采集系统设计数据采集系统选用两个adc，在ad采样的时候，单片机同时举行数据的接收和存储。adc选用tlc5510，其采样速率为20msps，在满足要求指标的同时，无须增强外围存储器。在数据存储过程中，假设采集点数为16，对于最高频率10khz来讲，采样频率则为160khz，采样周期即为1(160×106)=6s，而c8051f020的系统时钟频率为24mhz，为单命令周期，则系统时钟为124×106=50ns，其70的命令是在12个系统时钟内完成，这里假设为两个系统时钟，考虑到存数过程为寻址存储，大约耗

8、费10个系统时钟，对应时光为50×10=500ns=0.5s，彻低可以跟得上tlc5510的转换速度。经测试，命令执行时光为1.5s，可以在一个周期内采样32个点，因此无需增强外围存储器，充分利用现有单片机资源，简化电路。自动量程转换系统设计因为所测量的网络不同，对应的采样电阻也需举行适当调节，才干保证采样的精确性，系统必需具有自动量程转换功能。采纳并接若干电阻，通过单片机控制继电器的通断达到量程转换的目的。量程确定过程如下：就电流采样电路而言，tlc5510驱动电压为750mv250mv，则须保证电流采样电压必需在此范围内，方可保证采样的精确(考虑指标输出电压峰-峰值为1v，输出电

9、压误差的肯定值小于20mv)，故有：34 > vi > 14 (1-1)而vi = rs(rs+z)，故有：34 > rs(rs+z) > l4 (1-2)简化可得下式：3 rs> z > rs3 (1-3)考虑指标要保证电导rey的测量范围为0.1ms10ms，故z在10010k范围内，对应如下量程：第一档：rs=30，可以测量： 90 > z >10；其次档：rs=270，可以测量： 810 > z > 90;第三档：rs=2.430k，可以测量： 7.290k > z > 810；第四档：rs=21.870k，可以测量： 65.610k > z > 7.290 k；第五档：rs=196.830k，可以测量： 100k > z > 65.610 k。量程推断标准如下(采样后电压峰值为max_v_c，采样后电流峰值为max_j_c)：假如max_v_c>3 max_i_c，则档位应自动掷低；假如max_v_c结语设计中充分利用了单片机和fpga的强大功能，用软件代替了大量的硬件，简化了系统的安装和调试，采纳多点fft，使测量精度更高。测试各项指标