為了方便用戶準確掌握手中RLC（電阻電容電感）的各項參數，筆者提供了一種采用FPGA和MCU的測量系統，可自動測量RLC的多項基本參數，系統以液晶屏顯示測量結果，并可根據需要打印測量的結果，與現有的昂貴測試儀相比，該測量系統功能精簡、操作智能化、人機接口友好。

1 方案設計與論證

為滿足高校實驗室教學需要，設計一個低成本RLC電參數測量系統，本系統采用基于C8051F020單片機的可編程控制系統方案，單片機生成各種波形的數據表傳輸給FPGA，使用DDFS技術使FPGA生成所需要的波形并進行輸出，通過DA轉換模塊，將數字信號轉換成模擬信號，通過程控放大器AD603，由單片機控制AD603進行增益的調整，再經過NE5532構成的調理電路對其進行電壓放大¨’2］。產生高精度的正弦波信號流經待測的電阻、電容或者電感和標準電阻的串連電路，通過測量電容或者電感和標準電阻各自的電壓，利用電壓比例計算的方法推算出電容值或者電感值，利用C8051F020單片機控制測量和計算結果，運用自校準電路提高測量精度，采用液晶模塊實時顯示數值。系統總體組成框圖如圖1所示。

1．1 DDS簡介

直接數字頻率合成（DDS）技術是通過累加相位來合成所需波形的頻率合成技術。利用DDS設計的波形發生器具有精度高、穩定性好、頻率和波形易于控制等優點¨1。DDS主要由參考時鐘、相位累加器、波形存儲器、數模轉換器和濾波器組成，近年來在頻率合成、通信、儀器測量領域均有廣泛地應用。

1．2信號產生模塊

要求設計的正弦波信號發生器的頻率范圍較寬，其頻率范圍是1Hz～1MHz，且可以對頻率進行設置，還有頻率步進調節的功能，一般傳統的LC諧振回路或無源RC結合運放的方式很難達到這一要求，所以我們提出利用DDS原理使用FPGA實現的解決方案。用FPGA實現波形信號的輸出，只需要在FPGA內部建立一個波形數據表，然后在時鐘的驅動下，讀取數據表中的數據，經過高速DA的轉化，即可得出需要的波形。要輸出不同的波形，改變波形數據表中的內容即可實現。若要實現頻率的設置和步進，只需要給FPGA相應的數據關鍵字即可”’5。。采用FPGA中DDFS技術，對于不同波形，可建立不同存儲表即可輸出相應的波形，也可由外部輸入波形表來完成任意波形的輸出。頻率范圍高、精度高，方便與其它設備接口。FPGA中實現波形輸出原理圖如圖2所示。

1．3控制器方案選擇

C8051F020是集模擬和數字信號為一體的混合信號系統級高速單片機，他采用貼片封裝，體積小、運算速度快。具有與MCS-51指令集完全兼容的CIP-51內核，具有所有8052外設器件，采用流水線指令結構，除此之外，C8051F020單片機具有豐富的I／O，具有高達20個中斷源，而且具有豐富的外設：UART、SPI、ADC、定時器等。該單片機具有高達128k的FLASH和8k+256的RAM，無需外部擴展便可實現高速度運算和掉電存儲，并具有JTAG接口，便于在線調試，非常適合于各種工業控制和儀表的使用。

1．4信號調理模塊

增益可調的AD603的放大倍數可以通過單片機調節，由微控制器來判斷當前信號幅度的大小，經過一定的運算處理后給出一一對應的數字量控制信號，然后經過DA轉換輸出一個對應的模擬量來控制放大電路的增益，可以輸出電壓的連續變化。NE5532可實現固定放大倍數放大H’51。AD603通過軟件控制輸出，使之輸出電壓連續變化通過調節反饋電位器可實現輸出幅度不小于5V，信號調理電路如圖3所示。

1．5時間模塊

利用DSl2887作為時鐘顯示模塊。DSl2887自帶晶體振蕩器和電池，連接方便。通過修改其內部控制寄存器可以方便的加以控制㈨。DSl2887內部自帶114字節通用RAM，因此可以通過它實現掉電存儲功能。

3程序設計

3．1軟件實現方法

本測量系統軟件部分有以下幾個模塊：鍵盤控制模塊、顯示模塊、計算及量程控制模塊、數據存儲模塊、時鐘模塊、頻率控制模塊、打印與語音播報控制模塊。軟件控制由C8051F020單片機實現。單片機完成對FPGA、AD603、NE5532的控制和人機交互。波形數據和頻率控制字K由串口寫入FPGA，增益控制由單片機的DA接口輸出到AD603的控制端，電壓輸出控制由單片機輸出控制數字電位器來控制NE5532的輸出。

3．2單片機軟件設計流程圖

單片機擔任著整個系統的控制任務，不僅要控制FPGA產生固定頻率的波形，還要控制AD603的增益，對于電壓放大模塊中，要對數字電位器進行控制，反饋中的結果還要輸入到FPGA中進行處理。單片機軟件流程如圖4所示。

4系統測試

硬件系統測試：焊接硬件電路后，分模塊進行測試，每個模塊焊接完成后，測試通斷，判斷電路是否存在短路、虛焊，硬件部分全部焊接完畢后，采用自制電源給硬件電路供電，通過測量AD637輸出，計算出待測元件的參數，對比LCR數字電橋測量值進行硬件電路的優化。

軟件系統測試：采用自下而上調試的方法，先對每個編程模塊進行測試，最后組合每個模塊的功能進行軟件部分整體測試。

整體功能測試：通過加被測元件，通過按鍵實現被測元件信息的輸入，對比液晶顯示和LCR數字電橋WY2812A測量值觀察效果。并檢查語音功能與液晶顯示的一致性。結果見表1～表3。

5 結束語

筆者設計并實現了一種基于FPGA與單片機的電參數測量系統，給出了主要硬件功能電路和控制軟件的設計過程，制作了實驗樣機并對實驗樣機進行了測試。系統產生最高頻率可達lMHz，且步進可以設定為l Hz和10 Hz的正弦波。實驗結果表明該測量系統具有價格低廉、效率高、適應性強、可靠性好等優點，可以用作實驗室中低成本電參數測量系統。