一、任务
基于TI公司的MCU，设计并制作电感及其品质因数Q、电容及其损耗角正切D的测量装置。被测元件接入，一键启动后，在规定时间内自动完成测量。测量装置要提供专用于监测测试频率的信号输出接口，用于实时监测装置的测试频率，如图1所示。
二、要求
1. 基本要求
完成电容量及其损耗角正切 D 的测量。
（1）电容量测量范围：1nF～100nF，测量相对误差的绝对值不大于 5%。
（2）电容 D 值测量范围：0.005～1，测量相对误差的绝对值不大于 5%。
（3）在 1kHz～100kHz 范围内，自定某一固定测量频率。
（4）测量时间不大于 1 秒。
2. 发挥部分
完成电感量及其品质因数 Q 的测量。
（1）电感量测量范围：10μH～100μH，测量相对误差的绝对值不大于 5%。
（2）电感 Q 值测量范围：1～200，测量相对误差的绝对值不大于 5%。
（3）装置可分别在不高于 2MHz 和不低于 20MHz 的两个频率范围内测量，测量频率自定。
（4）测量时间不大于 5 秒。
（5）其他。
三、说明
（1） 本测量显示装置的所有处理器必须使用 TI 公司的 MCU（具体型号不限），否则视为违规，不予测试。
（2）参赛队需要自备商用测量仪器，简称自备测量仪器，以便校准自制测量装置。测评时，以自备测量仪器的测量值作为标准值计算测量误差。
（3）建议自制测量装置的测试频率与自备测量仪器的一致。
（4）可用并联或串联电阻的方式构成等效阻抗元件，校准自制测量装置的参数。
GPT-4o给出的设计方案：
1. 硬件选择
为了满足测量需求，选择德州仪器 (TI) 公司的 MCU，如 MSP430 或 TIVA 系列。具体选择依据实际需求，如处理速度和接口数量。
2. 系统结构
- 输入模块：包括电容和电感插孔，用于连接待测元件。
- 测量模块：通过高精度 ADC 和频率计数器来测量电容、电感、Q值和损耗角正切 D。
- MCU (主控制器)：处理输入信号、控制测量频率、计算测量结果和输出显示信号。
- 显示模块：LCD 显示屏，用于显示各种测量结果。
- 控制按钮：提供启动和停止测量的功能。
3. 测量原理
- 利用 MCU 的内部计时器，生成固定频率的信号，接入测量电路。
- 电容测量：
- 将被测电容与已知电感组成LC振荡电路，测量其谐振频率，从而计算出电容值。
- 电感测量：
- 将被测电感与已知电容组成LC振荡电路，测量其谐振频率，从而计算出电感值。
- Q值和损耗角正切 D：
- 通过测量在谐振频率下电压和电流的相位差来计算。
4. 软件设计
- 初始化：初始化 MCU、ADC、计时器和显示模块。
- 测量控制：实现按键触发测量、数据采集、数据处理和显示。具体处理包括：
- 控制计时器，根据频率信号测量待测元件的响应。
- 对输入信号进行AD采样，并进行必要的滤波。
- 计算电容、电感、Q值和损耗角正切 D 值。
- 显示：
- 将计算的结果通过 LCD 实时显示。
5. 校准与测试
- 使用已知标准的电容和电感器件进行校准，确保测量误差在允许范围内。
- 测试测量频率和响应时间，确保在1秒内完成测量。
6. 扩展功能
- 可考虑加入接口如 UART 或 USB，用于与计算机通信，方便数据备份和记录。
通过以上设计方案，能够有效实现对电感、电容及其品质因数 Q、电容及其损耗角正切 D 的精确测量，满足测量精度和时间要求。
这个题目考查的知识点：
本题目考察了电感、电容测量装置的设计与实现，涉及多方面的知识点：
- MCU的选型与应用：必须使用TI公司的MCU，并充分理解其外围接口和计时功能。
- 电感、电容测量原理：掌握LC振荡电路的原理，通过测量谐振频率，计算电感、电容值。
- 品质因数与损耗角计算：了解Q值与损耗角正切 D 的计算方法。
- 硬件设计与布局：包括信号输入、测量电路、高精度ADC、频率计数器和显示模块的设计与连接。
- 精度与误差控制：需要精确控制测量误差，误差不能超过5%。
- 软件编程：包括初始化、信号采集、数据处理和结果显示的编程。 考察考生对综合硬件和软件设计能力的掌握。
