一種基于采樣法的LCR測(cè)量?jī)x的研制

賴樹(shù)明等

摘要：為研制一種基于AD采樣法LCR測(cè)量?jī)x，文章通過(guò)測(cè)試信號(hào)電路，配合自動(dòng)平衡電橋、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA和MCU微處理器，實(shí)現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。實(shí)驗(yàn)中系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)表明該設(shè)計(jì)方法是行之有效的。

關(guān)鍵詞：采樣；FFT；LCR測(cè)量?jī)x；數(shù)字平衡電橋 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：TM277 文章編號(hào)：1009-2374（2015）21-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.005

LCR測(cè)量?jī)x是產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、維護(hù)過(guò)程中必不可少的一種儀器，它能準(zhǔn)確測(cè)量元器件在不同頻率和電平下的性能和各種參數(shù)。隨著集成電路的發(fā)展，以及微處理器性能的不斷提高，測(cè)量?jī)x器不斷往小型化和智能化的方向發(fā)展。本測(cè)量?jī)x充分運(yùn)用了微處理器的運(yùn)算能力和控制能力，大大減少了硬件電路，能自動(dòng)測(cè)量電阻R、電容C、電感L、品質(zhì)因素Q、損耗角正切值D。

1 測(cè)量原理

對(duì)阻抗進(jìn)行測(cè)量方法一般有：電橋法、諧振法、電壓電流法、RF電壓電流法等，以上這幾種方法是模擬測(cè)量方法，精度差，調(diào)試?yán)щy，很難實(shí)現(xiàn)自動(dòng)測(cè)量。本測(cè)量?jī)x采用的自動(dòng)平衡電橋電路對(duì)未知阻抗進(jìn)行測(cè)量，用矢量電壓電流法對(duì)阻抗進(jìn)行計(jì)算。自動(dòng)平衡電橋電路如圖1所示：

R為阻抗的實(shí)部，X為阻抗的虛部，得到R和X也就可以算出所測(cè)元器件的阻抗和電阻值、電容值、電感值、Q值和損耗角D。

在實(shí)際電路中，會(huì)有各種噪聲和干擾，因此所加測(cè)試信號(hào)并不是純凈的正弦波，對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)產(chǎn)生影響。所以在對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT后，信號(hào)分解成直流分量，基波分量和高次諧波分量。在進(jìn)行阻抗計(jì)算時(shí)，只需提取有用的基波分量進(jìn)行計(jì)算，濾除直流和高次諧波，從而可大大減小電路中噪聲和干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，同時(shí)使測(cè)量結(jié)果不受運(yùn)算放大器的偏置電壓和失調(diào)電壓等的影響。

2 硬件系統(tǒng)的組成

本測(cè)量?jī)x主要由測(cè)試信號(hào)發(fā)生電路、自動(dòng)平衡電橋電路、模擬天關(guān)與調(diào)理電路、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA、單片機(jī)等組成，系統(tǒng)框如圖2所示：

測(cè)試信號(hào)發(fā)生電路產(chǎn)生正弦測(cè)試信號(hào)，加到自動(dòng)平衡電橋，模擬開(kāi)關(guān)在單片機(jī)的控制下，分別地將Ux和Ur通過(guò)調(diào)理電路送往AD轉(zhuǎn)換器，由AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行一個(gè)信號(hào)周期Ts數(shù)據(jù)的采樣，兩次采樣的時(shí)間間隔為信號(hào)周期的整數(shù)倍nTs。AD采樣是由FPGA控制，F(xiàn)PGA在采樣結(jié)束后將數(shù)據(jù)傳到單片機(jī)進(jìn)行運(yùn)算。

2.1 正弦測(cè)試信號(hào)

由于本測(cè)量?jī)x用采樣的方法實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的測(cè)量，因此，測(cè)試信號(hào)的頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度越高，采樣的數(shù)據(jù)越接近一個(gè)周期，計(jì)算出的結(jié)果精度越高。所以本測(cè)量?jī)x的正弦測(cè)試信號(hào)選用AD公司的DDS芯片AD9833來(lái)產(chǎn)生，因此電路簡(jiǎn)單，占用空間小，成本也較高。

AD9833是一款低功耗、可編程波形發(fā)生器，能產(chǎn)生正弦波、三角波和方波輸出。輸出頻率和相位可通過(guò)軟件進(jìn)行編程，以便于調(diào)諧。無(wú)需外部元件。頻率寄存器為28位；當(dāng)時(shí)鐘速率為25MHz時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)0.1Hz的分辨率。同樣，當(dāng)時(shí)鐘速率為1MHz時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)0.004Hz的調(diào)諧分辨率。

本設(shè)計(jì)用FPGA對(duì)AD9833進(jìn)行控制，產(chǎn)生100Hz、1K、10K、100K四個(gè)頻率的測(cè)試信號(hào)。

2.2 AD轉(zhuǎn)換器

AD轉(zhuǎn)換器是本測(cè)量系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，在本系統(tǒng)中，阻抗的測(cè)量是通過(guò)測(cè)理矢量電壓Ux和Ur來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而Ux和Ur是直接由AD轉(zhuǎn)換器進(jìn)行采樣，然后用采樣數(shù)據(jù)計(jì)算得出的。因此，AD轉(zhuǎn)換器的性能直接關(guān)系到測(cè)量的精度。根據(jù)本設(shè)計(jì)的需要，選用了AD公司的AD9235。

AD923是一款12位、20MSPS模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）系列，采用3V單電源供電，該系列均內(nèi)置一個(gè)高性能采樣保持放大器（SHA）和基準(zhǔn)電壓源。AD9235采用多級(jí)差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯(cuò)邏輯，在20/40/65MSPS數(shù)據(jù)速率時(shí)可提供12位精度，并保證在整個(gè)工作溫度范圍內(nèi)無(wú)失碼。

3 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)中采樣和FFT運(yùn)算都是由FPGA完成，微處理器只需負(fù)責(zé)簡(jiǎn)單的阻抗計(jì)算和測(cè)量控制，因此只需選用普通8位單片機(jī)，本測(cè)量?jī)x選擇STC的8位接增強(qiáng)型單片機(jī)，用C語(yǔ)言編寫(xiě)LCR測(cè)量?jī)x的軟件，軟件的流程圖如圖3所示。

在測(cè)量的過(guò)程中，測(cè)量?jī)x要自動(dòng)選擇合適的參考電阻，程序通過(guò)控制模擬開(kāi)關(guān)，依次選每個(gè)參考電阻，比較各個(gè)參考電阻下Ux與Ur峰值之差，當(dāng)Ux與Ur峰值之差最小時(shí)的參電阻就被中，然后進(jìn)行計(jì)算。為了減少器件，本測(cè)量?jī)x沒(méi)有用峰值檢測(cè)器，Ux與Ur的峰值同樣是通過(guò)采樣后進(jìn)行FFT運(yùn)算得出的。本測(cè)量?jī)x有四個(gè)參考電阻，因此一次測(cè)量就需要5次FFT運(yùn)算，每次都采同樣多點(diǎn)所用時(shí)間太長(zhǎng)，因此在確定參考電阻時(shí)每周期只采8個(gè)點(diǎn)，當(dāng)參考電阻確定后，再采樣32點(diǎn)進(jìn)行運(yùn)算。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)證明：采用采樣方法的LCR測(cè)量?jī)x，通過(guò)FPGA和單片機(jī)結(jié)合，使LCR的測(cè)量實(shí)現(xiàn)數(shù)字化，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，抗干擾能力強(qiáng)，精度更高。如何進(jìn)一步提高測(cè)量范圍以滿足要求更高的場(chǎng)合是我們下一步的工作重點(diǎn)。

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基金項(xiàng)目：2013年市社會(huì)科技發(fā)展項(xiàng)目（2013108101012）；2013年度校級(jí)教育教學(xué)改革與研究項(xiàng)目（E1359108）；2014廣東省高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目（GDJG20142470）；2013年?yáng)|莞市?？萍加?jì)劃產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（2013509124214）。

作者簡(jiǎn)介：賴樹(shù)明（1981-），男，廣東茂名人，東莞理工學(xué)院電子工程學(xué)院電子工程師，研究方向：智能儀器儀表。

（責(zé)任編輯：周 瓊）