一種新型LCR測試系統(tǒng)設(shè)計(jì)

董軼龍　溫思歆　余曉銘　丁瑞金

摘要：文章介紹了一種新型LCR測試儀系統(tǒng)，其基于LCR數(shù)字電橋原理，主要由LCR測試電路以及以單片機(jī)為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)組成。單片機(jī)DAC輸出正弦波，利用模擬開關(guān)選擇不同的截止頻率，對單片機(jī)產(chǎn)生的正弦信號進(jìn)行濾波。LCR數(shù)字電橋法，分別測出Ux和Ur對應(yīng)于某一參考相量的同相量分量和正交分量，經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，最終通過單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

關(guān)鍵詞：LCR數(shù)字電橋；單片機(jī)；模擬開關(guān)；數(shù)據(jù)處理

LCR測試儀能準(zhǔn)確并穩(wěn)定地測定各種元件參數(shù)，主要是用來測試電感、電容、電阻的測試儀。對于一般封裝好的電路，當(dāng)無法具體了解其內(nèi)部的具體參數(shù)時，我們會采用測試儀進(jìn)行測試，市場上大多數(shù)產(chǎn)品成本較高。我們在這里給出一種成本低、操作簡單、準(zhǔn)確度高的智能LCR測量儀。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該測量儀器所能測量電阻范圍：100Ω～1MΩ，精度誤差±2%；測量電容范圍：1000DF～0.1uF，精度誤差±5%。

1 系統(tǒng)理論分析與計(jì)算

1.1 正弦波輸出模塊的分析與計(jì)算

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，測試儀應(yīng)具有3個可選的測試頻點(diǎn)：100Hz，1kHz，10kHz。這就需要設(shè)計(jì)產(chǎn)生100Hz、1kHz、10kHz不同頻率的正弦信號輸出。單片機(jī)DAC輸出正弦波，按鍵控制頻點(diǎn)選擇。利用模擬開關(guān)74HC4052選擇不同的截止頻率，對單片機(jī)產(chǎn)生的100Hz，1kHz，10kHz正弦信號分別進(jìn)行濾波，經(jīng)過電壓跟隨器，然后輸出，以便得到更好的波形。

正弦波輸出模塊電路中，模擬開關(guān)選用74HC4052芯片，運(yùn)算放大器選用OPA2340芯片。有源濾波器的截止頻率為f=1/（2πRC），故不同電阻值分別對應(yīng)不同頻率正弦信號輸出。經(jīng)計(jì)算，10kHz對應(yīng)兩個30KΩ電阻，1kHz對應(yīng)兩個200KΩ電阻，100Hz對應(yīng)兩個1MQ電阻。

1.2 LCR測試模塊的分析與計(jì)算

阻抗用Z_x表示，R_r為標(biāo)準(zhǔn)電阻器，則Z_x=U_x/I_x=R_rU_x/U_r。此式為一相量關(guān)系式。若分別測出U_x和U_r對應(yīng)于某一參考相量的同相量分量和正交分量，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）器將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再進(jìn)行復(fù)數(shù)運(yùn)算，即可得到組成被測阻抗乙的電阻值與電抗值。

LCR測試模塊基本電路中，模擬開關(guān)選用74HC4052芯片，R_s有4個不同阻值的電阻以切換量程，得到最優(yōu)測試值。

2 電路與程序設(shè)計(jì)

2.1 電路的設(shè)計(jì)

2.1.1 系統(tǒng)總體部分

測量電路主要由正弦波輸出模塊、LCR測試模塊、電源模塊組成。單片機(jī)DAC輸出正弦波，按鍵控制頻點(diǎn)選擇。利用模擬開關(guān)74HC4052選擇不同的截止頻率，對單片機(jī)產(chǎn)生的100Hz，1kHz，10kHz正弦信號分別進(jìn)行濾波，經(jīng)過電壓跟隨器，然后輸出，以便得到更好的波形。通過數(shù)字電橋的方法測量LCR值。

2.1.2 正弦波輸出模塊電路

單片機(jī)DAC輸出正弦波，按鍵控制頻點(diǎn)選擇。利用模擬開關(guān)74HC4052選擇不同的截止頻率，對單片機(jī)產(chǎn)生的100Hz，1kHz，10kHz正弦信號分別進(jìn)行濾波，經(jīng)過電壓跟隨器，最后輸出。

2.1.3 LCR測試模塊電路原理

若分別測出U_z和U_r對應(yīng)于某一參考相量的同相量分量和正交分量，然后經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換（A/D）器將其轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再進(jìn)行復(fù)數(shù)運(yùn)算，即可得到組成被測阻抗乙的電阻值與電抗值。R_s電阻值的不同以切換量程，得到最優(yōu)測試值。

2.1.4 電源模塊電路

正負(fù)2V電源模塊以LM7805為核心，為調(diào)制器提供正5V電壓。

2.2 程序的設(shè)計(jì)

2.2.1 程序功能描述

（1）產(chǎn)生不同頻率正弦波。

（2）控制頻點(diǎn)選擇。

（3）顯示測得L，C，R值。

2.2.2 程序設(shè)計(jì)思路

產(chǎn)生不同頻率的正弦波信號，運(yùn)用單片機(jī)PWM控制實(shí)現(xiàn)。

測定電抗元件Z_x中電壓U₁與電流I，用歐姆定律就可以得到Z_x=U₁/I，當(dāng)乙串聯(lián)了已知電阻R，那么測定了R上壓降U₂，

單片機(jī)AD采樣，復(fù)數(shù)FFT變換得到相位幅度，得到參考電阻和待測電阻上的壓降，選擇合適的量程，根據(jù)公式即可計(jì)算出L，C，R值。

3 測試方案與測試結(jié)果

3.1 測試方案

（1）硬件測試。首先，將制好的電路板分模塊進(jìn)行測試，檢查正弦波輸出模塊、LCR測試模塊、電源模塊設(shè)計(jì)是否符合理論要求。

（2）軟件仿真測試。將編寫好的程序燒入單片機(jī)，進(jìn)行軟件仿真測試。

（3）硬件軟件聯(lián)調(diào)。將硬件電路與軟件相結(jié)合進(jìn)行聯(lián)調(diào)。

3.2 測試條件與儀器

測試條件：經(jīng)多次檢查后，硬件電路無虛焊無短接。

測試儀器：DT9205A萬用表。

3.3 測試結(jié)果及分析

3.3.1 測試結(jié)果（數(shù)據(jù)）

3.3.2 測試分析與結(jié)論

根據(jù)表1-2，可以得出以下結(jié)論：（1）測量電阻范圍（100Q～1MQ）及精度誤差±2%。（2）測量電容范圍（1000pF～0.1uF）及精度誤差±5%。（3）可使用按鍵設(shè)置被測器件的類型和單位，并顯示。（4）具有3個可選的測試頻點(diǎn)：100Hz，1kHz，10kHz。

4 結(jié)語

通過上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，我們所設(shè)計(jì)的LCR測試儀能夠滿足測量電阻和電容的量程范圍和精度的要求。