基于数字鉴相的自由轴法RLC测量
李念强_一种新型RLC数字电桥的研究
第33卷第5期2001年10月 南 京 航 空 航 天 大 学 学 报Journal of Nanjing University of Aeronautics &AstronauticsVol.33No .5 Oct.2001文章编号:100522615(2001)0520490205一种新型RLC 数字电桥的研究李念强 刘 亚 经亚枝 张焕春(南京航空航天大学自动化学院 南京,210016)摘要 RLC 数字电桥是一种以微处理器为基础的自动测量电阻R 、电感L 、电容C 、品质因数Q 、损耗角正切值D 等参数的智能元件参数测量仪器。
该RLC 数字电桥,利用DDS (直接数字频率合成)方法,产生波形好,幅值稳定的正弦波,作为测试激励信号;采用了基于V 2I 法的自由轴法测量原理和五端测量技术;相敏检波器设计方法独特,利用数字鉴相,提高了鉴相精度;积分式A D 转换器设计方法新颖,转换精度高。
关键词:直接数字频率合成;数字电桥;自由轴法;数字鉴相法中图分类号:TM 930.1;TP 216+.1 文献标识码:A 收稿日期:2000210226;修订日期:2001201205 作者简介:李念强,男,博士研究生,1970年2月生;刘 亚,男,博士研究生,1970年2月生;经亚枝,女,副教授,1942年4月生;张焕春,男,教授,博士生导师,1940年3月生。
引 言RLC 数字电桥是专门测量分立元件参数R ,L ,C 的仪器,测量方法主要有三种:电桥法,谐振法,伏安法。
电桥法具有较高的测量精确度,但需要反复进行调节,测量时间长,不宜进行快速的自动测量。
谐振法要求有较高频率的激励信号,一般不容易满足高精度测量的要求。
由于测试频率不固定,测试速度很难提高。
伏安法借助于微处理器得到了广泛的应用。
伏安法有固定轴法和自由轴法两种,固定轴法对硬件要求很高并且存在同相误差,已很少使用,而自由轴法借助于微处理器在RLC 元件参数测量中得到了广泛的应用。
基于单片机的智能rlc测试仪的设计【毕业设计论文】[管理资料]
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基于单片机智能RLC测试仪的设计毕业设计摘要本文主要论述了基于凌阳SPCE061A单片机的智能RLC测试仪的设计，利用单片机对R、L、C等参数进行测量，可以充分利用单片机的运算和控制功能，方便地实现测量，使测量精度得到提高。
同时用软件程序代替一些硬件测量电路，可在硬件结构不变的情况下，修改软件以增加新的功能。
能够很好的完成对RLC参数的测量，以满足现代测控系统的需要。
关键词：单片机；SPCE061A；RLC测试仪ABSTRACTIt is mainly discussed in this paper that the design of intellectual RLC parameter measurer based on Lingyang SPCE061A MCU. MCU use of R, L, C, and other parameters measured, can take full advantage of MCU processing and control functions, to facilitate the realization of measurements for improved measurement accuracy. Simultaneously uses the software procedure to replace some hardware metering circuits, may in the hardware architecture invariable situation, revi se software to increase the new very good completing to the RLC parameter survey, satisfy the modern observation and control system the need.Keywords: MCU；SPCE061A；RLC testing device目录摘要 (I)ABSTRACT (II)目录 (III)前言 (V)1 系统测试原理与总体方案设计 (1)RLC测试原理 (1)相位+有效值测量 (1)相位+有效值测量方案的软仿真 (2)RLC参数测量方法 (3)总体设计方案 (4)系统原理框图 (4)整个系统工作流程 (4)系统设计中的难点和关键技术 (5)2 RLC测试仪硬件部分实现 (6)-5V电源的设计 (6)标准正弦信号发生模块 (6)标准正弦信号的原理 (6)AD9850芯片简介 (8)AD9850硬件电路图及单片机程序 (9)3 I-V变换模块 (11)I-V变换方案设计 (11)I-V变换的硬件电路 (11)4 同时采样模块 (12)同时采样模块方案设计 (12)A/D芯片的选择 (12)ADS7861芯片介绍 (13)ADS7861转换时序的逻辑控制 (13)5 单片机系统设计 (16)SPCE061A单片机概述 (16)单片机的电源设计 (16)SPCE061A最小系统 (17)6 RLC测试仪应用软件设计 (18)数据采集模块程序流程图 (18)中断程序流程图 (19)主程序流程图 (19)结论 (21)参考文献 (22)致谢 (23)附录 (24)前言随着微电子技术、计算机技术、软件技术的高度发展及其在电子测量技术与仪器上的应用，新的测试理论、新的测试方法、新的测试领域以及新的仪器结构不断出现，在许多方面已经冲破了传统仪器的概念，电子测量仪器的功能和作用发生了质的变化。
自由轴法的RLC测量仪表设计资料
基於自由軸法的RLC測量儀錶設計技術要求：1)測量準確度：O.05％．2)顯示範圍: :0.0001 mH--- 99999H．C: O.0001 pf---99999．R: O.0001 ---99999k主要參考文獻：1、童長飛編著．Ｃ８０５１Ｆ系列單片機開發與Ｃ語言編程．北京：北京航空航太大學出版社，２００５年２月．2、趙茂泰主編.智慧型儀器器原理及應用.北京：電子工業出版社，2005年1月.3、陳尚松等編著.電子測量與儀器.北京：電子工業出版社，2007年2月4、李臘元，官本雲編著.智慧化儀器儀錶.北京：科學出版社，1993年5、閻石主編.數位電子技術基礎.北京：高等教育出版社，1998年11月6、周航慈編著.智慧型儀器器原理與設計.北京：北京航空航太大學出版社，2005年3月課題內容及工作量：本課題研究了包括固定軸法在內的幾種RLC的傳統測量方法，並進行了優缺點的分析和論證，採用了較先進的自由軸法，給出了具體實現方案。
本課題要求設計正弦信號源、基準相位發生器、積分式A/D轉換器和微處理器控制電路，以及數位顯示電路。
要求對於自由軸法的計算方法進行嚴密推倒，分析電子線路實現時可能造成的誤差，以及軟體編程對本儀器精度的影響。
整個設計要求設計並畫出全部硬體電路圖和詳細的程式流程圖，應著重描述清楚系統的程式流程和演算法的程式設計要點。
說明：為避免與其他（本屆的電導率測量和上屆的RLC測量儀器）題目的實現方案重複，對於同一環節（例如積分式A/D）的實現應不同。
建議本題的雙積分A/D採用運算放大器和比較器以及一些阻容元器件搭成，不採用專用A/D轉換器（例如ICL7135）。
以下是老師給的資料：智慧化RLC測量儀原理摘自：趙茂泰主編.智慧型儀器器原理及應用（第2版）.北京：電子工業出版社.2005年,P178--193。
RLC參數的測量方法主要有電橋法、諧振法和伏安法三種。
電橋法具有較高的測量精度，被廣泛採用，現已派生出許多類型。
电子设计大赛报告-基于自由轴法的RLC测量仪设计
摘要本设计以MSP430F149单片机为核心，由正弦波发生、信号电压提升、分压及差分放大等功能模块组成。
采用基于伏安法测阻抗的自由轴法，通过对待测阻抗Zx 和标准阻抗Zs 两端的电压精确采样计算实现了对电阻电容和电的高精度测量，同时也能对电感品质因数和电容损耗系数进行测量。
关键词：MSP430F149，自由轴法，测量，高精度 一、方案论证常用的RLC 参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法三种。
电桥法具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。
但电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。
谐振法要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求。
由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。
伏安法是最经典的方法，它的测量原理来源于阻抗的定义。
即若已知流经被测阻抗的电流相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。
显然，要实现这种方法，仪器必须能进行相量测量及除法运算。
本着扩大测量量程、提高测量精度的原则，我们采用了基于伏安法测阻抗的自由轴法。
二、总体思想自由轴法的基本思想是：待测阻抗Zx 和标准阻抗Zs 串联，严格要求被测参数矢量在X 、Y 坐标轴上投影准确正交，然后分别测出待测阻抗、标准阻抗两端的矢量电压Ux 和Us 在直角坐标X 、Y 轴上的分量，最后送入单片机经过四则运算即可求出最后结果。
本设计系统框图如图1所示。
信号发生电路产生的正弦波加在被测阻抗与标准阻抗上，分压后经过差分放大电路分别得到两阻抗上的电压值。
因为单片机只能正确采样0~5V 之间的电压，而输入的信号是正弦信号，因此在将其送入单片机之前进行电压提升，使正弦信号任意时刻的电位均大于或是等于0。
分压后的正弦信号送入单片机进行正交采样计算求得待测阻抗值，并显示结果。
矢量电压值分两次测量，先测量实部，然后测量虚部。
即在任一时刻采样得到信号瞬时值U1，然后经过1/4周期（相当于相移π/2）采样得到瞬时值U2，则可以得到21,21jU U U jU U U s x +=+= 其测量矢量图如图2所示。
RLC测量电路设计
RLC测量电路设计摘要: 仪器的发展趋势是向着智能化,智能仪器是近年仪器科学发展的一个重要分支。
RLC 测量仪是一种以单片机为基础的自动测量电阻R、电感L、电容C等参数的智能元件参数测量仪器。
本课题研究的内容是基于单片机RLC测量仪。
测量原理采用的是伏安法，伏安法又可分为固定轴法和自由轴法。
由于固定轴法对硬件的要求很高而且存在同向误差，故本课题采用自由轴法测量。
课题的研究分为硬件电路设计和软件程序编制两个部分。
在硬件方面，我们采用单片机控制电路；软件方面，我们采用汇编语言控制。
关键字：RLC测量, 电阻R, 电感L, 电容C.Abstract: With the developing of instrument science, instruments are getting more intelligent. Intelligent instrument is an important branch of instrument science and a keen edge of researching. RLC elemental meter is a kind of intelligent instrument used to measure elemental parameter such as resistance R, inductance L, capacity C and so on. In this paper, we made a virtual RLC elemental meter based on MCS. The paper includes two parts, one is the designing of hardware circuit ，the other is the programming .We used of MCS to control in the designing of hardware; And we used of advanced language to control in the software.Key words: RLC elemental meter, Resistance R, Inductance L, Capacity C.目录第一章. 绪论1.1 RLC测量定义1.2 基于单片机智能测量系统的特点及应用1.3 RLC测量仪器的发展和现状第二章．单片机概述2.1 什么叫单片机2.2 单片机的特点2.3 单片机的发展第三章．单片机的硬件基础3.1 8051单片机内部逻辑结构3.2 8051单片机的封装与信号引脚3.3 单片机的内部存储器第四章．RLC测量电路设计4.1 RLC测量系统的总体系统4.2 局部电路分析4.3 相关的子程序第一章. 绪论1.1 RLC测量定义RLC测量是控制电路将电阻、电感和电容的值转换成不同频率的电信号，所得的电信号再通过控制电路处理,经过显示器件将其表示出来，成为模拟信号，所得的模拟信号即为电阻、电感和电容的实际值的大小。
基于LM3S615的数字式LCR测量仪
ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ ｆ ｒ ｅ ｅ ａ ｘ ｉ ｓ ｍｅ ｔ ｈ ｏ ｄ ｔ ｏ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ｅ ｔ ｈ ｅ ｐ ｒ ｅ ｃ ｉ ｓ ｅ ｍ ｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｏ ｆ ｔ ｈ ｅ Ｒ ｅ ｓ ｉ ｓ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ， Ｃ ａ ｐ ａ ｃ ｉ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ， Ｉ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ａ ｎ ｃ ｅ ， Ｑ ｕ ａ ｌ ｉ ｔ ｙ ｆ ａ ｃ ｔ ｏ ｒ ａ ｎ ｄ
摘要 ： 该数字式 Ｌ Ｃ Ｒ测 量 仪 以 Ｃ ｏ ａ ｅ ｘ Ｔ Ｍ —Ｍ ３ 内核 的 Ｌ Ｍ３ Ｓ ６ １ ５控 制 器 为 核 心 ， 采 用 自 由轴 法 测 量 原 理 ， 实现 了对 电 阻、 电容 、 电感 、 Ｑ值 和 Ｄ值 的 宽 范 围测 量 。 仪 器 的 信 号 源 与 基 准 相位 发 生 器使 用 同 一频 率产 生 ， 增 加 了信 号 的稳 定 性 ， 提
Ａｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ ： Ｔ ｈ ｅ ｄ ｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ Ｌ Ｃ Ｒ ｍｅ ａ ｓ ｕ ｉ ｒ ｎ ｇ ｉ ｎ ｓ ｔ ｕ ｍｅ ｒ ｎ ｔ ｕ ｓ ｅ ｄ Ｌ Ｍ３ Ｓ ６１ ５ ｗ ｈ ｉ ｃ ｈ ｂ ａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ｔ ｈ ｅ Ｃ ｏ ｒ ｔ ｅ ｘ Ｔ Ｍ —Ｍ３ ｋ ｅ ｒ ｎ ｅ ｌ ａ ｓ ｔ ｈ ｅ ｃ ｏ ｎ ｔ ｒ ｏ ｌ ｌ ｅ ｒ
文献标识码 ： Ａ
文章编号 ： １ ０ ０ ２—１ ８ ４ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ ２— ０ ０ １ ６— ０ ３
Ｄｉ ｇ ｉ ｔ ａ ｌ ＬＣＲ Ｍｅ ａ ｓ ｕ ｒ ｉ ｎｇ Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ Ｂａ ｓ ｅ ｄ ｏ ｎ ＬＭ ３ Ｓ ６ １ ５
１ 测 量 仪 系统 组 成 基于 Ｌ Ｍ ３ Ｓ ６ １ ５的 自 由轴 法 Ｒ Ｌ Ｃ测 量 系统 构 成 如 图 １所
基于数字鉴相的自由轴法RLC测量
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基于数字鉴相的自由轴法ＲＬＣ测量
作者：黄利君何蓉
来源：《现代电子技术》2009年第15期
摘要：针对自由轴法RLC测量中因使用模拟鉴相器导致测量精度低的问题，提出采用一种基于数字鉴相的测量方法。
基准相位发生器与信号源使用同一频率，通过编程控制使基准相位发生器产生两个正交的相位参考基准信号，应用乘法型D/A对被测信号与相位参考基准信
号进行数字鉴相，获得了被测阻抗电压及标准阻抗电压在正交坐标轴上的投影分量。
分析与计算表明了该方法的准确性。
这种方法比基于模拟鉴相的自由轴法RLC测量的精度高，测量的速度快。
关键词：鉴相器；RLC测量；自由轴法；基准相位。
智能LCR测试仪
激励源：正弦信号源是通过一片DDS合成芯片AD9850来实现， 输出通过带通滤波和阻抗变换作为系统的激励源。 激励频率为100Hz，1KHz，10KHz，幅度为正负4伏。
内阻：一方面，为了能够测试小阻抗，内阻不宜过大。 另一方面，由于运放有一定的带载能力，内阻不能太小。 一般运放的短路电流为15~25mA，本设计中阻抗变换电 路中选择了短路电流为40mA的运放OPA132。这样，在 激励源为正负4V时，确定内阻为100R。
(1)Ｌ,Ｃ,Ｒ的自动识别 (2)标准电阻的自动选择 (3)电压放大倍数的选择 (4)判断波形是否失真
测量误差的分析与处理
(1)随机误差：多周期数据处理 每通道每次采集1K个点的数据（取10个周期）， 每次10个周期的数据一起处理，这样等效于连续 测量10次，然后取平均值作为最后的测试结果。
测量误差的分析与处理
数据处理
由于正弦信号（测试信号）的频率和采样频率是已知的 可以用相关算法或最小二乘法（最佳平方逼近）提取信号 的幅度和相位等参数。这里，我们选用了最小二乘法，效 果不错。
需要注意的是：数据处理的点数应该是整周期的。本设 计中，每个周期采100个点，每次运算1000个点（10个周 期）的数据。
自动参数选择
标准电阻：100R,10K两档.小于10K的阻抗选用100R标准电 阻,大阻抗选用10K标准电阻.
选用继电器作电阻切换(最大导通电阻0.02R). 模拟开关效果不好(导通电阻,漏电流).
I-V变换：选用性价比较高的OPA132。
OPA132的主要特点： （1）JFET输入：输入阻抗10000G。 （2）8M带宽。 （3）高压摆率：20V/us （4）低噪声：8nV（1KHz） （5）低失真：0.00008% （6）短路电流：40mA。
基于PIC单片机控制的RLC智能测量仪
基于PIC单片机控制的RLC智能测量仪杨继生;刘芬【摘要】为了精确测量分立元件的参数,介绍了一种由PIC单片机控制的RLC智能测量仪.该测量仪利用PIC单片机内置的A/D转换模块对信号进行采样,并采用正交采样算法对数据进行处理从而得出待测元件的参数值.测量结果表明,他具有较高的精度和分辨率,可广泛应用于对元器件参数进行精确测量与分选.与传统的仪表相比,该测量仪还具有智能识别、量程自动转换、在线测量等优点,因此他具有重要的实用价值.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2007(030)015【总页数】3页(P131-132,138)【关键词】正交采样;智能识别;在线测量;量程自动转换【作者】杨继生;刘芬【作者单位】天津第五机床厂,天津,300222;天津工程师范学院,天津,300222【正文语种】中文【中图分类】TP29在使用电子元器件时，首先需要了解其参数，这就要求能够对元器件的参数进行精确测量。
采用传统的仪表进行测量时，首先要从电路板上焊开器件，再根据元件的类型，手动选择量程档位进行测量，这样不仅麻烦而且破坏了电路板的美观。
经过理论分析和实验研究，采用正交采样算法，并由单片机控制实现在线测量[1]、智能识别、量程自动转换等多种功能，可大大提高测量仪的测量速度和精度，扩大测量范围。
因此这种RLC测量仪既可改善系统测量的性能，又保持了印刷电路的美观，较传统的测量仪还具有高度的智能化和功能的集成化，在未来的应用中将具有广阔的前景。
1 硬件电路设计此测量仪硬件设计思路如图1所示。
图1 硬件电路系统框图由于PIC单片机[2,3]只能正确采集0～5 V之间的电压,而输入的信号是正弦波信号,因此在将此正弦信号送入单片机之前需对其进行电位提升,使整个正弦信号任意时刻的电位均大于或等于0。
另外本测量仪具有量程自动转换和增益自动可控的特点，实现电路如图2所示。
图2中U1(CD4051)是一个单刀八掷的模拟开关，用以完成量程电阻挡位的转换；U2(CD4052)是一个双刀四掷的模拟开关，用来选择待测元件或基准电阻信号；U3,U4,U5,U6共同组成一个增益可以控制的仪用差分式放大电路，其中U5(CD4052)是用来切换增益倍数的；U8(74LS273)是一个锁存器，用于将由单片机发出的控制信号锁存并传输给U1,U2,U5实现程控；由于U1,U2,U5开关切换的驱动电压要求达到5 V以上，而单片机的高电平仅为3～5 V，达不到驱动电压，所以要采用一个集电极开路的驱动器(74LS07)才能实现由单片机控制的开关切换(R13,R14,R15,R16,R17为74LS07输出端的上拉电阻)。
RLC智能测量仪
R.L.C.智能测量仪学生：梁耕瑞指导教师：鲁顺昌内容摘要：本文介绍了一款靠性能的R.L.C智能测试仪的设计，该仪器主要由DAC0832与LM358构成的DDS信号发生器、FPGA做整个系统的主控芯片、高速、高精度25位Δ－∑型A/D芯片ADS1255进行数据采样，使用自由轴测量法进行数据测量，同时使用串口把测量数据发送到上位机中进行元件仿真建模。
关键词：RLC测量仪 FPGA DDS信号发生器高精度ADR.L.C. intelligent measuring instrument Abstract:This paper introduces A by R.L.C intelligent tester design, the performance of the equipment is mainly composed of DAC0832 and LM358 DDS signal generator, FPGA make the whole system of master control chip, high speed, high precision 25 Δ-∑ type A/D chip ADS1255 data sampling, use free axes measuring method, data measurement, at the same time using the measurement data is sent to the PC serial port element simulation modeling.Keywords:RLC meter FPGA DDS signal generator of high precision AD目录前言 (1)1 方案选择与论证 (1)1.1设计目标要求 (1)1.2系统设计方案选择 (1)1.3自由轴法测量原理 (2)1.3.1 阻抗计算 (2)1.4嵌入处理器选择 (4)2 硬件电路设计 (5)2.1电路结构设计 (5)2.2电源设计 (6)2.2.1 电源方案选择 (6)2.2.2 电源结构 (6)2.2.3 电源电路设计 (7)2.3DS信号发生源设计 (10)2.4测量电路 (12)2.5A/D模块设计 (13)2.6人机交互电路设计 (14)2.7RS-232通信接口设计 (15)2.8FPGA核心电路 (16)3 软件设计 (16)3.1FPGA构架设计 (16)3.2DDS信号发生器 (17)3.3ADC测量以及相敏检波 (18)3.4 元件自动识别 (19)3.5串口通信 (20)3.5.1 串口构造 (20)3.5.2 VB简介 (21)3.5.3 上位机测试软件 (21)4 仿真与调试 (22)4.1时序逻辑仿真 (22)4.2电路仿真 (22)5 设计总结 (23)附录1：FPGA核心板电路图（一） (24)附录2：FPGA核心板电路图（二） (25)附录3：部分VERILOG 代码 (26)参考文献 (32)R.L.C.智能测量仪前言当代电子技术迅猛发展，应对日趋增长的测量精度需求，对测量仪器的要求不断提高。
LRC-自由轴测量法1
LRC-自由轴测量法摘要本设计采用了基于89s51 低功耗单片机的数字式LRC 参数自动测试仪，采用自由轴法测量电阻、电容、电感的值及相关辅助变量。
本系统由自制电源、DDS信号产生电路、半桥测量电路、相敏检波器、A/D 变换器、微处理器、键盘与LCD 等构成。
采用DDS9851产生方波并进行滤波变换得到标准信号源和精确的测量频率以及A/D 转换器的时钟频率。
半桥测量电路由四级标准电阻和高精度集成运算放大器组成，能够自动选择相应的标准电阻档级，完成量程自动转换。
另外系统中还对信号进行放大控制，使小阻抗的测量过程中可得到精确的采样信号。
系统采用模拟相敏检波电路技术和双积分式高精度A/D变换器，并结合自由轴法测量提高了测量精度。
关键词 DDS信号发生器，单片机，双积分A/D，自由轴法。
1．方案比较论证1.1信号源产生方案选择方案一，利用FPGA 实现直接数字频率合成,产生波形好、幅值稳定的正弦波作为测试激励信号，再用分频器分出需要使用的各种频率信号。
方案二，利用两片DDS9851芯片信号发生器级联直接产生需要的两路正弦波信号，经过滤波和比较电路后产生出需要的信号源。
方案三，利用产生的方波，经过分频和移相之后，得到需要的相差90的两路信号。
综上：GPGA适用于高速的精度运算，但本设计中不需要如此耗费，DDS芯片完全能满足需要，故我们选择方案二。
1.2相敏检波电路选择方案一，相敏乘法型D/A 鉴相，由于鉴相前端的直流容易产生漂移，在乘法器中直流也会产生漂移，造成噪声的处理和滤波都很麻烦。
方案二，相敏开关鉴相案，即通过模拟开关选通相应的导通量。
根据需要分别导通相差90的两路方波信号。
方案三，利用DDS芯片直接产生的信号与D/A乘法器相连，实现数字量与模拟量的直接相乘。
但是，此方法技术目前还不成熟。
综上：相敏检波器开关鉴相设计方法电路简单明白,所以我们选择方案二。
1.3 A/D转换电路选择方案一，采用微处理器上的普通的A/D转换器，但是，精度达不到要求标准。
基于自由轴法的RLC测量电路
Hale Waihona Puke ０ 引 言 随 着 新 武 器 不 断地 装 备 部 队 ，对 测 量 仪 器 提 出 了更 高 的要 求 。 在 对 新 装 备 进 行 绝 缘 性 测 试 时 ，原 有 的 手 工 式 万 用 表 的 测 试 方 法 形 式 单 一 、 费 时 费
摘要 ：一种 通用 的 电 阻 、电感和 电容 的测 量 电路 ，基 于伏 安 法测 阻抗 原 理 ，采用 自由轴 法确 定相 位 参考 基 准。对 于 小容 量 电容 （ ｐ 下 ） ２Ｆ ，采用 并联 等 效 方式 ；对 于 大容 量 电容 （ ｐ 以上 ） ２Ｆ ，采用 串联 等 效 方式 。前 者 的有 源整 流 器 输入 接 到 半桥 电压 支路 Ａｌ ，振 荡器供 给 半桥 测 试 回路 恒压 的正 弦波 激励 信 号 后 者 的有 源整 流 器输入接 到半桥 电 上
压 支 路 Ａ２上 ，振 荡 器 供 给 半 桥 测 试 回路 恒 流 的 正 弦 波 激 励 信 号 关 键 词 ： 自 由 轴 法 ； ＲＬ ； 测 量 电路 Ｃ 中 图 分 类 号 ：Ｔ １ 文 献 标 识 码 ： Ａ Ｎ７ ０
ＲＬＣ Ｍ ｅ ｓ ｒｎ ｒ ｕ ｔ ｓ ｄ ｏ ｒ ｅ Ａｘ ｓＭ ｅ ｈ ｄ ａ ｕ ｉ ｇ Ｃｉｃ ｉｓＢａ ｅ ｎ Ｆ ｅ — ｉ ｔｏ
ｌｒ ｅ ｃ ｐ ｃｔ ｃ ａ ｏ ｅ ２ Ｆ ． ｈ ｅｉ ｓｃ ｎ ｅ ｔ ｎ ｅ ｕｖ ｌｎ ｍｏ ｅ ｉ ａ ｏ ｔ ｄ Ｐ ｗｅ ｅ ｅ ｔ ｉｒｉｐ ｔｏ ｅｆ ｒ ｒｉ ａｇ ａ ａ ｉ ｎ ｅ（ ｂ ｖ ｐ ） ｔｅ ｓ ｒ — ｏ ｎ ｃｉ ｑ ｉａｅ ｔ ｄ Ｓ ｄ ｐｅ ． ｏ ｒ ｄ ｒ ｃｉ ｅ ｕ ｆ ｈ ｏ ｍｅ ａ ｅ ｏ ｆ ｎ ｔ Ｓ
基于自由轴法的智能RLC测量仪研究
相电路模型的基础上 ， 提 出了一种能提 高测量精度 的差分测 量 电路和差分脉冲积分 鉴相 电路 。该种 方法 和 电路 既可 以用 于
阻抗测量又可以用于元件参数测量 。
１ 智能 ＲＬ Ｃ测 量 仪 系统 设 计
１ ． １ 测量 原 理
１ ． １ ． １ 矢 量 自由轴 法
的激励 信号 ， 精度不如 电桥法 ， 而且 也很 难实现智能测量 。
０ 引 言
的相位参 考基 准可 任意 选择 ， 只需 要保 证 两个 坐标轴 准确 正
阻抗及元件参数 （ 电阻 Ｒ 、 电感 ￡ 、 电容 Ｃ） 的测 量广泛应用 于复阻抗测量 … 、 生物医学 阻抗分析 、 磁体 分析设 计 等 领 域 。常见 的测量方法有 电桥法 、 谐振法及伏 安法 。电桥 法能 获
２ ０１ ５焦
仪 表 技 术 与 传 感 器
Ｉ ｎ ｓ ｔ ｒ ｕ ｍｅ ｎ ｔ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｉ ｑ ｕ ｅ ａ ｎ ｄ Ｓ ｅ ｎ ｓ ｏ ｒ
２ ０１ ５
Ｎｏ ．８
第 ８期
基 于 自由轴 法 的智 能 ＲＬ Ｃ测量 仪 研 究
钱 莹晶 ， 张仁 民
（ 怀化学院物理与信息工程 系， 湖南 怀 化 ４ １ ８ ０ ０ ８ ）
基金项 目： 湖南省教育厅科 学技术 研究项 目（ １ ２ Ｃ ０ ８ ３ ５ ） ； 湖南省 科技计
划项 目（ ２ ０ １ ３ Ｇ Ｋ ３ １ ４ ５ ）
图１ 为矢量 自由轴法测量 原理 图 ， Ｒ 为 正弦信 号源 内阻 ， ｚ 是基准 电阻 ， ｚ 为待测 阻抗 ， 与集成运 算放 大器组成 反相 比
级基准参考 电阻、 差分仪表放 大等 改进 电路 结构提 高测量精度 ； 脉冲积分鉴相采用模 拟开关正交鉴相 、 差分提 取投影标 量
一种RLC测量仪及测量方法[发明专利]
![一种RLC测量仪及测量方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/2e9172f00d22590102020740be1e650e52eacf94.png)
(10)申请公布号 (43)申请公布日 2014.11.12C N 104142430A (21)申请号 201410321835.7(22)申请日 2014.07.07G01R 27/02(2006.01)G01R 27/26(2006.01)(71)申请人盐城工学院地址224051 江苏省盐城市希望大道9号(72)发明人安晶 徐友武 刘学然 李青祝阳程(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司 32200代理人杨海军(54)发明名称一种RLC 测量仪及测量方法(57)摘要本发明涉及一种RLC 测量仪，采用CPLD 技术替代用数字电路产生正弦检测信号，且CPLD 开发板上芯片资源丰富、内含PLL 锁相环，方便实现倍频和分频，且包含存储单元，可以直接调用ROM 表宏模块、而且可以应用SOPC 来实现内核，便于实现高频测试信号能够提高正弦检测信号的波形质量；本发明还设计了基于本发明设计RLC 测量仪的测量方法，采用直接数字频率合成技术，能够精确控制输出正弦检测信号的频率和相位，同时具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、具有低相位噪声和低漂移、易于集成、易于调整等优点。
(51)Int.Cl.权利要求书2页 说明书7页 附图6页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书7页 附图6页(10)申请公布号CN 104142430 A1.一种RLC测量仪，包括前置检测电路模块、差分处理电路模块、检波电路模块、积分模块、信号采集处理控制单片机、双端口RAM、输入输出控制模块、输入模块、输出模块、低通滤波器模块和D/A转换器；其特征在于：还包括CPLD控制板，其中，前置检测电路模块的输出端与差分处理电路模块的输入端相连接，差分处理电路模块的输出端与检波电路模块的其中一个输入端相连接，检波电路模块的输出端与积分模块的输入端相连接，积分模块的输出端与信号采集处理控制单片机的输入端相连接，信号采集处理控制单片机的输出端与CPLD控制板的输入端相连接，信号采集处理控制单片机同时与双端口RAM进行交互通信，CPLD控制板的两个输出端分别与检波电路模块、D/A转换器相连接，D/A转换器的输出端与低通滤波器模块的输入端相连接，同时分别与检波电路模块、D/A转换器相连接，双端口RAM与输入输出控制模块进行交互通信，输入输出控制模块的输入端、输出端分别与输入模块、输出模块相连接。
基于数字鉴相的自由轴法RLC测量
基于数字鉴相的自由轴法RLC测量时间：2009-09-28 11:26:43 来源：现代电子技术作者：黄利君何蓉0 引言R，L，C是电子电路及系统的主要元件，R，L，C参数的测量方法有电桥法、谐振法、伏安法。
其中，电桥法具有较高的测量精度，但电路复杂且需要进行电桥平衡调节，不宜完成快速的自动测量。
由于测量方法的制约，谐振法需要很高的频率激励信号，一般无法完成较高精度的测量。
伏安法在设计中必须完成矢量测量及除法运算，为了实现高精度测量，还需要采用低失真的正弦波信号和高精度的A／D，早期实现比较困难。
由于计算机技术的发展，智能仪器的计算能力和控制能力有了较大提高，使伏安法在实际中得到广泛应用。
伏安法测量中，有固定轴法和自由轴法两种，固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与标准阻抗电压的相位相同，对硬件要求很高，并且存在同相误差，已很少使用。
自由轴法中相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，只要求保持两个坐标轴准确正交(相差90°)，从而使硬件电路简化。
常见的自由轴法RLC测试仪采用模拟相敏检波器，测量精度低，速度慢。
本文介绍一种基于数字鉴相的自由轴法RLC测量电路设计。
1 系统组成及测量原理基于数字鉴相的自由轴法RLC测量系统构成如图1所示，主要由正弦信号源U0、前端测量电路、相敏检波器、A／D转换器、微处理器、基准相位发生器以及键盘、显示电路等组成。
为了提高信号源精度，正弦信号源U0采用直接数字频率合成信号源(DDS)。
R0为信号源内阻，RS是标准电阻，Zx为被测阻抗，A为高输入阻抗、高增益放大器，主要完成电流一电压变换功能。
测量时，开关S通过程控置于Ux或US端。
由图1有：UX=IOZX，US=-IORS，被测阻抗ZX为：由式(1)可知，只要测出UX，US在直角坐标系中两坐标轴x，y上的投影分量，经过四则运算，即可求出测量结果。
图1中，被测信号与相位参考基准信号经过相敏检波器后，输出就是被测信号在坐标轴上的投影分量。
RLC测量
电阻电容电感测试仪摘要：该系统以STC12C5A60S2单片机为控制核心，以DDS AD9850自制信号源和LRC测试电路为主要模块，实现了对L、R、C的精确测量，自制信号源频率可达0.5HZ-10MHZ。
采样电路使用16位的模数转换芯片AD7705对L、R、C分压有效值进行实时采样，从而得到高精度测量值，其中电阻档相对误差在2%以内。
电容、电感测试误差在4%以内，均超出了题目要求。
该系统能进行全自动量程切换，具有自动校准功能；通过24C04实现数据智能化存储；用DS1302提供准确时间系统；用高亮度12864液晶显示数据，读取直观方便，很好的完成了题目基本与发挥部分的各项指标。
关键字: STC12C5A60S2DDS AD9850 LRC高精度测量自动档位切换Abstract:This system take the STC12C5A60S2 monolithic integrated circuit as the control core and take DDS AD9850 self-restraint supply oscillator and the LRC test circuit as the main module, the realization voltammetry to L、R、 C precision measuring.signal frequency speed 0.5HZ-10MHZ .The sampling electric circuit uses 16 AD conversion chip AD7705 for L、R、C differential pressure effective value carries on the real-time sampling, thus obtains the high accuracy observed value.This system can carry on the completely automatic switch range,has the function of automatic calibration; Using 24C04 realized data intellectualization memory; Provides the accurate time system with DS1302; With high luminance 12864 liquid crystal display data, read direct-viewing convenient.good completed the topic of basic and play a part of each index Key Words: STC12C5A60S2 DDS AD9850 LCR precision measuring Automatic switch gear1. 系统方案1．1系统总体方案设计与结构框图根据题目要求，本电路由电源模块、控制器模块、DDS 信号源产生模块、信号放大模块、档位选择模块、精密整流模块、AD 采样模块、时钟模块、数据存储及液晶显示等模块组成。
基于正交采样算法的RLC智能测量仪设计与实现
基于正交采样算法的RLC智能测量仪设计与实现陈正振【摘要】为解决对电阻、电容、电感等阻抗元件的智能识别和高精度测量等关键技术问题,以单片机为核心控制器采集测量数据,并通过正交采样算法对数据进行分析和处理,智能识别待测元件种类,精确测量元件参数,并实现在线测量、量程自动转换、快速测量、数字化显示等功能.测试结果表明,该智能测量仪具有测量精度高、测量范围广、使用操作便捷、智能化集成度高等优势,符合智能电子测量仪器设备的发展趋势和实际应用需要.【期刊名称】《广西民族大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2016(022)001【总页数】5页(P86-90)【关键词】正交采样算法;智能识别;高精度测量;单片机技术【作者】陈正振【作者单位】广西交通职业技术学院,广西南宁 530023【正文语种】中文【中图分类】TM932进入21世纪以来，应用电子技术、单片机技术日新月异发展，对各类电子测量仪器设备的参数性能也提出了更高的要求.以单片机、嵌入式系统为核心控制器，数字化、智能化、高精度、高可靠性成为新一代智能电子测量仪器设备的发展趋势.在实际的应用电路中，电阻(R)、电感(L)、电容(C)是最基础，也是应用最广泛的电子元器件，利用RLC测量仪合理的选择电子元器件，并精确的测量其参数是确保整个电路系统正常稳定工作的重要保证.传统的RLC测量仪器主要采用伏安法、电桥法和谐振法等技术原理，普遍存在测量范围较窄、测量精度不足、智能化程度不高、操作使用烦琐、测量结果读取不直观等问题.经理论研究和实践测试，基于正交采样算法，并以单片机为核心控制器的RLC智能测量仪可以实现元器件在线测量和智能识别、量程自动转换、快速测量、数字化显示等多种功能，较传统的测量仪具有测量精度高、测量范围广、使用操作便捷、智能化集成度高等优势，符合智能电子测量仪器设备的发展趋势和实际应用需求，在工业测控技术、物联网技术、数码电子产品维修等领域中将具有较为广阔的应用前景.在正弦交流电路中，电阻、电容、电感这三种阻抗元件相量形式的伏安关系各不相同，为正交采样提供了可行性.1.1 元件阻抗特性分析在正弦交流电路中，电阻的伏安关系为：u=R×i其中u和i分别代表交流电压和交流电流，可以把公式(1)以交流形式表示为：Ucos(wt+θ1)=RIcos(wt+θ2)将公式(2)化简后可以得到：U=R×I因此，在正弦交流电中，电阻元件的电压与电流相位相同，即：θ1=θ2相量图如图1所示.在正弦交流电路中，电容的伏安关系为：i=C(du/dt)其中u和i分别代表交流电压和交流电流，可以把公式(5)以交流形式表示为：Icos(wt+θ2)=C{d[Ucos(wt+θ1)]/dt}将公式(6)化简后可以得到：I=wCU因此，在正弦交流电中，电容元件的电流相位超前电压相位90°，即：θ1=θ2-90°相量图如图2所示.同理，在正弦交流电路中，电感的伏安关系为：u=L(di/dt)将公式(9)化简后可以得到：I=wCU因此，在正弦交流电中，电感元件的电流相位滞后电压相位90°，即：θ1=θ2+90°相量图如图3所示.1.2 正交采样原理分析正交采样可对中频信号进行采样，并将采样结果进行数字信号处理，形成同相信号I(In-phase)和正交信号Q(Quadrature)，再通过正交相干检波，从而得到一致性好、精度高的正交信号，以提高系统的性能.根据电阻、电容、电感的阻抗特性分析结果，假设将电阻和电容串联，并在串联电路两端加载正弦交流电压，因为在串联电路中电流的幅度和相位都是相同的，所以加载在电阻上的电压比加载在电容上的电压超前90°.同理，假设将电阻和电感串联，则加载在电阻上的电压比加载在电感上的电压滞后90°.又根据阻抗Z的计算公式：Z=R+jX可知在交流电路中实部与虚部之间的相位差也为90°.因此，所谓正交采样法是指在采样交流信号时，只要在任一时刻采样一次得到交流电V1，然后相移90°再采样一次得到交流电V3，那么用V1和V3就可以完整的表示该交流电信号如下式：RLC智能测量仪采用微芯公司的高速、高性能的单片机PIC16F877为核心控制器，整个系统主要由基准信号发生电路、高精度仪用差分式放大电路、电位提升电路、量程自动转换电路等主要部分组成.系统框图如图4所示.首先，由晶振、多谐振荡器、分频器和积分电路构成的基准信号发生电路产生频率为1 KHz的正弦交流电基准信号，并将基准信号加载至由待测元件与基准电阻构成的分压电路中.其次，由高精度仪用差分式放大电路对经过分压电路的交流电压进行放大，并将放大后的交流信号通过电位提升电路.因为在交流信号中电压瞬时值是周期性变化的，在负半周期时交流电压瞬时值可能为负值，而负值电压不便于进行A/D转换.所以通过电位提升电路将信号整体提高2.5 V的直流分量，以确保交流电压在整个周期中瞬时值均为正值.然后，通过高速A/D转换器实时采集正弦交流信号的电压瞬时值，并将采集结果送至单片机.单片机根据采样结果控制量程自动转换电路选择合适的量程档位，以实现差分式放大电路的自动增益控制.最后，单片机通过正交采样算法对采集数据进行运算和处理，并显示测量结果.2.1 硬件电路设计与实现在RLC智能测量仪的硬件电路中高精度仪用差分式放大电路是核心模块.因为差分式放大电路是对两个输入端之间的差值进行放大，从而对外界干扰输入的共模信号有很强的抑制作用，所以，仪用差分式放大电路可以有效地提高测量精度和测量仪的抗干扰性.仪用差分式放大电路如图5所示.在图5中，ZX为待测元件，R为基准电阻，输入电压分别为X、Y输入仪用差分式放大电路.根据理想运放的“虚短”概念，电阻R1两端的电压为：VR1=VX-VY又因为：VR1/R3=(VA2-VA3)/(2×R2+R1)VO=(R4/R3)(VA2-VA3)所以：VO=-R4/R3(1+2×R2/R1)(VX-VY)2.2 软件程序设计与实现RLC智能测量仪的软件程序主要由量程选择、A/D采集、运算处理、元件识别等子程序组成.软件程序流程图如图6所示.当待测元件接入测量电路后，单片机首先对串联分压电路的交流电压进行一次采集，并根据采集得到的电压瞬时值，驱动模拟开关选择适当的基准电阻接入分压电路，实现量程自动切换的功能，以确保测量的精确性.选择合适的量程后，进入到A/D采集程序.为提高测量精度，程序进行六次循环正交采样，并将六次采样得到的数据进行升序排列，去掉一个最大值，一个最小值，剩余的四个数据取平均值，以滤除外界干扰对测量结果的影响.最后，将采样得到的有效数据进行运算和处理，从而实现元件类型智能识别的功能，并显示测量的结果.根据图5所示，采用伏安法测量ZX.如果分别测量出加载在待测元件ZX上的压降Z和基准电阻R上的压降R，则根据欧姆定律可得：由公式(18)可知，在基准电阻R足够精确的情况下，只要已知Z和R就可以求出待测元件的阻抗ZX.3.1 正交采样算法根据正交采样原理，只需要在一个任意正交坐标系中实时采样到两个相位相差90°的电压分量V1和V3就可以完整的表示该交流电信号.所以，当采用1 KHz的正弦交流电作为测量基准信号时，首先测出Z或R在同一时刻的瞬时电压V1、V2，然后延时250 us(注：1 KHz的信号周期为1000 us，四分之一周期为250 us即90°相位差)，再测出Z在同一时刻的瞬时值V3、V4.则：将公式(19)、(20)代入(18)，得：令：A=V1·V2+V3·V4B=V2·V3-V1·V4则公式(20)可化简为：再令：；则：ZX=RX+jX其中，RX、X分别表示待测元件阻抗值ZX的电阻部分和电抗部分.3.2 元件智能识别根据以上正交采样算法的相关公式，将正交采样值V1、V2、V3、V4代入后，可以求出待测元件的电抗值X.根据电抗值X的计算公式：X=wL-1/wC可以得出结论，当X=0时，则可判定待测元件为电阻，当X<0时,则可判定待测元件为电容；当X>0时,则可判定待测元件为电感.所以，通过单片机软件程序分辨待测元件的电抗值X的符号，便可以实现智能识别待测元件种类的功能.为实际检验系统的智能识别功能和测量精度，对多个待测元件进行实际测试.测量相对误差r=(X1-X0)/X0，其中，X1为实际测量值，X0为待测元件标称值.具体测试数据如表1所示.根据实际测量结果表明， RLC智能测量仪可以对电阻、电容、电感等待测元件进行智能识别和测量，其中，电阻测量范围：0.1Ω～10 MΩ，测量精度±1%；电容测量范围：1 pF～10000 uF，测量精度±5%；电感测量范围：10 uH～10000 uF，测量精度±5%.经过测试，基于正交采样技术，以单片机为核心控制器的RLC智能测量仪各项功能和参数指标都已经达到预期目标，具备在线测量、智能识别待测元件、高速高精度测量和数字化显示等功能.具有性能稳定、携带方便、操作灵活的特点，可以有效提高测量仪的工作效率，在工业测控、物联网、数码电子产品维修等领域具有广阔的应用前景.【相关文献】[1] 杨继生，刘芬. 基于PIC单片机控制的RLC智能测量仪[J]. 现代电子技术, 2007(z1):131-132.[2] Andreas Pilz, Joachim Swoboda. Network Management Information Models[J]. Internat ional Journal of Electronics and Communications, 2004;12(5): 165-171.[3] 张毅刚. 单片机原理及接口技术[M]. 北京: 人民邮电大学出版社, 2011.[4] Leszek A. Maciaszek. 需求分析与系统设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.[5] 丁金林，王峰. 智能RCL测量仪的设计[J]. 江苏市职业大学学报, 2010(z1):23-26.[6] 杜永强. 直接中频采样数字正交输出的最小二乘实现. 系统工程与电子技术, 2000(z1):7-10.。
基于AD633模拟鉴相的Q表设计
和 。 向量投 影 组合 进行 乘法 运算 并 滤 除交 流分 、
量， 运算结果通过差 分转换 电路送 入 Ｃ ０ １ ０ ０内部 ８５ Ｆ ６ Ａ Ｃ， 由 ４× Ｄ 并 ３矩 阵键 盘和 ２ ０×１ ８彩色点 阵 Ｌ Ｄ ４ ２ Ｃ
实现人机交互 。 ２ １ 信 号 产 生 电 路 ．
２ 相位 调谐 字 为５ｂ ， 相 位 偏 移 最 小值 为 △ ； ｉ 其 ｔ ＝
３ ０。 ２ ＝ １ ． ５。 ６ ／ １２ 。
图 ３ 系统 结 构 图
Ｆ ｇ ３ Ｓ ｒ ｃｕ ｅ ｏ ｅ ｓ ｓｅ ｉ ． ｔ ｔｒ ｆｔ ｙ ｔ ｍ ｕ ｈ
系统主要 由 ＭＣ 信 号产 生 电路 、 Ｕ、 测量 电路 、 通道
图 １ 伏 安 法测 量 原 理
Ｆｉ．１ Ｍ ｅ ｓ ｒｎ ｒｎ ｉ ｌ ｆｖ ｈａ ｍｅｒ ｇ ａ ｕ ｉ ｇ ｐ ｉ ｃ ｐｅ ｏ ｏ ｍ ｔｙ
矢量投影示 意图如图 ２ 示 。 所
国家创新 方 法专项 基金 资助 项 目（ 号 ： ０ Ｉ ４ ５ ０ ； 编 ２ ８Ｍ０ ０ ０ ） ０ 国家 自然科 学基金 资助 项 目（ 编号 ：０ ７ ０ ５ ； ４ ９ ４ ６ ）
２ ３ 鉴 相 电路 ．
鉴相 电路如 图 ５所示 。
１５ ） 并根据被测元件调整直角 坐标系使 和 处 ３。，
于中心位置 ， 减少投影造成 的误差 。 ２２ 通道切换 电路 ． 通道 的切换选用 多路干簧 管继 电器 ， 它具 有切换 速度快 和导通 电阻小等优点 。继电器的驱动电路采用
Ｍ ｌ 量 路Ｅ＼ 鉴 电 Ｈ 差 转 电 测 电 ： ： 相路 分 换 路Ｈ ＣＵ
壁 ！ 。 ． Ｉ 兰． — —— —Ｌ 笪土 茧 ］ —
基于自由轴法便携式LCR测试仪的设计与实现
基于自由轴法便携式LCR测试仪的设计与实现范宜标;陈晶晶;林炳辉【摘要】传统方法的LCR测试仪响应存在速度慢、灵敏度较低、测量结果受温度影响等缺陷,以STC15F2K60S2单片机为主控芯片的LCR测试仪采用ADC采集为一体的电路设计,不仅实现了正弦波发生器,正交90°方波器的功能,还实现了自动识别元件类型、自动选择量程、测量精度高以及串并联等效模式功能.仪器的整体电路得到一定简化,性能更加稳定可靠.【期刊名称】《黑河学院学报》【年(卷),期】2018(009)011【总页数】3页(P210-212)【关键词】STC15单片机;LCR测试仪;相敏检波;电子测量【作者】范宜标;陈晶晶;林炳辉【作者单位】龙岩学院,福建龙岩 364000;龙岩学院,福建龙岩 364000;龙岩学院,福建龙岩 364000【正文语种】中文【中图分类】TM932数字电桥广泛应用于电子测量及维修等方面，现有的数字电桥分别有台式、手持式电桥，台式电桥有较高的测试精度，其基本准确度可超过0.05%，并且一般还带有串口传输数据及数据存储功能，用户可以很方便的配合电脑，实现测量数据记录及处理，但台式机携带操作不方便、能耗高、对环境要求也较高[1]。
手持电桥通常使用微处理器，可以方便携带，满足实时测量的要求，并且具有灵活性和多样性。
目前，传统LCR测试方法主要有电桥法、谐振法、伏－安法[1]。
电桥法是最经典的测试方法，分有直流电桥及交流电桥，通过调节电桥的阻抗使电桥平衡，根据电路已知的参数来计算出被测阻抗的值理来自于阻抗的定义，通过矢量运算，可得到被测阻抗的矢量，此法，测量时间长，电桥平衡的判断亦难以用简单的电路实现[2]；谐振法需要有较高频率的激励信号，并且一般无法满足高精度测需求，由于测试频率不确定，测试的速度很难保证；伏安法测量原理来自于阻抗的定义，通过矢量运算，可得到被测阻抗的矢量，该法具有测量精度高、测量速度快、易实现自动化测量的特点[3]。
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基于数字鉴相的自由轴法RLC测量
时间：2009-09-28 11:26:43 来源：现代电子技术作者：黄利君何蓉
0 引言
R，L，C是电子电路及系统的主要元件，R，L，C参数的测量方法有电桥法、谐振法、伏安法。
其中，电桥法具有较高的测量精度，但电路复杂且需要进行电桥平衡调节，不宜完成快速的自动测量。
由于测量方法的制约，谐振法需要很高的频率激励信号，一般无法完成较高精度的测量。
伏安法在设计中必须完成矢量测量及除法运算，为了实现高精度测量，还需要采用低失真的正弦波信号和高精度的A／D，早期实现比较困难。
由于计算机技术的发展，智能仪器的计算能力和控制能力有了较大提高，使伏安法在实际中得到广泛应用。
伏安法测量中，有固定轴法和自由轴法两种，固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与标准阻抗电压的相位相同，对硬件要求很高，并且存在同相误差，已很少使用。
自由轴法中相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，只要求保持两个坐标轴准确正交(相差90°)，从而使硬件电路简化。
常见的自由轴法RLC测试仪采用模拟相敏检波器，测量精度低，速度慢。
本文介绍一种基于数字鉴相的自由轴法RLC测量电路设计。
1 系统组成及测量原理
基于数字鉴相的自由轴法RLC测量系统构成如图1所示，主要由正弦信号源U0、前端测量电路、相敏检波器、A／D转换器、微处理器、基准相位发生器以及键盘、显示电路等组成。
为了提高信号源精度，正弦信号源U0采用直接数字频率合成信号源(DDS)。
R0为信号源内阻，RS是标准电阻，Zx为被测阻抗，A为高输入阻抗、高增益放大器，主要完成电流一电压变换功能。
测量时，开关S通过程控置于Ux或US端。
由图1有：UX=IOZX，US=-IORS，被测阻抗ZX为：
由式(1)可知，只要测出UX，US在直角坐标系中两坐标轴x，y上的投影分量，经过四则运算，即可求出测量结果。
图1中，被测信号与相位参考基准信号经过相敏检波器后，输出就是被测信号在坐标轴上的投影分量。
相位参考基准代表着坐标轴的方向，为了得到每一被测电压(US或UX)在两坐标轴上的投影分量，基准相位发生器需要提供两个相位相差90°的相位参考基准信号。
需
要指出的是在自由轴法中，相位参考基准与US没有确定关系，可以任意选择，即x，y坐标轴可以任意选择，只需保持两坐标轴准确正交90°。
UX，US和坐标轴的关系如图2所示。
应用图1测量时，通过开关S选择某一被测量(如UX)，基准相位发生器依次送出两个相位相差90°的相位参考基准信号，经相敏检波器后分别得到UX在两坐标轴上的投影分量U1，U2。
类似，当开关S选择US时，可分别得到US在两坐标轴上的投影分量U3，U4。
各投影分量经A／D转换器可得对应的数字量，再经微处理器计算便得到被测元件参数值。
下面以电容并联电路的测量为例，推导RLC参数的数学模型。
由图2可得：
式中：Ni为Ui对应的数字量，e为A／D转换器的刻度系数，即每个数字所代表的电压值。
由式(2)，式(3)可知：
直接通过对N1～N4数值的运算，即可完成矢量除法运算。
由式(1)，式(4)可求得被测阻抗中的电容值CX及损耗角正切值DX。
式中：GX为介质损耗电导。
进而有：
同理可以导出被测参数R，C的计算公式。
2 正弦信号源与相敏检波器
在自由轴法测量RLC原理电路(图1)中，正弦信号发生器、相敏检波器及基准相位发生器是RLC测量仪的关键部分。
2．1 正弦信号源
为了保证RLC测试仪的精度，要求信号源U0产生的正弦信号波形失真小，幅值稳定。
自由轴法中，还要求信号源频率和相敏检波器相位基准信号的频率相同。
所以正弦信号源与基准相位发生器在电路上密切相关。
为了保证测试精度，采用直接数字频率合成DDS技术产生正弦信号激励源。
DDS具有系统稳定性强，以及相位、频率精确可调的优点。
图3所示为采用DDS的正弦信号源及相敏检波器原理图。
图3中时钟信号CLK经分频器后，得到依次二倍频率关系的8路信号，作为ROM1的地址输入，ROM1存放有256个按正弦规律变化的数据，即每一个存储单元存储的样点数据与其地址之间的关系和正弦波的幅值与时间轴的关系一致。
在分频器输出8路信号作用下，ROM1依次输出正弦曲线样点数据，经D／A转换器后输出阶梯正弦波，再经滤波、放大，就得到了测试用的正弦激励信号。
信号基础频率由单片机的P1．2和P1．3控制，若P1．2，P1．3分别为00，10，01，则基础频率厂依次为100 Hz，1 kHz，10 kHz。
2．2 基准相位发生器
基准相位发生器由ROM2实现，ROM2的高两位地址A9，A8由单片机的P1．1和P1．0提供，低8位地址A7～A0与ROM1地址对应相连。
ROM2分为4个区，每区有64个数据，分别代表了4组相差90°的正弦波信号值。
由P1．0，P1．1选择不同的区域。
当P1．1，P1．0分别为00，01，10，111，ROM2依次输出相位相差90°的正弦信号(相位参考基准信
号)。
2．3 相敏检波器
相敏检波器由乘法型D／A转换器和低通滤波器构成。
乘法型D／A转换器用于实现数字鉴相。
ROM2输出的8位数字式基准正弦信号送到8位乘法型D／A转换器，与加至D ／A转换器参考电压VREF端的被测电压UX(或US)相乘，再经低通滤波便得到被测信号UX(或US)在坐标轴上的投影分量。
分析如下，先使P1．1，P1．0＝00，设ROM2输出正弦信号为cos(ωt)，被测信号UX=Umcos(ωt+ψ)，经乘法型D／A后输出为：
再经低通滤波器后输出为Um cosψ，它是被测信号UX在x坐标轴上的投影。
然后使P1．1，P1．0=01，实现90°移相操作，此时ROM2输出为cos(ωT+π／2)，被测信号UX仍然为Umcos(ωt+ψ)，D／A转换器输出为：
经低通滤波可以得到UX在y坐标轴上的投影分量Umsin ψ信号。
同理，可以得到US在x，y坐标轴上的投影分量。
3 结语
本电路所采用的数字相敏检波器比传统的模拟相敏检波器具有无法比拟的优点。
通过乘法型D／A转换器进行数字鉴相，减少了传统模拟鉴相器开关动作过程中出现的尖脉冲，提高了测量精度；两个相互垂直的相位参考基准信号通过ROM2准确获得，相位参考基准信号电路比模拟相敏检波器大大简化；此外鉴相器使用D／A转换器后电路的温度系数进一步减小。