1、基于基于USBUSB的的LCRLCR測試儀測試儀2009年年5月月14日日 方案比較與選擇方案比較與選擇 自由軸法的測量原理自由軸法的測量原理 虛擬虛擬LCRLCR測試儀的測試原理測試儀的測試原理 虛擬虛擬LCRLCR測試儀的硬件設計測試儀的硬件設計 虛擬虛擬LCRLCR測試儀的軟件設計測試儀的軟件設計 測試結果及分析測試結果及分析參數的測量主要有：參數的測量主要有：一、電橋法一、電橋法二、諧振法二、諧振法三、伏安法（固定軸法，自由軸法）三、伏安法（固定軸法，自由軸法）缺點缺點: :測量時需要反復進行平衡調節，測量時需要反復進行平衡調節，測量時間長測量時間長測量量程范圍小測量量程范圍小, ,對

2、于很大的測量對于很大的測量范圍，只能用分段測量法，造成范圍，只能用分段測量法，造成各段測量精度不一致各段測量精度不一致交流阻抗電橋的平衡條件復雜、交流阻抗電橋的平衡條件復雜、收斂性差、橋路結構復雜，需要收斂性差、橋路結構復雜，需要標準的電抗元件，器件多、成本標準的電抗元件，器件多、成本高，且抗干擾性差高，且抗干擾性差 平衡電橋法測試原理圖平衡電橋法測試原理圖優點優點: :測量精度高測量精度高電橋平衡時有電橋平衡時有: :123xZZZZ 諧振法常用在高頻條件下，測量方法簡單，但是諧振法常用在高頻條件下，測量方法簡單，但是精度不高，易受溫度等因素的影響。精度不高，易受溫度等因素的影響。 LCLC

3、串聯諧振電路串聯諧振電路 012fLC諧振頻率諧振頻率: : 當激勵源的頻率等于諧振頻率時，網絡便發生串聯當激勵源的頻率等于諧振頻率時，網絡便發生串聯諧振現象。此時諧振現象。此時,L,L、C C上的電壓相等上的電壓相等, ,電路呈純阻性。電路呈純阻性。1234xxsssUUjUZRRUUjU 信號源內阻被測阻抗標準電阻實際測量時實際測量時, ,先分別測出各個矢量電壓的兩個分量先分別測出各個矢量電壓的兩個分量, ,再通過一系列的運算得到被測阻抗再通過一系列的運算得到被測阻抗. .伏安法有伏安法有固定軸固定軸和和自由軸自由軸之分之分. .激勵源-標準正弦信號12123433()xxssssUUjU

4、UUZRRjRUUjUUU 相敏檢波器的相敏檢波器的相位參考基準必須嚴格地與分母位置上的矢量一致相位參考基準必須嚴格地與分母位置上的矢量一致, ,這樣分母只有實部分量這樣分母只有實部分量, ,使矢量除法簡化為兩個標量的除法使矢量除法簡化為兩個標量的除法. . 利用利用雙斜積分式雙斜積分式A/DA/D轉換器的比例特性可以實現轉換器的比例特性可以實現. .缺點缺點: :為了固定坐標軸為了固定坐標軸, ,確保精確的相位關系確保精確的相位關系, ,硬件需要付出相當大硬件需要付出相當大的代價的代價. .固定軸法固定軸法: :1234xxsssUUjUZRRUUjU 相敏檢波器的相敏檢波器的相位參考基準可

5、以任意選擇相位參考基準可以任意選擇, ,即即x,yx,y軸坐標可任意選軸坐標可任意選擇擇. .只要保持只要保持2 2個坐標軸嚴格正交個坐標軸嚴格正交. .從而硬件電路簡化從而硬件電路簡化, ,準確度提高準確度提高. . 現在現在, ,智能智能LCRLCR測試儀器大多采用這種方案測試儀器大多采用這種方案. .測量時測量時, ,先用先用0 0度相位信號作為基準信號度相位信號作為基準信號, ,分分2 2次測出次測出UsUs和和UxUx在在X X軸坐軸坐標上的投影標上的投影(U3(U3和和U1);U1);然后用然后用9090度相位信號作為基準信號度相位信號作為基準信號, ,分分2 2次測次測出出UsU

6、s和和UxUx在在Y Y軸坐標上的投影軸坐標上的投影(U4(U4和和U2).U2).最后最后, ,帶入公式計算帶入公式計算. .具體的投影分量的測量通過積分式具體的投影分量的測量通過積分式A/DA/D來完成來完成. .自由軸法自由軸法: :1( 12)( 12)22cos()sin()2jjjjssssjssssUUeUUUUUZeReReRjRIIUUUUIe cosSSUURR SSfUURL2sin 如圖如圖, ,標準電阻標準電阻RsRs和被測元件和被測元件Z Z組組成串聯電路成串聯電路, ,由標準正弦信號激勵由標準正弦信號激勵. . 設設RsRs兩端電壓有效值為兩端電壓有效值為Us.

7、ZUs. Z兩端電壓有兩端電壓有效值為效值為U,U,電壓電壓、電流的相位差為電流的相位差為. .如果被測元件為如果被測元件為電容電容C C，則，則以串聯等效電路為例以串聯等效電路為例: :如果被測元件為如果被測元件為電阻電阻R R，則，則如果被測元件為如果被測元件為電電感感L L，則，則sin2SSfURUC 虛部為其分布參量虛部為其分布參量. .實部為其串聯等效電阻實部為其串聯等效電阻. .實部為其串聯等效電阻實部為其串聯等效電阻. .標準電阻標準電阻RsRs和測試頻率和測試頻率f f是已知的是已知的, ,關鍵是求關鍵是求有效值有效值Us Us 、U U和和相位差相位差. . 對于兩列同頻正

8、弦信號對于兩列同頻正弦信號( (頻率已知頻率已知),),如何求幅度如何求幅度, ,相位差等參量相位差等參量? ?數字信號處理數字信號處理最小二乘法最小二乘法( (最佳平方逼近法最佳平方逼近法) )最小二乘法思想最小二乘法思想: :兩同頻正弦信號兩同頻正弦信號( (頻率已知頻率已知),),以頻率以頻率f f進行采樣，得到兩組采樣值進行采樣，得到兩組采樣值. .通過這兩組采樣值就可以計算兩列信號的幅度和相位差通過這兩組采樣值就可以計算兩列信號的幅度和相位差. .相關算法相關算法121( )0.6cos2( )sinf xfx序列：序列 ： 假定標準電阻為假定標準電阻為1K1K，分別和，分別和2K2

9、K的電阻、的電阻、1uF1uF的電容、的電容、1H1H的的電感組成串聯電路，激勵源為電感組成串聯電路，激勵源為100Hz100Hz的正弦信號的正弦信號 R R、L L、C C串聯分壓電路串聯分壓電路 仿真結果仿真結果sin(2)1002sin(2)100nn標準電阻的電壓采樣波形：被測電阻的電壓采樣波形：sin(2)100cos(2)5100nn標準電阻的電壓采樣波形：被測電感的電壓采樣波形：仿真結果仿真結果仿真結果仿真結果cos(2)1005:sin(2)100nn標準電阻的電壓采樣波形：被測電容的電壓采樣波形 該方案是可行的該方案是可行的, ,只要只要對標準電阻和被測元件兩端對標準電阻和被

10、測元件兩端的電壓進行同時采樣的電壓進行同時采樣, ,再利用最小二乘法計算相位再利用最小二乘法計算相位差和有效值差和有效值, ,帶入相應的計算公式帶入相應的計算公式, ,就可以求出被就可以求出被測參數測參數. . 缺點：測量速度相對較慢缺點：測量速度相對較慢前前端端電電路路 正弦信號發生器正弦信號發生器同同時時采采樣樣數據存儲數據存儲單單片片機機接接口口電電路路被被測測元元件件USB接口接口時序控制時序控制AD9850PDIUSBD12ADS786189C52模擬開關模擬開關/繼電器繼電器FIFO/SRAMCPLD導通電阻大導通電阻小貴便宜虛擬虛擬LCRLCR測試儀原理框圖測試儀原理框圖 USB

11、USB總線可為外設提供最多總線可為外設提供最多500mA500mA的電流，對于一的電流，對于一般的小型外設可以通過總線供電，不再需要外部般的小型外設可以通過總線供電，不再需要外部電源。因此，本設計直接采用供電。但是，電源。因此，本設計直接采用供電。但是，模擬電路部分（比如運放）必須要雙電源供電，模擬電路部分（比如運放）必須要雙電源供電，因此要設計因此要設計- -電源。可以通過電源。可以通過 DC-DCDC-DC轉換芯片轉換芯片MAX735MAX735或或TPS67351TPS67351實現實現激勵源：激勵源：激勵源大多為正弦信號激勵源大多為正弦信號一般選取幾個頻率點進行測量（一般選取幾個頻率點

12、進行測量（100Hz,1KHz,10KHz100Hz,1KHz,10KHz等）等）對特殊要求，測試頻率可任意設定，范圍可達對特殊要求，測試頻率可任意設定，范圍可達50Hz50Hz5MHz5MHz正弦信號產生方法：正弦信號產生方法：利用鎖相環利用鎖相環(PLL)(PLL)技術實現頻率合成；技術實現頻率合成；對方波信號進行帶通濾波；對方波信號進行帶通濾波；采用數字合成技術設計正弦信號源；采用數字合成技術設計正弦信號源；采用合成芯片采用合成芯片為了實現儀器微型，低功耗的特點，本設計采用為了實現儀器微型，低功耗的特點，本設計采用合成芯片合成芯片AD9850AD9850. .控制信號控制信號數據數據位頻

13、率控制字位頻率控制字位相位控制字位相位控制字的輸出經帶通濾波，變成交流正弦信號作為激勵信號的輸出經帶通濾波，變成交流正弦信號作為激勵信號32/2outconclkinfWf輸出頻率自動測量時，采用自動測量時，采用100Hz,1KHz,10KHz100Hz,1KHz,10KHz等頻點測量等頻點測量手動測量時，用戶可設置頻率（手動測量時，用戶可設置頻率（z z）利用運放進行阻抗變換利用運放進行阻抗變換, ,考慮到其輸出電流一般為考慮到其輸出電流一般為20mA,20mA,對于一定幅度對于一定幅度的輸出需要接一個小電阻再接地的輸出需要接一個小電阻再接地, ,以免被測阻抗很小時以免被測阻抗很小時, ,輸

14、出失真輸出失真. .精密電阻的選擇要依賴于內阻和被測阻抗精密電阻的選擇要依賴于內阻和被測阻抗. .設計采用設計采用2 2個精密電阻個精密電阻( (200200歐歐,20K,20K),),被測阻抗在被測阻抗在1 15K5K之間之間, ,選用選用200200歐歐精密電阻精密電阻; ; 被測阻抗在被測阻抗在5K5K1M1M之間采用之間采用20K20K精密電阻精密電阻. .輸出信號幅度在輸出信號幅度在20mV20mV4V4V之間之間, ,通過程控放大通過程控放大, ,將電壓放大到合適的電壓范圍將電壓放大到合適的電壓范圍, ,再采樣再采樣. .信號獲取與放大部分通過儀用運放與數字電位器配合實現信號獲取與

15、放大部分通過儀用運放與數字電位器配合實現. .2+22+2通道同時采樣通道同時采樣每通道每通道1M/S1M/S轉換速率轉換速率1212位分辨率位分辨率數據串行輸出數據串行輸出低功耗低功耗(40mW)(40mW)ADS7861ADS7861主要特點主要特點: :ADS7861轉換時序圖 A/DA/D轉換時序和數據存儲時序由可編程邏輯器件轉換時序和數據存儲時序由可編程邏輯器件EPM128EPM128控制完成控制完成, , 采樣率達采樣率達1M/S1M/S. .關于采樣時序發生和數據存儲部分比較復雜關于采樣時序發生和數據存儲部分比較復雜, ,這里不作介紹這里不作介紹. .ADS7861ADS7861

16、硬件電路圖硬件電路圖 數據存儲模塊采用一片數據存儲模塊采用一片62256(32K62256(32K的的SRAM)SRAM)實現實現, ,其讀寫時序由其讀寫時序由CPLDCPLD控制實現控制實現. . USBUSB固件固件( (FirmWareFirmWare) )由由AT89C52AT89C52和和PDIUSBD12PDIUSBD12共同完成共同完成. .DATA01DATA12DATA23DATA34GND5DATA46DATA57DATA68DATA79ALE10CS_N11SUSPEND12CLKOUT13INT_N14A028VOUT27D+26D-25VDD24XTAL223XTAL

17、122GL_N21RESET_N20EOT_N19DMACK_N18DMREQ17WR_N16RD_N15A4PDIUSBD12P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.010P3.111P3.212P3.313P3.414P3.515P3.616P3.717XTAL218XTAL119GND20VCC40P0.039P0.138P0.237P0.336P0.435P0.534P0.633P0.732/EA31/PSEN29ALE30P2.728P2.627P2.526P2.425P2.324P2.223P2.122P2.021AT89C52

18、10K0.1uF10K 10KVCC10K10uFLED470RVCC6M33PF33PFVCC0.01uF 0.1uF18R18RVCC1V-2V+3GND4SHILD5USB1M1M2K0.1uF4.7uFDATA0DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5DATA6DATA7DATA0DATA1DATA2DATA3DATA4DATA5DATA6DATA7D12_INTD12_INTD12_CSD12_CS10K10uF12M30pF30pFGNDVCCGNDGNDVCCVCCGNDWRRDWRRDGNDGNDGNDGNDGNDGNDVCCGNDUSBUSB與單片機接口電路與單片機

19、接口電路 USBUSB固件代碼是一段通用的代碼固件代碼是一段通用的代碼, , 采用前后臺編程的思想采用前后臺編程的思想, ,具有可移植性具有可移植性. .工作時工作時, ,單片機一直在等待上層的命令單片機一直在等待上層的命令, ,判斷處理事件判斷處理事件, ,控制低層硬件實現控制低層硬件實現特定的功能特定的功能. .采集的數據先送到單片機采集的數據先送到單片機, ,單片機將數據通過單片機將數據通過USBUSB送到上層送到上層. .關于硬件驅動程序的開發關于硬件驅動程序的開發, ,這里不作介紹這里不作介紹. .設備設備 應用程序采用虛擬儀器軟件應用程序采用虛擬儀器軟件LABVIEW7.0LABV

20、IEW7.0和和LabSceneLabScene開發開發. . LABVIEWLABVIEW提供了提供了調用庫函數節點調用庫函數節點CLFCLF及及代碼代碼接口節點接口節點CINCIN等功能，使用戶可以開發自己等功能，使用戶可以開發自己的驅動程序的驅動程序. . 本應用程序通過本應用程序通過CLFCLF節點調用節點調用動態連接庫動態連接庫實實現和底層硬件通信現和底層硬件通信. .在循環開始前，先建立一個空數組，包標志在循環開始前，先建立一個空數組，包標志package=0package=0。循環中通過調用循環中通過調用read_read_usbusb( )( )函數從設備獲取數據函數從設備獲取數據( (每次每次6060個字節個字節,30,30個點個點) )存儲存儲1616次后退出循環，完成一次數據存儲。次后退出循環，完成一次數據存儲。數據處理采用最小二乘法數據處理采用最小二乘法, ,由于程序比較復雜由于程序比較復雜, ,將其做成將其做成SubViSubVi, ,供程序調用供程序調用. .注意注意: :運算點數盡量是整周期點數運算點數盡量是整周期點數, ,這樣處理的結