賴樹明等

摘要：為研制一種基于AD采樣法LCR測量儀，文章通過測試信號電路，配合自動平衡電橋、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、FPGA和MCU微處理器，實現(xiàn)了儀器的小型化和智能化。實驗中系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，滿足設(shè)計要求，實驗表明該設(shè)計方法是行之有效的。

關(guān)鍵詞：采樣；FFT；LCR測量儀；數(shù)字平衡電橋 文獻標(biāo)識碼：A

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

LCR測量儀是產(chǎn)品研發(fā)、生產(chǎn)、維護過程中必不可少的一種儀器，它能準(zhǔn)確測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，測量儀器不斷往小型化和智能化的方向發(fā)展。本測量儀充分運用了微處理器的運算能力和控制能力，大大減少了硬件電路，能自動測量電阻R、電容C、電感L、品質(zhì)因素Q、損耗角正切值D。

1 測量原理

對阻抗進行測量方法一般有：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量方法，精度差，調(diào)試?yán)щy，很難實現(xiàn)自動測量。本測量儀采用的自動平衡電橋電路對未知阻抗進行測量，用矢量電壓電流法對阻抗進行計算。自動平衡電橋電路如圖1所示：

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

在實際電路中，會有各種噪聲和干擾，因此所加測試信號并不是純凈的正弦波，對測量結(jié)果會產(chǎn)生影響。所以在對采樣數(shù)據(jù)進行FFT后，信號分解成直流分量，基波分量和高次諧波分量。在進行阻抗計算時，只需提取有用的基波分量進行計算，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測量結(jié)果的影響，同時使測量結(jié)果不受運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

本測量儀主要由測試信號發(fā)生電路、自動平衡電橋電路、模擬天關(guān)與調(diào)理電路、AD模數(shù)轉(zhuǎn)換器、FPGA、單片機等組成，系統(tǒng)框如圖2所示：

測試信號發(fā)生電路產(chǎn)生正弦測試信號，加到自動平衡電橋，模擬開關(guān)在單片機的控制下，分別地將Ux和Ur通過調(diào)理電路送往AD轉(zhuǎn)換器，由AD轉(zhuǎn)換器進行一個信號周期Ts數(shù)據(jù)的采樣，兩次采樣的時間間隔為信號周期的整數(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)傳到單片機進行運算。

2.1 正弦測試信號

由于本測量儀用采樣的方法實現(xiàn)對參數(shù)的測量，因此，測試信號的頻率的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度越高，采樣的數(shù)據(jù)越接近一個周期，計算出的結(jié)果精度越高。所以本測量儀的正弦測試信號選用AD公司的DDS芯片AD9833來產(chǎn)生，因此電路簡單，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軟件進行編程，以便于調(diào)諧。無需外部元件。頻率寄存器為28位；當(dāng)時鐘速率為25MHz時，可以實現(xiàn)0.1Hz的分辨率。同樣，當(dāng)時鐘速率為1MHz時，可以實現(xiàn)0.004Hz的調(diào)諧分辨率。

本設(shè)計用FPGA對AD9833進行控制，產(chǎn)生100Hz、1K、10K、100K四個頻率的測試信號。

2.2 AD轉(zhuǎn)換器

AD轉(zhuǎn)換器是本測量系統(tǒng)的關(guān)鍵器件，在本系統(tǒng)中，阻抗的測量是通過測理矢量電壓Ux和Ur來實現(xiàn)的，而Ux和Ur是直接由AD轉(zhuǎn)換器進行采樣，然后用采樣數(shù)據(jù)計算得出的。因此，AD轉(zhuǎn)換器的性能直接關(guān)系到測量的精度。根據(jù)本設(shè)計的需要，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)置一個高性能采樣保持放大器（SHA）和基準(zhǔn)電壓源。AD9235采用多級差分流水線架構(gòu)，內(nèi)置輸出糾錯邏輯，在20/40/65MSPS數(shù)據(jù)速率時可提供12位精度，并保證在整個工作溫度范圍內(nèi)無失碼。

3 軟件設(shè)計

本系統(tǒng)中采樣和FFT運算都是由FPGA完成，微處理器只需負(fù)責(zé)簡單的阻抗計算和測量控制，因此只需選用普通8位單片機，本測量儀選擇STC的8位接增強型單片機，用C語言編寫LCR測量儀的軟件，軟件的流程圖如圖3所示。

在測量的過程中，測量儀要自動選擇合適的參考電阻，程序通過控制模擬開關(guān)，依次選每個參考電阻，比較各個參考電阻下Ux與Ur峰值之差，當(dāng)Ux與Ur峰值之差最小時的參電阻就被中，然后進行計算。為了減少器件，本測量儀沒有用峰值檢測器，Ux與Ur的峰值同樣是通過采樣后進行FFT運算得出的。本測量儀有四個參考電阻，因此一次測量就需要5次FFT運算，每次都采同樣多點所用時間太長，因此在確定參考電阻時每周期只采8個點，當(dāng)參考電阻確定后，再采樣32點進行運算。

4 結(jié)語

實驗證明：采用采樣方法的LCR測量儀，通過FPGA和單片機結(jié)合，使LCR的測量實現(xiàn)數(shù)字化，硬件結(jié)構(gòu)簡單，抗干擾能力強，精度更高。如何進一步提高測量范圍以滿足要求更高的場合是我們下一步的工作重點。

參考文獻

[1] 古天祥.電子測量原理[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[2] 周生景.高精度LCR測量系統(tǒng)的設(shè)計研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2003，（3）.

[3] 譚瑞.寬帶阻抗測量儀設(shè)計[D].哈爾濱理工大學(xué)，2009.

[4] 趙茂泰.智能儀器原理及應(yīng)用[M].北京：電子工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

[5] 李念強，劉亞，經(jīng)亞枝.一種新型RLC數(shù)字電橋的研究[J].南京航空航天大學(xué)學(xué)報，2001，33（5）.

[6] 王金明.數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與VerilogHDL（第2版）[M].北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[7] 李念強，張煥春，禹艾芹.數(shù)字相敏檢波器的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電測與儀表，2001，38（425）.

[8] 劉人茂.智能儀器（單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計）[M].北京：機械工業(yè)出版社，1998.

基金項目：2013年市社會科技發(fā)展項目（2013108101012）；2013年度校級教育教學(xué)改革與研究項目（E1359108）；2014廣東省高等教育教學(xué)改革項目（GDJG20142470）；2013年東莞市?？萍加媱澁a(chǎn)學(xué)研合作項目（2013509124214）。

作者簡介：賴樹明（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）