宋 永，楊 闊

(1.阿壩師范學(xué)院電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，四川汶川 623002；2.阿壩師范學(xué)院應(yīng)用物理研究所，四川汶川 623002)

0 引言

隨著智能化水平的提高以及制造工藝的進(jìn)步，電子元器件的體積趨于小型化[1]，無(wú)源器件的精度更加精確，工作頻率越來(lái)越高，這對(duì)LCR(電感、電容、電阻)測(cè)試儀器提出了更高的要求[2]。目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)LCR測(cè)試儀普遍存在測(cè)量精度低、測(cè)量頻率范圍小等缺點(diǎn)。為了克服這些缺陷，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種寬頻帶、高精度的LCR測(cè)試儀，其主要利用CPLD+DDS技術(shù)產(chǎn)生系統(tǒng)所需的精密信號(hào)源，以保證激勵(lì)信號(hào)的精度。采用矢量電壓/電流信號(hào)檢測(cè)電路和相敏檢波電路實(shí)現(xiàn)矢量信號(hào)的精密檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的LCR檢測(cè)儀具有測(cè)量速度快、準(zhǔn)確度高等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

LCR測(cè)量?jī)x檢測(cè)系統(tǒng)主要是由信號(hào)產(chǎn)生模塊、信號(hào)處理模塊、數(shù)據(jù)采集模塊以及電源模塊組成[4]。信號(hào)產(chǎn)生模塊用于產(chǎn)生高精度的激勵(lì)信號(hào)，將激勵(lì)信號(hào)施加到待測(cè)器件上。信號(hào)處理模塊是對(duì)施加到負(fù)載上的電壓電流信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理，保證電壓電流信號(hào)的精確性。數(shù)據(jù)采集模塊用于采集系統(tǒng)產(chǎn)生的反饋信號(hào)，并送入A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。電壓模塊則是為整個(gè)系統(tǒng)供電，系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

信號(hào)源產(chǎn)生適當(dāng)?shù)募?lì)信號(hào)加到待測(cè)器件的兩端，通過(guò)控制器調(diào)節(jié)自動(dòng)平衡電橋電路，選擇合適的采樣檔位，然后再將信號(hào)送入到阻抗測(cè)量系統(tǒng)中。利用混頻器求得激勵(lì)信號(hào)和反饋信號(hào)的相位差，再將混頻器輸出信號(hào)送入信號(hào)檢測(cè)電路，計(jì)算得到待測(cè)器件的阻抗Z。最終，根據(jù)相關(guān)公式，將阻抗Z轉(zhuǎn)換為L(zhǎng)、C、R值。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

LCR測(cè)量?jī)x的硬件電路主要包括信號(hào)源驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)檢測(cè)電路以及數(shù)字信號(hào)控制電路等。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示[5]。系統(tǒng)接入220 V交流電，通過(guò)相關(guān)整流濾波電路后轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)所需要的直流電?？刂破鳟a(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)驅(qū)動(dòng)待測(cè)器件，由信號(hào)檢測(cè)電路完成待測(cè)器件反饋信號(hào)的檢測(cè)，最終送入控制器中計(jì)算、處理，求得待測(cè)器件的L、C、R值。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 信號(hào)源產(chǎn)生電路

系統(tǒng)的信號(hào)源有電壓源和電流源兩種[6]。其中電壓源包括直流信號(hào)源和交流信號(hào)源，直流信號(hào)源用于測(cè)量直流電阻，而交流信號(hào)源用于測(cè)量復(fù)阻抗，信號(hào)源檢測(cè)原理圖如圖3所示。

圖3 信號(hào)源檢測(cè)原理圖

信號(hào)源電路在CPLD的控制下產(chǎn)生數(shù)字信號(hào)，經(jīng)外部D/A轉(zhuǎn)換后產(chǎn)生模擬信號(hào)，經(jīng)過(guò)程控放大和濾波電路之后產(chǎn)生相應(yīng)的直流信號(hào)和正弦交流信號(hào)。兩個(gè)信號(hào)在加法器中求和，得到系統(tǒng)所需要的電壓源驅(qū)動(dòng)信號(hào)。由于加法器輸出的信號(hào)功率很小，并不能直接去驅(qū)動(dòng)負(fù)載，因此需要在加法器輸出后加一個(gè)功率放大電路[7]。本文選用推挽式功率放大電路實(shí)現(xiàn)功率放大，硬件電路如圖4所示。

圖4 推挽式功率放大電路

為了避免交越失真，在電路中加入電阻R45、R46和二極管D1、D2，為三極管Q1、Q2提供直流偏置，使得其處于微導(dǎo)通狀態(tài)。由于信號(hào)源的內(nèi)阻大約為10 Ω，電壓信號(hào)源的有效值約20 V，因此經(jīng)過(guò)功率放大電路后系統(tǒng)的輸出的最大功率達(dá)20 W，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

本文設(shè)計(jì)的LCR測(cè)量?jī)x，有些情況需要使用恒流源作為激勵(lì)信號(hào)，因此還需要設(shè)計(jì)一路可控電流源作為激勵(lì)信號(hào)的一部分[8]。當(dāng)電流源替代電壓信號(hào)時(shí)，將電流源串聯(lián)接入檢測(cè)電路中，檢測(cè)示意圖如圖5所示。

圖5 電流源檢測(cè)原理圖

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了0～1 A的電流輸出，單片機(jī)內(nèi)部的12位D/A轉(zhuǎn)換器控制輸出0～3.3 V的電壓。當(dāng)加在負(fù)載ZL上的電壓在0～3.3 V波動(dòng)時(shí)，負(fù)載上的電流在0～1 A之間連續(xù)變化，硬件電路如圖6所示。

圖6 壓控恒流源電路圖

2.2 檢測(cè)電路

當(dāng)利用信號(hào)源激勵(lì)待測(cè)器件時(shí)，在待測(cè)器件的另一端就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)反饋信號(hào)[9-10]。反饋信號(hào)中含有直流和交流成分，其中直流信號(hào)可以直接利用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，交流信號(hào)則需要通過(guò)乘法器電路進(jìn)行相關(guān)處理。將產(chǎn)生的交流信號(hào)和同頻率的參考信號(hào)送入乘法器中，則其輸出信號(hào)中含有高頻和低頻分量，再通過(guò)低通濾波器得到低頻直流分量。檢測(cè)示原理圖如圖7所示。

圖7 反饋信號(hào)檢測(cè)原理圖

2.3 電源電路

本文設(shè)計(jì)了一套直流穩(wěn)壓電源給測(cè)量系統(tǒng)供電。直流穩(wěn)壓電源分為4個(gè)部分：電源變壓器、整流部分、濾波部分以及穩(wěn)壓部分[11]。系統(tǒng)接入220 V交流電，經(jīng)過(guò)電源EMI濾波器濾波之后送入變壓器，最終經(jīng)過(guò)整流和穩(wěn)壓電路得到系統(tǒng)所需的各項(xiàng)直流電源。電源硬件原理圖如圖8所示。

圖8 電源電路原理圖

3 LCR測(cè)試儀軟件的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括兩路DDS程序、壓控電流源產(chǎn)生程序、定時(shí)器中斷程序、A/D采用程序以及最小系統(tǒng)程序等。其中CPLD采用VHDL語(yǔ)言編寫，ARM采用C語(yǔ)言編寫。當(dāng)接通電源時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)，首先由CPLD控制產(chǎn)生兩路激勵(lì)信號(hào)，經(jīng)功率放大電路之后去驅(qū)動(dòng)待測(cè)器件，檢測(cè)電路檢測(cè)到的反饋信號(hào)經(jīng)處理后被單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器采集，計(jì)算得出待測(cè)器件的阻抗值，最終轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的L、C、R的值。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

為了進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測(cè)量的準(zhǔn)確性，現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)做如下測(cè)試：利用日本日置的LCR測(cè)試儀IM3536對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的電阻器和電容器進(jìn)行測(cè)試，將測(cè)試數(shù)據(jù)與本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，對(duì)同一器件重復(fù)測(cè)試20次，計(jì)算平均值和方差，對(duì)于電容器件，主要測(cè)量并聯(lián)電容量Cp和損耗因素D；對(duì)于電阻器主要測(cè)量電阻Rs，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1、表2所示。

表1 并聯(lián)電容和損耗因素測(cè)量數(shù)據(jù)對(duì)比

表2 電阻測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比

由測(cè)試數(shù)據(jù)可知，對(duì)同一器件連續(xù)測(cè)量20次，其測(cè)量平均值與實(shí)際值幾乎一致，說(shuō)明系統(tǒng)檢測(cè)精度較高；測(cè)量的方差小于0.05%，說(shuō)明系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。通過(guò)與日置IM3536的LCR測(cè)試對(duì)比可知，本文設(shè)計(jì)的LCR測(cè)試儀的各項(xiàng)性能指標(biāo)略低于IM3536，但測(cè)量精度相對(duì)于國(guó)內(nèi)產(chǎn)品已經(jīng)提高了很多。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種高精度LCR檢測(cè)儀，為了避免電壓紋波對(duì)系統(tǒng)檢測(cè)精度的影響，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了線性電源電路給各個(gè)子系統(tǒng)供電。其次，系統(tǒng)采用CPLD+DDS技術(shù)產(chǎn)生所需的精密激勵(lì)信號(hào)源，利用矢量電壓/電流信號(hào)檢測(cè)電路和相敏檢波電路實(shí)現(xiàn)矢量信號(hào)的精密檢測(cè)，從而計(jì)算得到待測(cè)器件的阻抗值。實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)對(duì)元器件的各個(gè)參數(shù)(Cp、D、Rs)的測(cè)量精度高，測(cè)量方差小于0.05%，穩(wěn)定性好，符合設(shè)計(jì)預(yù)期。