李沼岐 王道發(fā) 陳愛平 顧大偉

基于LabVIEW的4284A-LCR測量系統(tǒng)開發(fā)

李沼岐 王道發(fā) 陳愛平 顧大偉

（南京工業(yè)大學(xué)數(shù)理科學(xué)學(xué)院，江蘇 南京 211800）

利用LabVIEW開發(fā)安捷倫4284A-LCR測量儀的多功能測量系統(tǒng)。采用Keithley-GPIB488轉(zhuǎn)接線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)USB端口與4284A-LCR測量儀GPIB端口的物理連接；LabVIEW中的VISA通訊函數(shù)配合4284A-LCR的指令集開發(fā)測量系統(tǒng)的各功能模塊，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)程序控制4284A-LCR測量儀。在集成4284A-LCR測量儀前面板測量功能的基礎(chǔ)上，測量系統(tǒng)增加了快速設(shè)定頻率范圍、介電頻譜測量、實(shí)時圖形化顯示數(shù)據(jù)以及測量數(shù)據(jù)存儲等功能。結(jié)合加熱裝置和3146A萬用表測溫功能，該系統(tǒng)還能夠?qū)崿F(xiàn)介電溫譜的測量。

LabVIEW；介電頻譜；介電溫譜；LCR測量系統(tǒng)

0 引言

LCR測量儀（也稱LCR表）是一種常規(guī)電學(xué)測量儀器，能夠測量器件或材料的電感、電容、電阻、阻抗等參數(shù)[1]。國內(nèi)外不同公司推出了各種檔次的LCR測量儀。4284A-LCR測量儀是安捷倫公司的一款中端LCR表，在國內(nèi)高校和科研院所應(yīng)用廣泛。早期4284A-LCR測量儀的開發(fā)主要利用BASIC語言，與目前流行的虛擬儀器開發(fā)工具差距較大。

LabVIEW是一款基于G語言的虛擬儀器軟件開發(fā)工具[2]，是目前應(yīng)用較廣的虛擬儀器軟件平臺之一。LabVIEW平臺程序編寫過程便捷，控件選擇豐富多樣，程序框圖清晰直觀，廣泛應(yīng)用于儀器控制、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)顯示等領(lǐng)域[3-5]。

本文設(shè)計(jì)基于LabVIEW的4284A-LCR測量系統(tǒng)，并在計(jì)算機(jī)端完整移植4284A-LCR的測量功能，增加了自動掃頻測量和介電溫譜測量等功能。該測量系統(tǒng)可圖形化實(shí)時顯示測量數(shù)據(jù)，且存儲測量數(shù)據(jù)方便快捷。

1 計(jì)算機(jī)與4284A-LCR通訊連接

4284A-LCR測量儀提供通用接口總線（general purpose interface bus，GPIB）接口，能夠運(yùn)行可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令，計(jì)算機(jī)通過GPIB控制卡與其相連，使測量工作快捷、簡便、精確、高效[6]。本測量系統(tǒng)利用Keithley-GPIB488轉(zhuǎn)接線將計(jì)算機(jī)USB端口與4284A-LCR的GPIB接口相連接，在計(jì)算機(jī)端運(yùn)行程序即可實(shí)現(xiàn)儀器程序控制和數(shù)據(jù)傳輸。

1.1 VISA協(xié)議程序

本文利用LabVIEW中標(biāo)準(zhǔn)的輸入/輸出應(yīng)用程序編程接口虛擬儀器軟件結(jié)構(gòu)（virtual instrument soft-ware architecture, VISA）控制儀器。VISA是對其他總線驅(qū)動函數(shù)統(tǒng)一封裝的一個高層應(yīng)用程序接口（application programming interface, API）[7]。LabVIEW內(nèi)置多個VISA函數(shù)方便開發(fā)者調(diào)用，實(shí)現(xiàn)不同功能。

本文基于LabVIEW開發(fā)的4284A-LCR讀寫子虛擬儀器（virtual instrument, VI）程序框圖如圖1所示。該子VI主要由5個VISA函數(shù)構(gòu)成：VISA打開函數(shù)、VISA設(shè)備清零函數(shù)、VISA寫入函數(shù)、VISA讀取函數(shù)和VISA關(guān)閉函數(shù)[8]。本文測量系統(tǒng)的各功能模塊都是利用該子VI進(jìn)一步開發(fā)得到的。

1 基于LabVIEW開發(fā)的4284A-LCR讀寫子VI程序框圖

1.2 指令語法

根據(jù)安捷倫公司提供的指令語法及測試功能，本文編寫4284A-LCR測量系統(tǒng)程序所需的各功能模塊子VI，如圖2所示。通過程序向4284A-LCR發(fā)送指令，可方便對測量系統(tǒng)的功能、量程、運(yùn)行速度、電平、偏置電壓及頻率范圍等參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

圖2 4284A-LCR不同功能模塊子VI

2 4284A-LCR測量系統(tǒng)

基于LabVIEW平臺開發(fā)的測量系統(tǒng)不僅集成了4284A-LCR前面板各按鍵的功能，還增加掃頻、介電頻譜測量和介電溫譜測量功能。此外，該系統(tǒng)還能夠圖形化實(shí)時顯示測量數(shù)據(jù)，并改善4284A-LCR的數(shù)據(jù)保存功能。4284A-LCR測量系統(tǒng)可分為生成測量指令模塊、圖形化實(shí)時顯示模塊及測量數(shù)據(jù)存儲模塊3個功能模塊。

2.1 生成測量指令并寫入儀器

基于LabVIEW的4284A-LCR測量系統(tǒng)生成測量指令模塊的后面板程序框圖如圖3所示。程序運(yùn)行時將相關(guān)指令以字符串的形式發(fā)送給各功能模塊子VI，從而使4284A-LCR測量儀按照對應(yīng)的指令進(jìn)行測量。

圖3 生成測量指令模塊的后面板程序框圖

2.2 介電頻譜測量與實(shí)時圖形化顯示

在交變電場作用下，由于電介質(zhì)電容率與電場頻率有關(guān)，電介質(zhì)有弛豫現(xiàn)象。在研究元器件的頻率特性時，通常使用LCR測量儀的掃頻測量功能。本測量系統(tǒng)掃頻測量功能程序框圖如圖4所示，該功能通過定時結(jié)構(gòu)循環(huán)實(shí)現(xiàn)。根據(jù)設(shè)定的初始頻率、最終頻率和步長，可計(jì)算測量循環(huán)總次數(shù)及單次測量循環(huán)所對應(yīng)的頻率。利用移位寄存器將測量的頻率和電參數(shù)分別生成一維數(shù)組，傳遞給-波形圖控件，即可在系統(tǒng)界面圖形化實(shí)時顯示測量的介電頻譜數(shù)據(jù)。

2.3 介電溫譜測量

在研究介電材料電參量的過程中，周圍環(huán)境溫度變化直接影響材料的介電性能。為豐富4284A-LCR測量儀的測量功能，本文通過增加控溫加熱裝置和測溫模塊，設(shè)計(jì)一套介電溫譜的測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)能夠在測量過程中有效反映被測對象各電參數(shù)與溫度之間的變化關(guān)系。介電溫譜測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖4 測量系統(tǒng)掃頻測量功能程序框圖

介電溫譜測量系統(tǒng)選用3146A多功能數(shù)字萬用表實(shí)現(xiàn)測溫功能[9]。在系統(tǒng)操作界面可設(shè)置3146A的測量參數(shù)，如圖6所示。采用3146A的四線法電阻測量功能實(shí)時測量樣品旁PT1000溫度傳感器的電阻，在程序中利用LabVIEW自帶的Convert RTD Reading. VI將電阻值轉(zhuǎn)換成實(shí)時溫度值。

圖6 介電溫譜測量系統(tǒng)界面

同理，利用移位寄存器配合定時結(jié)構(gòu)循環(huán)，可分別得到溫度和電參數(shù)2個一維數(shù)組；再利用-波形圖控件，實(shí)時顯示測量的介電溫譜數(shù)據(jù)。

2)在密閉容器多相物料料位監(jiān)測裝置上設(shè)計(jì)一套磁力驅(qū)動清洗裝置，當(dāng)法蘭盤上的攝像窗及光源照射窗受筒形密閉容器內(nèi)多相物料沾染模糊不清時，通過噴水清洗管和清洗盤上的橡膠清洗條對法蘭盤上的攝像窗及光源照射窗進(jìn)行清洗，保證攝像窗及光源照射窗的清晰度，為針對密閉容器中多相物料料位的可持續(xù)監(jiān)測提供了有力保障.

2.4 數(shù)據(jù)保存

在介電頻譜和介電溫譜測量過程中會產(chǎn)生大量的測量數(shù)據(jù)。而4284A-LCR測量儀原有的數(shù)據(jù)保存功能無法滿足現(xiàn)在的測量需要。在數(shù)據(jù)存儲方面，LabVIEW提供豐富的控件和子VI選擇[10]。利用LabVIEW基礎(chǔ)軟件包內(nèi)的“寫入測量文件”子VI可將測量數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。測量數(shù)據(jù)保存程序框圖如圖7所示，測量系統(tǒng)將測量結(jié)束后的數(shù)據(jù)以數(shù)組的形式傳遞給“寫入測量文件”子VI，利用事件結(jié)構(gòu)決定是否保存當(dāng)前數(shù)據(jù)。

圖7 測量數(shù)據(jù)保存程序框圖

3 測量系統(tǒng)驗(yàn)證

3.1 介電頻譜

為檢驗(yàn)基于LabVIEW的4284A-LCR測量系統(tǒng)的性能，本文測量瓷片電容（104）在20Hz ～ 20 kHz范圍內(nèi)的頻率特性，如圖8所示。

其中表示并聯(lián)電容，表示損耗因子，表示泄漏電阻，表示電導(dǎo)，表示電納，表示等效電阻，表示電抗，表示阻抗，°表示損耗角，表示串聯(lián)電容，表示品質(zhì)因子。

圖8 瓷片電容不同電參數(shù)隨頻率的變化關(guān)系

由圖8可看出，該測量系統(tǒng)得到的瓷片電容頻率特性與廠家給出的特征基本相符[11]。

3.2 介電溫譜

本文進(jìn)一步測量常見電容器電參數(shù)隨溫度的變化情況。在一定溫度范圍內(nèi)104瓷片電容的電參數(shù)隨溫度的變化關(guān)系如圖9所示。

4 結(jié)論

利用LabVIEW軟件對儀表進(jìn)行二次開發(fā)，可擴(kuò)展儀表的測量功能，能夠更加靈活地運(yùn)用現(xiàn)有儀器資源。本文基于LabVIEW開發(fā)4284A-LCR測量系統(tǒng)，通過Keithley-GPIB488轉(zhuǎn)接線實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)與4284A-LCR的通訊連接；在系統(tǒng)界面復(fù)現(xiàn)4284A-LCR的前面板功能；并增添圖形化實(shí)時顯示測量數(shù)據(jù)、自動掃頻測量、便捷存儲測量數(shù)據(jù)等功能。配合3146A萬用表的測溫功能，該系統(tǒng)還可實(shí)現(xiàn)介電溫譜的測量。這種將計(jì)算機(jī)、軟件及儀器相結(jié)合的虛擬儀器模式可更充分、高效地發(fā)揮普通儀器的測量功能，為科研人員提供更大助力。

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Development of 4284A-LCR Measurement System Based on LabVIEW

Li Zhaoqi Wang Daofa Chen Aiping Gu Dawei

(Department of Physics, School of Mathematical Sciences, Nanjing Tech. University, Nanjing 211800, China)

A multifunctional measurement program for the Agilent 4284A-LCR instrument was developed based on LabVIEW. The computer and the 4284A-LCR instrument was connected by a Keithley-GPIB488 adapter cable. The VISA communication functions of LabVIEW and the program commands of 4284A were used to develop the functional modules of the measurment program. In this way, the 4284A-LCR instrument is controlled by a computer program. All keys functions on the 4284A-LCR front panel were ported into this program. Further, functions such as frequency range fast setting, dielectric spectrum measurement, real-time graphical display data and measurement data storage were integrated in this program. Combining a heating device with 3146A multimeter, the system was also capable of measuring dielectric temperature spectra.

LabVIEW; frequency-dependent electrical parameters spectra; temperature dielectric spectrum; measuring system of LCR

李沼岐，男，1999年生，本科在讀，主要研究方向：虛擬儀器技術(shù)及單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用。

顧大偉（通信作者），男，1978年生，工學(xué)博士，副教授，主要研究方向：虛擬儀器技術(shù)及光電功能材料。E-mail: dwgu@njtech.edu.cn

TP274+.2

A

1674-2605(2021)05-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.05.006