LabVIEW-LCR测试仪

1、基于基于USBUSB的的LCRLCR测试仪测试仪2009年年5月月14日日 方案比较与选择方案比较与选择 自由轴法的测量原理自由轴法的测量原理 虚拟虚拟LCRLCR测试仪的测试原理测试仪的测试原理 虚拟虚拟LCRLCR测试仪的硬件设计测试仪的硬件设计 虚拟虚拟LCRLCR测试仪的软件设计测试仪的软件设计 测试结果及分析测试结果及分析参数的测量主要有：参数的测量主要有：一、电桥法一、电桥法二、谐振法二、谐振法三、伏安法（固定轴法，自由轴法）三、伏安法（固定轴法，自由轴法）缺点缺点: :测量时需要反复进行平衡调节，测量时需要反复进行平衡调节，测量时间长测量时间长测量量程范围小测量量程范围小, ,对

2、于很大的测量对于很大的测量范围，只能用分段测量法，造成范围，只能用分段测量法，造成各段测量精度不一致各段测量精度不一致交流阻抗电桥的平衡条件复杂、交流阻抗电桥的平衡条件复杂、收敛性差、桥路结构复杂，需要收敛性差、桥路结构复杂，需要标准的电抗元件，器件多、成本标准的电抗元件，器件多、成本高，且抗干扰性差高，且抗干扰性差 平衡电桥法测试原理图平衡电桥法测试原理图优点优点: :测量精度高测量精度高电桥平衡时有电桥平衡时有: :123xZZZZ 谐振法常用在高频条件下，测量方法简单，但是谐振法常用在高频条件下，测量方法简单，但是精度不高，易受温度等因素的影响。精度不高，易受温度等因素的影响。 LCLC

3、串联谐振电路串联谐振电路 012fLC谐振频率谐振频率: : 当激励源的频率等于谐振频率时，网络便发生串联当激励源的频率等于谐振频率时，网络便发生串联谐振现象。此时谐振现象。此时,L,L、C C上的电压相等上的电压相等, ,电路呈纯阻性。电路呈纯阻性。1234xxsssUUjUZRRUUjU 信号源内阻被测阻抗标准电阻实际测量时实际测量时, ,先分别测出各个矢量电压的两个分量先分别测出各个矢量电压的两个分量, ,再通过一系列的运算得到被测阻抗再通过一系列的运算得到被测阻抗. .伏安法有伏安法有固定轴固定轴和和自由轴自由轴之分之分. .激励源-标准正弦信号12123433()xxssssUUjU

4、UUZRRjRUUjUUU 相敏检波器的相敏检波器的相位参考基准必须严格地与分母位置上的矢量一致相位参考基准必须严格地与分母位置上的矢量一致, ,这样分母只有实部分量这样分母只有实部分量, ,使矢量除法简化为两个标量的除法使矢量除法简化为两个标量的除法. . 利用利用双斜积分式双斜积分式A/DA/D转换器的比例特性可以实现转换器的比例特性可以实现. .缺点缺点: :为了固定坐标轴为了固定坐标轴, ,确保精确的相位关系确保精确的相位关系, ,硬件需要付出相当大硬件需要付出相当大的代价的代价. .固定轴法固定轴法: :1234xxsssUUjUZRRUUjU 相敏检波器的相敏检波器的相位参考基准可

5、以任意选择相位参考基准可以任意选择, ,即即x,yx,y轴坐标可任意选轴坐标可任意选择择. .只要保持只要保持2 2个坐标轴严格正交个坐标轴严格正交. .从而硬件电路简化从而硬件电路简化, ,准确度提高准确度提高. . 现在现在, ,智能智能LCRLCR测试仪器大多采用这种方案测试仪器大多采用这种方案. .测量时测量时, ,先用先用0 0度相位信号作为基准信号度相位信号作为基准信号, ,分分2 2次测出次测出UsUs和和UxUx在在X X轴坐轴坐标上的投影标上的投影(U3(U3和和U1);U1);然后用然后用9090度相位信号作为基准信号度相位信号作为基准信号, ,分分2 2次测次测出出UsU

6、s和和UxUx在在Y Y轴坐标上的投影轴坐标上的投影(U4(U4和和U2).U2).最后最后, ,带入公式计算带入公式计算. .具体的投影分量的测量通过积分式具体的投影分量的测量通过积分式A/DA/D来完成来完成. .自由轴法自由轴法: :1( 12)( 12)22cos()sin()2jjjjssssjssssUUeUUUUUZeReReRjRIIUUUUIe cosSSUURR SSfUURL2sin 如图如图, ,标准电阻标准电阻RsRs和被测元件和被测元件Z Z组组成串联电路成串联电路, ,由标准正弦信号激励由标准正弦信号激励. . 设设RsRs两端电压有效值为两端电压有效值为Us.

7、ZUs. Z两端电压有两端电压有效值为效值为U,U,电压电压、电流的相位差为电流的相位差为. .如果被测元件为如果被测元件为电容电容C C，则，则以串联等效电路为例以串联等效电路为例: :如果被测元件为如果被测元件为电阻电阻R R，则，则如果被测元件为如果被测元件为电电感感L L，则，则sin2SSfURUC 虚部为其分布参量虚部为其分布参量. .实部为其串联等效电阻实部为其串联等效电阻. .实部为其串联等效电阻实部为其串联等效电阻. .标准电阻标准电阻RsRs和测试频率和测试频率f f是已知的是已知的, ,关键是求关键是求有效值有效值Us Us 、U U和和相位差相位差. . 对于两列同频正

8、弦信号对于两列同频正弦信号( (频率已知频率已知),),如何求幅度如何求幅度, ,相位差等参量相位差等参量? ?数字信号处理数字信号处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: :两同频正弦信号两同频正弦信号( (频率已知频率已知),),以频率以频率f f进行采样，得到两组采样值进行采样，得到两组采样值. .通过这两组采样值就可以计算两列信号的幅度和相位差通过这两组采样值就可以计算两列信号的幅度和相位差. .相关算法相关算法121( )0.6cos2( )sinf xfx序列：序列 ： 假定标准电阻为假定标准电阻为1K1K，分别和，分别和2K2

9、K的电阻、的电阻、1uF1uF的电容、的电容、1H1H的的电感组成串联电路，激励源为电感组成串联电路，激励源为100Hz100Hz的正弦信号的正弦信号 R R、L L、C C串联分压电路串联分压电路 仿真结果仿真结果sin(2)1002sin(2)100nn标准电阻的电压采样波形：被测电阻的电压采样波形：sin(2)100cos(2)5100nn标准电阻的电压采样波形：被测电感的电压采样波形：仿真结果仿真结果仿真结果仿真结果cos(2)1005:sin(2)100nn标准电阻的电压采样波形：被测电容的电压采样波形 该方案是可行的该方案是可行的, ,只要只要对标准电阻和被测元件两端对标准电阻和被

10、测元件两端的电压进行同时采样的电压进行同时采样, ,再利用最小二乘法计算相位再利用最小二乘法计算相位差和有效值差和有效值, ,带入相应的计算公式带入相应的计算公式, ,就可以求出被就可以求出被测参数测参数. . 缺点：测量速度相对较慢缺点：测量速度相对较慢前前端端电电路路 正弦信号发生器正弦信号发生器同同时时采采样样数据存储数据存储单单片片机机接接口口电电路路被被测测元元件件USB接口接口时序控制时序控制AD9850PDIUSBD12ADS786189C52模拟开关模拟开关/继电器继电器FIFO/SRAMCPLD导通电阻大导通电阻小贵便宜虚拟虚拟LCRLCR测试仪原理框图测试仪原理框图 USB

11、USB总线可为外设提供最多总线可为外设提供最多500mA500mA的电流，对于一的电流，对于一般的小型外设可以通过总线供电，不再需要外部般的小型外设可以通过总线供电，不再需要外部电源。因此，本设计直接采用供电。但是，电源。因此，本设计直接采用供电。但是，模拟电路部分（比如运放）必须要双电源供电，模拟电路部分（比如运放）必须要双电源供电，因此要设计因此要设计- -电源。可以通过电源。可以通过 DC-DCDC-DC转换芯片转换芯片MAX735MAX735或或TPS67351TPS67351实现实现激励源：激励源：激励源大多为正弦信号激励源大多为正弦信号一般选取几个频率点进行测量（一般选取几个频率点

12、进行测量（100Hz,1KHz,10KHz100Hz,1KHz,10KHz等）等）对特殊要求，测试频率可任意设定，范围可达对特殊要求，测试频率可任意设定，范围可达50Hz50Hz5MHz5MHz正弦信号产生方法：正弦信号产生方法：利用锁相环利用锁相环(PLL)(PLL)技术实现频率合成；技术实现频率合成；对方波信号进行带通滤波；对方波信号进行带通滤波；采用数字合成技术设计正弦信号源；采用数字合成技术设计正弦信号源；采用合成芯片采用合成芯片为了实现仪器微型，低功耗的特点，本设计采用为了实现仪器微型，低功耗的特点，本设计采用合成芯片合成芯片AD9850AD9850. .控制信号控制信号数据数据位频

13、率控制字位频率控制字位相位控制字位相位控制字的输出经带通滤波，变成交流正弦信号作为激励信号的输出经带通滤波，变成交流正弦信号作为激励信号32/2outconclkinfWf输出频率自动测量时，采用自动测量时，采用100Hz,1KHz,10KHz100Hz,1KHz,10KHz等频点测量等频点测量手动测量时，用户可设置频率（手动测量时，用户可设置频率（z z）利用运放进行阻抗变换利用运放进行阻抗变换, ,考虑到其输出电流一般为考虑到其输出电流一般为20mA,20mA,对于一定幅度对于一定幅度的输出需要接一个小电阻再接地的输出需要接一个小电阻再接地, ,以免被测阻抗很小时以免被测阻抗很小时, ,输

14、出失真输出失真. .精密电阻的选择要依赖于内阻和被测阻抗精密电阻的选择要依赖于内阻和被测阻抗. .设计采用设计采用2 2个精密电阻个精密电阻( (200200欧欧,20K,20K),),被测阻抗在被测阻抗在1 15K5K之间之间, ,选用选用200200欧欧精密电阻精密电阻; ; 被测阻抗在被测阻抗在5K5K1M1M之间采用之间采用20K20K精密电阻精密电阻. .输出信号幅度在输出信号幅度在20mV20mV4V4V之间之间, ,通过程控放大通过程控放大, ,将电压放大到合适的电压范围将电压放大到合适的电压范围, ,再采样再采样. .信号获取与放大部分通过仪用运放与数字电位器配合实现信号获取与

15、放大部分通过仪用运放与数字电位器配合实现. .2+22+2通道同时采样通道同时采样每通道每通道1M/S1M/S转换速率转换速率1212位分辨率位分辨率数据串行输出数据串行输出低功耗低功耗(40mW)(40mW)ADS7861ADS7861主要特点主要特点: :ADS7861转换时序图 A/DA/D转换时序和数据存储时序由可编程逻辑器件转换时序和数据存储时序由可编程逻辑器件EPM128EPM128控制完成控制完成, , 采样率达采样率达1M/S1M/S. .关于采样时序发生和数据存储部分比较复杂关于采样时序发生和数据存储部分比较复杂, ,这里不作介绍这里不作介绍. .ADS7861ADS7861

16、硬件电路图硬件电路图 数据存储模块采用一片数据存储模块采用一片62256(32K62256(32K的的SRAM)SRAM)实现实现, ,其读写时序由其读写时序由CPLDCPLD控制实现控制实现. . 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与单片机接口电路与单片机

19、接口电路 USBUSB固件代码是一段通用的代码固件代码是一段通用的代码, , 采用前后台编程的思想采用前后台编程的思想, ,具有可移植性具有可移植性. .工作时工作时, ,单片机一直在等待上层的命令单片机一直在等待上层的命令, ,判断处理事件判断处理事件, ,控制低层硬件实现控制低层硬件实现特定的功能特定的功能. .采集的数据先送到单片机采集的数据先送到单片机, ,单片机将数据通过单片机将数据通过USBUSB送到上层送到上层. .关于硬件驱动程序的开发关于硬件驱动程序的开发, ,这里不作介绍这里不作介绍. .设备设备 应用程序采用虚拟仪器软件应用程序采用虚拟仪器软件LABVIEW7.0LABV

20、IEW7.0和和LabSceneLabScene开发开发. . LABVIEWLABVIEW提供了提供了调用库函数节点调用库函数节点CLFCLF及及代码代码接口节点接口节点CINCIN等功能，使用户可以开发自己等功能，使用户可以开发自己的驱动程序的驱动程序. . 本应用程序通过本应用程序通过CLFCLF节点调用节点调用动态连接库动态连接库实实现和底层硬件通信现和底层硬件通信. .在循环开始前，先建立一个空数组，包标志在循环开始前，先建立一个空数组，包标志package=0package=0。循环中通过调用循环中通过调用read_read_usbusb( )( )函数从设备获取数据函数从设备获取数据( (每次每次6060个字节个字节,30,30个点个点) )存储存储1616次后退出循环，完成一次数据存储。次后退出循环，完成一次数据存储。数据处理采用最小二乘法数据处理采用最小二乘法, ,由于程序比较复杂由于程序比较复杂, ,将其做成将其做成SubViSubVi, ,供程序调用供程序调用. .注意注意: :运算点数尽量是整周期点数运算点数尽量是整周期点数, ,这样处理的结