LabVIEW-LCR测试仪.ppt

1、虚拟仪器系统 ,基于USB的LCR测试仪,2009年5月14日,提纲,方案比较与选择 自由轴法的测量原理 虚拟LCR测试仪的测试原理 虚拟LCR测试仪的硬件设计 虚拟LCR测试仪的软件设计 测试结果及分析,方案比较与选择,参数的测量主要有： 一、电桥法 二、谐振法 三、伏安法（固定轴法，自由轴法）,电桥法,缺点: 测量时需要反复进行平衡调节，测量时间长 测量量程范围小,对于很大的测量范围，只能用分段测量法，造成各段测量精度不一致 交流阻抗电桥的平衡条件复杂、收敛性差、桥路结构复杂，需要标准的电抗元件，器件多、成本高，且抗干扰性差,平衡电桥法测试原理图,优点: 测量精度高,电桥平衡时有:,谐振法

2、,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。,LC串联谐振电路,谐振频率:,当激励源的频率等于谐振频率时，网络便发生串联谐振现象。此时,L、C上的电压相等,电路呈纯阻性。,伏安法,信号源内阻,被测 阻抗,标准 电阻,实际测量时,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. 伏安法有固定轴和自由轴之分.,激励源 -标准正弦信号,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,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. 利用双斜积分式A/D转换器的比例特性可以实现. 缺点:为了固定坐标轴,确保精确的相位关系,硬件需要付出

3、相当大的代价.,固定轴法:,相敏检波器的相位参考基准可以任意选择,即x,y轴坐标可任意选择.只要保持2个坐标轴严格正交.从而硬件电路简化,准确度提高. 现在,智能LCR测试仪器大多采用这种方案. 测量时,先用0度相位信号作为基准信号,分2次测出Us和Ux在X轴坐标上的投影(U3和U1);然后用90度相位信号作为基准信号,分2次测出Us和Ux在Y轴坐标上的投影(U4和U2).最后,带入公式计算. 具体的投影分量的测量通过积分式A/D来完成.,自由轴法:,虚拟LCR测试仪器测量原理,如图,标准电阻Rs和被测元件Z组成串联电路,由标准正弦信号激励. 设Rs两端电压有效值为Us. Z两端电压有效值为U

4、,电压、电流的相位差为.,如果被测元件为电容C，则,以串联等效电路为例:,如果被测元件为电阻R，则,如果被测元件为电感L，则,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.,标准电阻Rs和测试频率f是已知的,关键是求有效值Us 、U和相位差.,问题:,对于两列同频正弦信号(频率已知),如何求幅度,相位差等参量?,数字信号处理,最小二乘法 (最佳平方逼近法),最小二乘法思想: 两同频正弦信号(频率已知),以频率f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.,相关算法,相位+有效值测量方案的软仿真,假定标准电阻为1K，分别和2K的电阻、1uF的

5、电容、1H的电感组成串联电路，激励源为100Hz的正弦信号,R、L、C串联分压电路,原理可行性分析测试电阻,仿真结果,原理可行性分析-测试电感,仿真结果,原理可行性分析-测试电容,仿真结果,结论:,该方案是可行的,只要对标准电阻和被测元件两端的电压进行同时采样,再利用最小二乘法计算相位差和有效值,带入相应的计算公式,就可以求出被测参数. 缺点：测量速度相对较慢,虚拟LCR测试仪的硬件设计,虚拟LCR测试仪原理框图,硬件设计电源设计,USB总线可为外设提供最多500mA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

6、源供电，因此要设计-电源。可以通过 DC-DC转换芯片MAX735或TPS67351实现,硬件设计正弦信号发生器,激励源： 激励源大多为正弦信号 一般选取几个频率点进行测量（100Hz,1KHz,10KHz等） 对特殊要求，测试频率可任意设定，范围可达50Hz5MHz,正弦信号产生方法： 利用锁相环(PLL)技术实现频率合成； 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； 采用合成芯片,为了实现仪器微型，低功耗的特点，本设计采用 合成芯片AD9850.,控制信号,数据,位频率控制字,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,自动测量时，采用100Hz,1KHz

7、,10KHz等频点测量 手动测量时，用户可设置频率（z）,硬件设计前端电路,利用运放进行阻抗变换,考虑到其输出电流一般为20mA,对于一定幅度的输出需要接一个小电阻再接地,以免被测阻抗很小时,输出失真. 精密电阻的选择要依赖于内阻和被测阻抗. 设计采用2个精密电阻(200欧,20K),被测阻抗在15K之间,选用200欧精密电阻; 被测阻抗在5K1M之间采用20K精密电阻.输出信号幅度在20mV4V之间,通过程控放大,将电压放大到合适的电压范围,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.,硬件设计2路同时采样与数据存储,2+2通道同时采样 每通道1M/S转换速率 12位分辨率

8、 数据串行输出 低功耗(40mW),ADS7861主要特点:,ADS7861转换时序图,A/D转换时序和数据存储时序由可编程逻辑器件EPM128控制完成, 采样率达1M/S. 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.,ADS7861硬件电路图,数据存储模块采用一片62256(32K的SRAM)实现, 其读写时序由CPLD控制实现.,硬件设计USB固件开发,USB固件(FirmWare)由AT89C52和PDIUSBD12共同完成.,USB与单片机接口电路,USB固件代码是一段通用的代码, 采用前后台编程的思想,具有可移植性.工作时,单片机一直在等待上层的命令,判断处理事件,控制低

9、层硬件实现特定的功能.采集的数据先送到单片机,单片机将数据通过USB送到上层.关于硬件驱动程序的开发,这里不作介绍.,系统软件设计,LabVIEW编程,虚拟LCR测试仪的软件设计,应用程序采用虚拟仪器软件LABVIEW7.0和LabScene开发. LABVIEW提供了调用库函数节点CLF及代码接口节点CIN等功能，使用户可以开发自己的驱动程序. 本应用程序通过CLF节点调用动态连接库实现和底层硬件通信.,软件设计数据存储模块,在循环开始前，先建立一个空数组，包标志package=0。 循环中通过调用read_usb( )函数从设备获取数据(每次60个字节,30个点) 存储16次后退出循环，完

10、成一次数据存储。,软件设计数据处理模块,数据处理采用最小二乘法,由于程序比较复杂,将其做成SubVi, 供程序调用. 注意:运算点数尽量是整周期点数,这样处理的结果比较精确.,最小二乘法数据处理模块,软件设计仪器面板,测试频率50Hz50KHz连续可调; 200欧,20K两个精密电阻选择,切换量程; 实现1,10,100三级程控放大; 自动识别被测对象的类别; 可测量分布参数及D,Q等负参数.,电阻测试结果,100欧精密电阻测试结果为99.99欧,测量精度达到0.1%.,电容测试结果,4.7uF电容测试结果为4.785uF,由于不是精密电容,所以测量精度不好估计. 从电压波形,我们可以验证:理想情况下