LabVIEW-LCR测试仪

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,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,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,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,前,端,电,路,正弦信号发生器,同,时,采,样,数据存储,单,片,机,接,口,电,路,被测元件,USB,接口,时序控制,AD9850,PDIUSBD12,ADS7861,89C52,模拟开关,/,继电器,FIFO/SRAM,CPLD,导通电阻大,导通电阻小,贵,便宜,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,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,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,DLL,调用,访问,驱,动,用户态,核心态,LabVIEW,CLF,接口,控件,设备,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,电容相位滞后电阻相位,90,度的结论,.,电感测试结果,10mH,电感测试结果为,10.0104mH,由于不是精密电感,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,电感相位超前电阻相位,90,度的结论,.,测试结果及分析,测试对象,基本量程,基本测量精度,R,11M,欧姆,0.2%,C,20pF1000uF,-,L,10uH1H,-,相关产品,NI DMM,NI 4070(6,位半数字万用表,),NI 4060(5,位半数字万用表,),