2010年TI杯四川大学生电子设计竞赛__简易RLC测量仪论文

一种测量电阻电容电感的不错方法

简易数字式电阻、电容和电感测量仪（A题） 成都信息工程学院 伍佳俊、张小领、高小燕

摘要：本文设计了一种基于MSP430F1611低功耗单片机的数字式RLC参数

自动测试仪，采用自由轴法测量电阻、电容、电感的值及相关辅助变量。该系统由自制电源、参考信号源产生电路、半桥测量电路、相敏检波器、A/D变换器、微处理器、键盘与LCD等构成。采用MSP430F1611产生方波并进行变换得到标准信号源和精确的测量频率以及A/D转换器的时钟频率。半桥测量电路由四级标准电阻和高精度集成运算放大器组成，能够自动选择相应的标准电阻档级，完成量程自动转换。另外系统中还对信号进行放大控制，使小阻抗的测量过程中可得到精确的采样信号。系统采用模拟相敏检波电路技术和双积分式高精度A/D变换器，并结合自由轴法测量提高了测量精度。 关键字：MSP430、自由轴法、自动、测试仪

一种测量电阻电容电感的不错方法

1、方案比较、设计与论证

①．电桥法：具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。但电桥

法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。 ②．谐振法：要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求。由于测

试频率不固定，测试速度也很难提高。

③．伏安法：最经典的方法，它的测量原理来源于阻抗的定义。即若已知流经被

测阻抗的电流相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。显然，要实现这种方法，仪器必须能进行相量测量及除法运算. 伏安法可用图1-1所示的原理电路来说明。图中IO是已知的恒流源相量；Zs是已知的标准阻抗 (为计算方便一般选为实电阻)；被测阻抗Zx与Zs串联。则分别测出Zs和Zx两端的电压相量Us和Ux，便可通过计算得到待测阻抗

UXU jU2

ZS 1ZsUSU3 jU4 (1.1)

其中Ux的大小反映了流经被测阻抗Zx上电流相量IO的大小。 上述测量实际上是先分别测出各个电压相量的两个分量，然后再通过一系列运算得到被测值Z

x的数值。 Zx

图1-1 伏安法测量原理

为了实现快速简单的测量我们选择伏安法方案。而伏安法有固定轴法和自由轴法两种实现方案，其区别在于图2-1中相敏检波器相位参考基准选取的不同。实际相敏检波器的相位参考基准代表着坐标轴方向，相敏检波器的输出就是待测固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与式(1．1)分母位置上的相量一致，这样分母只有实部分量，使相量除法简化为两个标量除法运算。利用双积分式A/D转换器的比例除法特性即可实现这一目的。这种方法的弱点在于：为了固定坐标轴，确保参考信号与信号之间的精确相位关系，硬件电路要付出相当大的代价。自由轴法中相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，即x，y坐标轴可以任意选择，只要求保持两个坐标轴准确正交(相差90)，从而使硬件电路简化，准确度也得以提高。

自由轴法中相敏检波有乘法型D/A鉴相和开关鉴相两种方案，由于鉴相前端的直流容易产生漂移，在乘法器中直流也会产生漂移，造成噪声的处理和滤波都很麻烦，所以没有选择乘法鉴相。开关鉴相可采用单π/4脉冲积分鉴相和双π/4脉冲积分鉴相，利用单π/4脉冲积分鉴相可推导出测量电压在实轴方向上

一种测量电阻电容电感的不错方法

的投影：

在虚轴方向上的投影：

仿真波形：

双π/4

脉冲积分鉴相可推导出测量电压在实轴方向上的投影：

在虚轴方向上的投影：

仿真波形：

由推导公式及仿真波形可见，用双π/4脉冲积分鉴相的波形幅度较大（22倍），所以本设计采用这种方法。

2、理论分析与计算

自由轴法测量原理

图2-1中，R0为信号源内阻，Rs是标准电阻，Zx为被测阻抗，A为高输入阻抗、高增益放大器，主要完成电流一电压变换功能。测量时，开关S通过程控

一种测量电阻电容电感的不错方法

置于Ux或Us端。由图1-2有：UX IOZx，US IOZs，被测阻抗Zx为：

UU

Zx X XZS

(2.1)

IOUS

图2-1 RLC测试仪原理框图

由式(2.1)可知，只要测出Ux，Us在直角坐标系中两坐标轴x，y上的投影分量，经过四则运算，即可求出测量结果。

图2-2中，被测信号与相位参考基准信号经过相敏检波器后，输出就是被测信号在坐标轴上的投影分量。相位参考基准代表着坐标轴的方向，为了得到每一被测电压(Us或Ux)在两坐标轴上的投影分量，基准相位发生器需要提供两个相位相差90°的相位参考基准信号。需要指出的是在自由轴法中，相位参考基准与Us没有确定关系，可以任意选择，即x，y坐标轴可以任意选择，只需保持两坐标轴准确正交90°。Ux，Us和坐标轴的关系如图2-1

所示。

图2-2 自由轴法矢量图

应用图2-1测量时，通过开关S选择某一被测量(如Ux)，基准相位发生器依次送出两个相位相差90°的相位参考基准信号，经相敏检波器后分别得到UX在两坐标轴上的投影分量U1，U2。类似，当开关S选择Us时，可分别得到Us在两坐标轴上的投影分量U3，U4。各投影分量经A／D转换器可得对应的数字量，再经微处理器计算便得到被测元件参数值。

下面以电容并联电路的测量为例，推导RLC参数的数学模型。

由图2-1可得：

UX U1 jU2 eN1 jeN2 (2.2) US U3 jU4 eN3 jeN4 (2.3)

式中：Ni为Ui对应的数字量，e为A／D转换器的刻度系数，即每个数字所

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代表的电压值。

由式(2.2)，式(2.3)可知：

USN3 jN4N1N3 N2N4N1N4 N2N3

j2222UXN1 jN2N1 N2N1 N2

(2.4) 直接通过对N1～N4数值的运算，即可完成矢量除法运算。

由式(2.1)，式(2.4)可求得被测阻抗中的电容值Cx及损耗角正切值Dx。

1US

GX jwCX YX

RSUX

N1N4 N2N31N1N3 N2N4 j(2222

RSN1 N2N1 N2

式中：Gx为介质损耗电导。 进而有：

(2.5)

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100分频和HC390（100分频）与HC3164分别得到10kHz、1kHz和100Hz的0和

900相位的参考电压信号，00信号经过MAX293 八阶低通滤波器得到10kHz、1kHz

和100Hz正弦信号来作为激励信号源。在输入缓冲级上还加有2V的偏置电压电路，用于偏置被测试的电解电容器。

3.2 前端测量电路

前端测量电路的作用是分别测出流经被测件的电压Ux及代表恒定电流大小

的电压Us。本设计的RLC测试仪的前端电路如图3-1所示，它由差分放大器、I/V转换器和输入放大器三部分组成。

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+5 D18 CD4053 12 13 R74 2 R71 18K 1% 1 5 2K 1% R75 R72 18K 1% 3 2K 1% VDD aX aY bX bY cX cY a b c VEE VSS R2 16 C6 10K D19B 104 R57 14 1M 15 4 10K TL082 C44 0.47u 6 7 R1 -5 8+5 104 C5 104 C40 C41 10u/16V D19A+ 3 2+VCCVCC+

6 9 10 11

INH C B A

J8 2 1 U/I

C39 3 2 1 0.47u R73 100k D22 4053 CON

C42

TL082 104+ C43

10u/16V -5

图 3-4放大倍数选择电路

3.3相敏检波器与 A/D转换相敏检波和双积分 A/D转换电路的作用是将 Ux,Us …… 此处隐藏：3359字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……