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1、RLC论文伍佳俊张小领高小燕2010年四川省电子设计竞赛简易电阻、电容和电感测量仪（A题）设计报告编号： XG-03-本-A 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

2、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

3、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。图中是已知的恒流源相量；是已知的标准阻抗 (为计算方便一般选为实电阻)；被测阻抗与串联。则分别测出和两端的电压相量和，便可通过计算得到待测阻抗 (1.1) 其中的大小反映了流经被测阻抗上电流相量的大小。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的数值。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

4、器的输出就是待测电压在坐标轴方向上的投影。固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与式(11)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

5、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/4脉冲积分鉴相和双/4脉冲积分鉴相，利用单/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： 双/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/4脉冲积分鉴相的波形幅度较大（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通过程控置于Ux或Us端。由图1-2有：，被测

6、阻抗Zx为： (2.1)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

7、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AD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： (2.2) (2.3) 式中：Ni为Ui对应的数字量，e为AD转换器的刻度系数，即每个数字所代表的电压值。 由式(2.2)，式(2.3)可知： (2.4)直接通过对N1N4数值的运算，即可完成矢

8、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。 (2.5) 式中：Gx为介质损耗电导。 进而有： (2.6) (2.7) (2.8)同理可以导出被测参数R，L的计算公式。3、电路图及有关设计文件 31正弦信号源与基准相位发生器 图3-1 正弦信号发生电路图3-2 正交信号发生电路如图3-1和3-2所示，通过MSP4301161得到1M方波信号SinClk经过1、10、100分频和HC390（100分频）与HC3164分别得到10kHz、1kHz和100Hz的和相位的参考电压信号，信号经过MAX293 八阶低通滤波器得到10kHz、1kHz和100Hz

9、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。测量时，先通过程控使开关S1置1，使差分放大器测量流过Zx上的电压Ux。为测出电流的大小，需先将其由I/V转换器转换为电压，其中标准电阻R58,R59,R60,R61用来改变量程.这样，当通过程控使开关S1置2端时，差分放大器便可测出代表流过被测件上电流大小的电压Us。 Ux,Us分别被差分放大器放大之后

10、，便经开关送到输入放大器放大，放大器的增益可以通过开关被置为1倍10倍或100倍。12图3-3 前端测试电路图3-4 放大倍数选择电路 33 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用不同参考相位进行鉴相并将其平均值转换成相应的数字量。相敏检波由模拟开关组成，控制模拟开关通断的信号，即O或90基准相位信号。相敏检波电路的输出是待测的被测阻抗上的电压信号Ux和标准电阻上的电压信号Us在坐标轴方向上的投影。两个开关的闭合与断开的时间是测量信号的半个周期，其相位相差90度。积分器在采样时间内输出电压的大小(除去所加的直流电压)就对应被测电压在坐标轴上的投影值。积分结

11、束后积分器输入连接到反极性参考电压，进行反向积分直到输出为0，AD变换周期结束，从而得到被测电压在坐标轴上的投影值，将相量运算转化为除法运算。测量电路对积分所得的信号进行检测，可得被测阻抗两端电压Ux分别在x轴和Y轴的投影分量。图3-5 相敏检波与A/D转换实际电路34 软件流程图 图3-5 软件流程图4、测试方法与仪器、测试数据及测试结果分析 4.1 测量仪器数字万用表（GDM-8245），双踪数字示波器（TDS-1012），直流稳压电源（DF1731SLL3A）,双踪模拟示波器（GOS-6103C），数字电桥（型号：TH2811D） 。 4.2测试数据测试部分结果如下：实际值()10100

12、1K10000900008393302000000测量值()10100.58996.9810010890908396001990000误差（x100）00.581.60.061.010.0320.50.575实际值(pF)682171161117902067804968600测量值(pF)702201200123702154804958000误差（x100）2.91.383.364.924.20.22.796.58D实际0.00780.0150.0080.0340.030.030.0670.039D测量0.00410.0490.0580.0810.010.0840.1250.04实际值(uH)

13、55.9795116.34250360115775007960100测量值(uH)58.8895.73119.63256.19375.25122077908511200误差（x100）5.10.72.82.474.253.86.9实际Q32.5645.94.23.5489975.6测量Q2274.8431091217电阻、电容、电感的测试及误差结果经MATLAB统计处理如下图所示： 图4-14.3测试结果分析从所测数据看，电阻、电容、电感的测量精度全部达到基本和发挥要求。参考文献：1裴慧卿 、张秋实、宋超、高金山，手持 LCR 数字电桥的设计与实现；2裴慧卿，基于MSP430的手持式LCR数字

14、电桥的设计与实现 ，北京交通大学硕士学位论文；3李念强 、张焕春 、禹艾芹，数字相敏检波器的设计与实现,电测与仪表,2001.5附实物图：仅供个人用于学习、研究；不得用于商业用途。For personal use only in study and research; not for commercial use.Nur fr den persnlichen fr Studien, Forschung, zu kommerziellen Zwecken verwendet werden.Pour l tude et la recherche uniquement des fins personnelles; pas des fins commerciales. , , . 以下无正文