自由轴法的RLC测量仪表设计

基于自由轴法的RLC测量仪表设计技术要求：1)测量准确度： O.05％．2)显示范围: :0.0001 mH--- 99999H．C: O.0001 pf---99999．R: O.0001 ---99999k主要参考文献：1、童长飞编著．Ｃ８０５１Ｆ系列单片机开发与Ｃ语言编程．北京：北京航空航天大学出版社，２００５年２月．2、赵茂泰主编.智能仪器原理及应用.北京：电子工业出版社，2005年1月.3、陈尚松等编著.电子测量与仪器.北京：电子工业出版社，2007年2月4、李腊元，官本云编著.智能化仪器仪表.北京：科学出版社，1993年5、阎石主编.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998年11月6、周航慈编著.智能仪器原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，2005年3月课题内容及工作量：本课题研究了包括固定轴法在内的几种RLC的传统测量方法，并进行了优缺点的分析和论证，采用了较先进的自由轴法，给出了具体实现方案。

本课题要求设计正弦信号源、基准相位发生器、积分式A/D转换器和微处理器控制电路，以及数字显示电路。

要求对于自由轴法的计算方法进行严密推倒，分析电子线路实现时可能造成的误差，以及软件编程对本仪器精度的影响。

整个设计要求设计并画出全部硬件电路图和详细的程序流程图，应着重描述清楚系统的程序流程和算法的程序设计要点。

说明：为避免与其它（本届的电导率测量和上届的RLC测量仪器）题目的实现方案重复，对于同一环节（例如积分式A/D）的实现应不同。

建议本题的双积分A/D采用运算放大器和比较器以及一些阻容元器件搭成，不采用专用A/D转换器（例如ICL7135）。

以下是老师给的资料：智能化RLC测量仪原理摘自：赵茂泰主编.智能仪器原理及应用（第2版）.北京：电子工业出版社.2005年,P178--193。

RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法三种。

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。

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。

伏安法是最经典的方法，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。

伏安法伏安法可用图6—25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6-26示出了采用了微处理器的RLC测试仪原理框图。

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6—26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的方向，相敏检波器的输出就是待测电压在坐标轴方向上的投影。

图6—25 伏安法测量原理图6-26 RLC测试仪原理框图固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与式(6．8)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，这种方法在计算机引入电子仪器之前被大量采用。

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。

自由轴法的计算量比较大,近年来智能RLC电路大都采用这种方案。

6.3.2 自由轴法测量原理（下文中有关“固定轴法”摘自于：陈尚松等编著.电子测量与仪器.北京：电子工业出版社，2007年2月，p302）采用相量电压一电流法，即将阻抗看成正弦交流电压与电流的复数比值，即这里是将一个标准阻抗与被测阻抗串联，如图7.27所示，则可得到这样，对阻抗的测量变成了两个电压相量之比的测量。

完成两个电压相量的测量方法通常是，用一台电压表通过开关转换分时进行测量。

实现两个相量除法运算有固定轴法和自由轴法，将相量除法转换成标量除法。

早期产品采用的固定轴法如图7.28(a)所示，因难在于保证两个相量相位严格一致，使硬件电路复杂，调试困难，可靠性低。

现代产品中大多采用了自由轴法，如图7.28(b)所示。

自由轴法不是把复数阻抗坐标固定在某一指定的电压相量的方向上，坐标轴的选择可以是任意的，参考电压可以不与任何一个被测电压的方向相同，但应与被测电压之一保持固定的相位关系，如相差，且在整个测量过程中保持不变。

由图7.28(b)由此可得式中，用标准电阻代替，显然，只要知道每个相量在直角坐标轴上的两个投影值，经过四则运算，即可求出结果。

自由轴法的测量原理如图7.29所示，图中相敏检波器的参考电压受微处理器控制的自由轴坐标发生器提供，它是任意方向的精确的正交基准信号。

相敏检波器通过开关选择和，便可得到它们的投影分量，然后由A/D转换成数字量，经接口电路送到微处理器系统中存储，最后，CPU对其进行计算得到待测数。

交流电压和的测量包括幅度和相位，方法是采用相敏检波器对每个电压进行两次测量。

在两次测量中，相敏检波器参考电压是正交的，应有精确的的相位差关系。

而对于参考电压与被测信号电压之间的相互关系只要求相对稳定，而不要求精确确定。

自由轴法虽然采用相量电流-电压法的基本原理，但由于其精确的正交坐标系主要靠软件来产生和保证，硬件电路大大简化，还消除了固定轴法难于克服的同相误差，提高了精确度。

同时被测参数是通过计算机获得的，因而除了可以得到常用的C、L、R、损耗角正切值D、品质因数Q、等效串联电阻ESR以外，还可方便地计算出其他多种阻抗参量，如阻抗模值、导纳模值、串联电抗X、并联电纳B、并联电导G、阻抗相角等。

目前智能化LCR测量仪仍在向宽量程、高准确度、智能化和兼有测量与分选两种功能方向发展。

当前参数可测范围及准确度如下：·电阻R：0.01～，准确度±0.001％。

·电容C：～20F，准确度±。

·电感L：O.01nH～20mH，准确度±O.05％。

最后，通过表7.5归纳一下本章及下一章讨论的各种阻抗测量仪器的分类、采用的方法、优缺点及频率覆盖范围等，以加深对阻抗测量的系统认识。

………………………………………………………………………………………………………自由轴法中与和坐标轴的关系可用图6-27显示。

可见，只要分别测得,在直角坐标轴上的两个投影值，经过四则运算，即可求出最后的结果。

图6-27 自由轴法相量图自由轴法测量原理可用图6—28所示的方框图来表示。

图中缓冲放大器通过开关S来选择或，对每一个和都要分别进行测量，这两次测量的相位参考基准信号要求保持精确的90相位关系，以得到预期的诸投影分量，然后分别由A/D转换器变成数字量经接口电路送到微型计算机系统中存储。

最后由微处理器经数学计算得到待测参数。

所谓投影分量，就是测量相量与相位参考基准信号在相敏检波器上相乘的结果，为了得到相应正交的两个分量以及建立起对应数学上的直角坐标系。

对每一个和的两次测量必须保持精确的90，这就要求电路能产生彼此相差90的方波控制信号作为相敏检波器的参考电压信号，这部分功能是由基准相位发生器来完成的。

图6-28 自由轴法RLC测量原理框图以电容并联电路的测量为例，推导各被测参数的数学模型。

在图6-27中式中 e —— A/D转换器的刻度系数，即每个数字所代表的电压值；——对应的数字量(i＝1，2，3，4)。

则坐标系一旦设定，两相量之商即可表示为若采用标准电阻，根据式(6.8)及式(6.9)，则有上式的负号由测量电路中的反相器引入。

则其实部、虚部分别等于由D值的定义可求出用完全类似的方法，可以推导出表6—6所示的被测参数R，L，C的计算公式。

（读者注：从以上分析可以看出，自由轴法与外加电源电压无关，意思是加在阻抗上的正弦电压可以随意选择为1——2V左右均可，不要求准，但要求稳。

）表6-6被测参数的计算公式6.3.3 RLC测量仪电路分析由上述分析可知，采用自由轴法构成的RLC测试仪主要由正弦信号发生器、基准相位发生器、前端测量电路、相敏检波器等部分组成。

下面对其中主要的测试电路原理进行分析。

一、正弦信号源与基准相位发生器从自由轴法工作原理以及表6—6各被测参数计算公式可以看出，仪器的工作频率直接影响测量精度。

因此要求测试信号源频率精确度高，并且频谱纯度和幅度稳定度也要高。

除此之外，相敏检波系统还要求信号源频率和相敏检波器相位基准信号的频率严格同步，因此正弦信号源与基准相位发生器在电路上是密切相关的。

下面给出常采用的两种方案：1）、方案一图6—29所示的方案由晶体振荡器、分频器、滤波器、基准相位发生器等部分组成。

晶体振荡器产生的19.2MHz频率的信号，经微型计算机控制的分频后得到1kHz或100Hz的方波，此方波经基准相位发生器电路产生O和90相位的参考电压信号，供相敏检波分离被测电压的虚、实部用O相位的方波再经低通滤波器变为正弦信号，该正弦信号经缓冲级去激励被测元件。

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。

图6-29 正弦信号源与基准相位发生器基准相位发生器由双D触发器74LS74构成，实现了四分频，电路原理如图6-30(a)所示。

设初始是复零状态，即与为O。

则在第一个脉冲的上升沿，为1，为O；在第二个脉冲的上升沿，为1，为1；在第三个脉冲的上升沿为0，为1…余下类推，其波形如图6-30(b)所示。

由图可见：为；为90；为180；为270，故得到所需参考相位且实现了4分频。

图6-30基准相位发生器电路及波形图1kHz或100Hz滤波电路由4级二阶有源低通滤波电路组成。

用于提高正弦信号源的频谱纯度。

2）方案二图6—31所示的另一种信号源电路方案采用数字合成技术。

用数字合成方法生成正弦信号，通常是在ROM中存储一个周期的正弦曲线样点表，每一个存储单元存储的样点数据与其地址之间的关系和正弦波的正弦幅值与时间轴的关系是一致的。

这样，当按顺序逐单元读出ROM的样点数据时，就能得到量化了的正弦曲线，若周期地重复这一过程，并将数字经数/模转换与平滑滤波后输出，就得到了一个连续的正弦波信号。

图中晶体振荡器产生的时钟频率为18.432MHz，经分频链I后信号频率变为256f (f 为选定的测试信号频率100Hz或1kHz)。