智能LCR测试仪.ppt

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1、虚拟仪器系统虚拟仪器系统 智能LCR测试仪提纲提纲自由轴法测量原理自由轴法测量原理智能智能LCR测量原理测量原理测量参数的选择测量参数的选择测试结果的校正测试结果的校正测试结果测试结果自由轴法测量原理自由轴法测量原理测量、参数的方法主要有：测量、参数的方法主要有：（一）电桥法（一）电桥法（二）谐振法（二）谐振法（三）伏安法（固定轴法，自由轴法）（三）伏安法（固定轴法，自由轴法）其中其中,自由轴法自由轴法是目前智能测试仪是目前智能测试仪广泛采用的测试原理它的优点是测量精度广泛采用的测试原理它的优点是测量精度高，速度快（几十次秒）高，速度快（几十次秒）其中，标准电阻其中，标准电阻其中，标准电阻其中

2、，标准电阻s s是已知的，只要测出标量，以是已知的，只要测出标量，以是已知的，只要测出标量，以是已知的，只要测出标量，以及，就可以算出被测阻抗，再通过一些等效电路模及，就可以算出被测阻抗，再通过一些等效电路模及，就可以算出被测阻抗，再通过一些等效电路模及，就可以算出被测阻抗，再通过一些等效电路模型，计算出，等参数型，计算出，等参数型，计算出，等参数型，计算出，等参数用鉴相器提取矢量电压的实部和虚部原理图用鉴相器提取矢量电压的实部和虚部原理图用鉴相器提取矢量电压的实部和虚部原理图用鉴相器提取矢量电压的实部和虚部原理图轴轴轴轴轴轴轴轴s sx x智能智能LCR测量原理测量原理问题问题:对于两列同频

3、正弦信号对于两列同频正弦信号对于两列同频正弦信号对于两列同频正弦信号(频率已知频率已知频率已知频率已知),),如何求幅度如何求幅度如何求幅度如何求幅度,相位差等参量相位差等参量相位差等参量相位差等参量?数字信号处理数字信号处理数字信号处理数字信号处理最小二乘法最小二乘法最小二乘法最小二乘法(最佳平方逼近法最佳平方逼近法最佳平方逼近法最佳平方逼近法)相关算法相关算法相关算法相关算法方案：方案：方案：方案：采用对两矢量电压进行同时采样，采用对两矢量电压进行同时采样，采用对两矢量电压进行同时采样，采用对两矢量电压进行同时采样，再通过相关算法求出其有效值和相位差，再通过相关算法求出其有效值和相位差，再

4、通过相关算法求出其有效值和相位差，再通过相关算法求出其有效值和相位差，从而求出，等参数从而求出，等参数从而求出，等参数从而求出，等参数 智能智能LCR测试仪硬件框图测试仪硬件框图前前前前端端端端电电电电路路路路 正弦信号源正弦信号源正弦信号源正弦信号源同同同同时时时时采采采采样样样样数据存储数据存储数据存储数据存储被被被被测测测测元元元元件件件件时序控制时序控制时序控制时序控制智能智能智能智能LCRLCR测试仪原理框图测试仪原理框图测试仪原理框图测试仪原理框图前端电路前端电路智能智能智能智能LCRLCR测试仪前端电路测试仪前端电路测试仪前端电路测试仪前端电路激励源：激励源：激励源：激励源：正弦

5、信号源是通正弦信号源是通过过一片一片DDS合成芯片合成芯片AD9850来来实现实现，输输出通出通过带过带通通滤滤波和阻抗波和阻抗变换变换作作为为系系统统的激励源。的激励源。激励激励频频率率为为100Hz，1KHz，10KHz，幅度，幅度为为正正负负4伏。伏。内阻：内阻：内阻：内阻：一方面，为了能够测试小阻抗，内阻不宜过大。一方面，为了能够测试小阻抗，内阻不宜过大。另一方面，由于运放有一定的带载能力，内阻不能太小。另一方面，由于运放有一定的带载能力，内阻不能太小。一般运放的短路电流为一般运放的短路电流为1525mA，本设计中阻抗变换电，本设计中阻抗变换电路中选择了短路电流为路中选择了短路电流为4

6、0mA的运放的运放OPA132。这样，在。这样，在激励源为正负激励源为正负4V时，确定内阻为时，确定内阻为100R。标准电阻：标准电阻：标准电阻：标准电阻：100R,10K100R,10K两档两档两档两档.小于小于小于小于10K10K的阻抗选用的阻抗选用的阻抗选用的阻抗选用100R100R标准电标准电标准电标准电阻阻阻阻,大阻抗选用大阻抗选用大阻抗选用大阻抗选用10K10K标准电阻标准电阻标准电阻标准电阻.选用选用选用选用继电器继电器继电器继电器作电阻切换作电阻切换作电阻切换作电阻切换(最大导通电阻最大导通电阻最大导通电阻最大导通电阻0.02R).0.02R).模拟开关效果不好模拟开关效果不好

7、模拟开关效果不好模拟开关效果不好(导通电阻导通电阻导通电阻导通电阻,漏电流漏电流漏电流漏电流).).。I-VI-V变换：变换：变换：变换：选用性价比较高的选用性价比较高的选用性价比较高的选用性价比较高的OPA132OPA132。OPA132OPA132的主要特点：的主要特点：的主要特点：的主要特点：（1 1）JFETJFET输入：输入阻抗输入：输入阻抗输入：输入阻抗输入：输入阻抗10000G10000G。（2 2）8M8M带宽。带宽。带宽。带宽。（3 3）高压摆率：）高压摆率：）高压摆率：）高压摆率：20V/us20V/us（4 4）低噪声：）低噪声：）低噪声：）低噪声：8nV8nV（1KHz

8、1KHz）（5 5）低失真：）低失真：）低失真：）低失真：0.00008%0.00008%（6 6）短路电流：）短路电流：）短路电流：）短路电流：40mA40mA。差分放大：差分放大：差分放大：差分放大：选用选用选用选用2 2通道的仪用运放通道的仪用运放通道的仪用运放通道的仪用运放INA2128INA2128输入阻抗：输入阻抗：输入阻抗：输入阻抗：10G10G噪声：噪声：噪声：噪声：8nV(1KHz)8nV(1KHz)通通通通过过过过继电继电继电继电器器器器和和和和精密精密精密精密电电电电阻阻阻阻调调调调整放大倍数整放大倍数整放大倍数整放大倍数三档。同时采样同时采样 2+22+2通道同时采样通

9、道同时采样通道同时采样通道同时采样 1212位分辨率位分辨率位分辨率位分辨率 每通道每通道每通道每通道1M/s1M/s有效采样率有效采样率有效采样率有效采样率 数据串行输出数据串行输出数据串行输出数据串行输出 低功耗低功耗低功耗低功耗(40mW)(40mW)ADS7861ADS7861主要特点主要特点主要特点主要特点:同时采样电路采用了同时采样芯片同时采样电路采用了同时采样芯片同时采样电路采用了同时采样芯片同时采样电路采用了同时采样芯片ADS7861ADS7861。数据处理数据处理 由于正弦信号（测试信号）的频率和采样频率是已知的可由于正弦信号（测试信号）的频率和采样频率是已知的可由于正弦信号

10、（测试信号）的频率和采样频率是已知的可由于正弦信号（测试信号）的频率和采样频率是已知的可以用以用以用以用相关算法相关算法相关算法相关算法或或或或最小二乘法（最佳平方逼近）最小二乘法（最佳平方逼近）最小二乘法（最佳平方逼近）最小二乘法（最佳平方逼近）提取信号提取信号提取信号提取信号的幅度和相位等参数。这里，我们选用了最小二乘法，效的幅度和相位等参数。这里，我们选用了最小二乘法，效的幅度和相位等参数。这里，我们选用了最小二乘法，效的幅度和相位等参数。这里，我们选用了最小二乘法，效果不错。果不错。果不错。果不错。需要注意的是：数据处理的点数应该是整周期的。本设需要注意的是：数据处理的点数应该是整周期

11、的。本设需要注意的是：数据处理的点数应该是整周期的。本设需要注意的是：数据处理的点数应该是整周期的。本设计中，每个周期采计中，每个周期采计中，每个周期采计中，每个周期采100100个点，每次运算个点，每次运算个点，每次运算个点，每次运算10001000个点（个点（个点（个点（1010个周个周个周个周期）的数据。期）的数据。期）的数据。期）的数据。自动参数选择自动参数选择(1),的自动识别的自动识别(2)标准电阻的自动选择标准电阻的自动选择(3)电压放大倍数的选择电压放大倍数的选择(4)判断波形是否失真判断波形是否失真 测量误差的分析与处理测量误差的分析与处理(1)(1)随机误差：随机误差：随机

12、误差：随机误差：多周期数据处理多周期数据处理 每通道每次采集每通道每次采集1K个点的数据（取个点的数据（取10个周期），个周期），每次每次10个周期的数据一起处理，这样等效于连续个周期的数据一起处理，这样等效于连续测量测量10次，然后取平均值作为最后的测试结果。次，然后取平均值作为最后的测试结果。测量误差的分析与处理测量误差的分析与处理(2)(2)系统偏移的校正系统偏移的校正 ：偏移量主要是由偏移量主要是由有源器件零漂有源器件零漂和和地阻抗地阻抗引起的，引起的，其结果是在待测交流信号上叠加了其结果是在待测交流信号上叠加了直流分量直流分量。由于在整周期上，交流正弦信号的加权平均值由于在整周期上，

13、交流正弦信号的加权平均值是零，所以，将采集后的数据进行加权平均处是零，所以，将采集后的数据进行加权平均处理，其结果就是直流分量。将采集的数据减去理，其结果就是直流分量。将采集的数据减去这个直流分量再做数据处理，可以提高测量精这个直流分量再做数据处理，可以提高测量精度。度。测量误差的分析与处理测量误差的分析与处理(3)(3)开路校准和短路校准：开路校准和短路校准：开路校准和短路校准：开路校准和短路校准：LCR参数测量仪器的测量端、测量馈线以及测量夹参数测量仪器的测量端、测量馈线以及测量夹具总是存在具总是存在残余阻抗残余阻抗和和残余导纳残余导纳，这些残余量对小电容、，这些残余量对小电容、小电感或大

14、电阻的测量会造成较大的误差。小电感或大电阻的测量会造成较大的误差。本设计引入自动的开路校准与短路校准本设计引入自动的开路校准与短路校准:先通过理论先通过理论分析建立系统的误差模型，求出误差修正公式，然后，分析建立系统的误差模型，求出误差修正公式，然后，通过简单的通过简单的“开路开路”，“短路短路”等校准技术记录误差因等校准技术记录误差因子，最后程序利用修正公式和误差因子自动计算修正结子，最后程序利用修正公式和误差因子自动计算修正结果。果。下面以串联等效电感为例进行说明下面以串联等效电感为例进行说明:电阻测试结果电阻测试结果电容测试结果电容测试结果电感测试结果电感测试结果测试数据测试数据 测试对象 基本量程基本测量精度 R 0.52M欧姆 0.1%C 20pF1000uF -L 10uH10H -谢谢大家!