LabVIEW-LCR測試儀【精制材料】

1、虛擬儀器系統(tǒng) ,基于USB的LCR測試儀,2009年5月14日,1,實操應(yīng)用,提綱,方案比較與選擇 自由軸法的測量原理 虛擬LCR測試儀的測試原理 虛擬LCR測試儀的硬件設(shè)計 虛擬LCR測試儀的軟件設(shè)計 測試結(jié)果及分析,2,實操應(yīng)用,方案比較與選擇,參數(shù)的測量主要有： 一、電橋法 二、諧振法 三、伏安法（固定軸法，自由軸法）,3,實操應(yīng)用,電橋法,缺點(diǎn): 測量時需要反復(fù)進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)，測量時間長 測量量程范圍小,對于很大的測量范圍，只能用分段測量法，造成各段測量精度不一致 交流阻抗電橋的平衡條件復(fù)雜、收斂性差、橋路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要標(biāo)準(zhǔn)的電抗元件，器件多、成本高，且抗干擾性差,平衡電橋法測試原理圖,

2、優(yōu)點(diǎn): 測量精度高,電橋平衡時有:,4,實操應(yīng)用,諧振法,諧振法常用在高頻條件下，測量方法簡單，但是精度不高，易受溫度等因素的影響。,LC串聯(lián)諧振電路,諧振頻率:,當(dāng)激勵源的頻率等于諧振頻率時，網(wǎng)絡(luò)便發(fā)生串聯(lián)諧振現(xiàn)象。此時,L、C上的電壓相等,電路呈純阻性。,5,實操應(yīng)用,伏安法,信號源內(nèi)阻,被測 阻抗,標(biāo)準(zhǔn) 電阻,實際測量時,先分別測出各個矢量電壓的兩個分量, 再通過一系列的運(yùn)算得到被測阻抗. 伏安法有固定軸和自由軸之分.,激勵源 -標(biāo)準(zhǔn)正弦信號,6,實操應(yīng)用,相敏檢波器的相位參考基準(zhǔn)必須嚴(yán)格地與分母位置上的矢量一致,這樣分母只有實部分量,使矢量除法簡化為兩個標(biāo)量的除法. 利用雙斜積分式A/

3、D轉(zhuǎn)換器的比例特性可以實現(xiàn). 缺點(diǎn):為了固定坐標(biāo)軸,確保精確的相位關(guān)系,硬件需要付出相當(dāng)大的代價.,固定軸法:,7,實操應(yīng)用,相敏檢波器的相位參考基準(zhǔn)可以任意選擇,即x,y軸坐標(biāo)可任意選擇.只要保持2個坐標(biāo)軸嚴(yán)格正交.從而硬件電路簡化,準(zhǔn)確度提高. 現(xiàn)在,智能LCR測試儀器大多采用這種方案. 測量時,先用0度相位信號作為基準(zhǔn)信號,分2次測出Us和Ux在X軸坐標(biāo)上的投影(U3和U1);然后用90度相位信號作為基準(zhǔn)信號,分2次測出Us和Ux在Y軸坐標(biāo)上的投影(U4和U2).最后,帶入公式計算. 具體的投影分量的測量通過積分式A/D來完成.,自由軸法:,8,實操應(yīng)用,9,實操應(yīng)用,虛擬LCR測試儀器

4、測量原理,如圖,標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs和被測元件Z組成串聯(lián)電路,由標(biāo)準(zhǔn)正弦信號激勵. 設(shè)Rs兩端電壓有效值為Us. Z兩端電壓有效值為U,電壓、電流的相位差為.,如果被測元件為電容C，則,以串聯(lián)等效電路為例:,如果被測元件為電阻R，則,如果被測元件為電感L，則,虛部為其分布參量.,實部為其串聯(lián)等效電阻.,實部為其串聯(lián)等效電阻.,標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs和測試頻率f是已知的,關(guān)鍵是求有效值Us 、U和相位差.,10,實操應(yīng)用,問題:,對于兩列同頻正弦信號(頻率已知),如何求幅度,相位差等參量?,數(shù)字信號處理,最小二乘法 (最佳平方逼近法),最小二乘法思想: 兩同頻正弦信號(頻率已知),以頻率f進(jìn)行采樣，得到兩組采樣值

5、. 通過這兩組采樣值就可以計算兩列信號的幅度和相位差.,相關(guān)算法,11,實操應(yīng)用,12,實操應(yīng)用,相位+有效值測量方案的軟仿真,假定標(biāo)準(zhǔn)電阻為1K，分別和2K的電阻、1uF的電容、1H的電感組成串聯(lián)電路，激勵源為100Hz的正弦信號,R、L、C串聯(lián)分壓電路,13,實操應(yīng)用,原理可行性分析測試電阻,仿真結(jié)果,14,實操應(yīng)用,原理可行性分析-測試電感,仿真結(jié)果,15,實操應(yīng)用,原理可行性分析-測試電容,仿真結(jié)果,16,實操應(yīng)用,結(jié)論:,該方案是可行的,只要對標(biāo)準(zhǔn)電阻和被測元件兩端的電壓進(jìn)行同時采樣,再利用最小二乘法計算相位差和有效值,帶入相應(yīng)的計算公式,就可以求出被測參數(shù). 缺點(diǎn)：測量速度相對較慢

6、,17,實操應(yīng)用,虛擬LCR測試儀的硬件設(shè)計,虛擬LCR測試儀原理框圖,18,實操應(yīng)用,硬件設(shè)計電源設(shè)計,USB總線可為外設(shè)提供最多500mA的電流，對于一般的小型外設(shè)可以通過總線供電，不再需要外部電源。因此，本設(shè)計直接采用供電。但是，模擬電路部分（比如運(yùn)放）必須要雙電源供電，因此要設(shè)計-電源。可以通過 DC-DC轉(zhuǎn)換芯片MAX735或TPS67351實現(xiàn),19,實操應(yīng)用,硬件設(shè)計正弦信號發(fā)生器,激勵源： 激勵源大多為正弦信號 一般選取幾個頻率點(diǎn)進(jìn)行測量（100Hz,1KHz,10KHz等） 對特殊要求，測試頻率可任意設(shè)定，范圍可達(dá)50Hz5MHz,正弦信號產(chǎn)生方法： 利用鎖相環(huán)(PLL)技術(shù)

7、實現(xiàn)頻率合成； 對方波信號進(jìn)行帶通濾波； 采用數(shù)字合成技術(shù)設(shè)計正弦信號源； 采用合成芯片,為了實現(xiàn)儀器微型，低功耗的特點(diǎn)，本設(shè)計采用 合成芯片AD9850.,20,實操應(yīng)用,控制信號,數(shù)據(jù),位頻率控制字,位相位控制字,的輸出經(jīng)帶通濾波，變成交流正弦信號作為激勵信號,自動測量時，采用100Hz,1KHz,10KHz等頻點(diǎn)測量 手動測量時，用戶可設(shè)置頻率（z）,21,實操應(yīng)用,硬件設(shè)計前端電路,利用運(yùn)放進(jìn)行阻抗變換,考慮到其輸出電流一般為20mA,對于一定幅度的輸出需要接一個小電阻再接地,以免被測阻抗很小時,輸出失真. 精密電阻的選擇要依賴于內(nèi)阻和被測阻抗. 設(shè)計采用2個精密電阻(200歐,20K

8、),被測阻抗在15K之間,選用200歐精密電阻; 被測阻抗在5K1M之間采用20K精密電阻.輸出信號幅度在20mV4V之間,通過程控放大,將電壓放大到合適的電壓范圍,再采樣. 信號獲取與放大部分通過儀用運(yùn)放與數(shù)字電位器配合實現(xiàn).,22,實操應(yīng)用,硬件設(shè)計2路同時采樣與數(shù)據(jù)存儲,2+2通道同時采樣 每通道1M/S轉(zhuǎn)換速率 12位分辨率 數(shù)據(jù)串行輸出 低功耗(40mW),ADS7861主要特點(diǎn):,23,實操應(yīng)用,ADS7861轉(zhuǎn)換時序圖,A/D轉(zhuǎn)換時序和數(shù)據(jù)存儲時序由可編程邏輯器件EPM128控制完成, 采樣率達(dá)1M/S. 關(guān)于采樣時序發(fā)生和數(shù)據(jù)存儲部分比較復(fù)雜,這里不作介紹.,24,實操應(yīng)用,A

9、DS7861硬件電路圖,數(shù)據(jù)存儲模塊采用一片62256(32K的SRAM)實現(xiàn), 其讀寫時序由CPLD控制實現(xiàn).,25,實操應(yīng)用,硬件設(shè)計USB固件開發(fā),USB固件(FirmWare)由AT89C52和PDIUSBD12共同完成.,USB與單片機(jī)接口電路,USB固件代碼是一段通用的代碼, 采用前后臺編程的思想,具有可移植性.工作時,單片機(jī)一直在等待上層的命令,判斷處理事件,控制低層硬件實現(xiàn)特定的功能.采集的數(shù)據(jù)先送到單片機(jī),單片機(jī)將數(shù)據(jù)通過USB送到上層.關(guān)于硬件驅(qū)動程序的開發(fā),這里不作介紹.,26,實操應(yīng)用,系統(tǒng)軟件設(shè)計,LabVIEW編程,27,實操應(yīng)用,虛擬LCR測試儀的軟件設(shè)計,應(yīng)用程

10、序采用虛擬儀器軟件LABVIEW7.0和LabScene開發(fā). LABVIEW提供了調(diào)用庫函數(shù)節(jié)點(diǎn)CLF及代碼接口節(jié)點(diǎn)CIN等功能，使用戶可以開發(fā)自己的驅(qū)動程序. 本應(yīng)用程序通過CLF節(jié)點(diǎn)調(diào)用動態(tài)連接庫實現(xiàn)和底層硬件通信.,28,實操應(yīng)用,軟件設(shè)計數(shù)據(jù)存儲模塊,在循環(huán)開始前，先建立一個空數(shù)組，包標(biāo)志package=0。 循環(huán)中通過調(diào)用read_usb( )函數(shù)從設(shè)備獲取數(shù)據(jù)(每次60個字節(jié),30個點(diǎn)) 存儲16次后退出循環(huán)，完成一次數(shù)據(jù)存儲。,29,實操應(yīng)用,軟件設(shè)計數(shù)據(jù)處理模塊,數(shù)據(jù)處理采用最小二乘法,由于程序比較復(fù)雜,將其做成SubVi, 供程序調(diào)用. 注意:運(yùn)算點(diǎn)數(shù)盡量是整周期點(diǎn)數(shù),這樣處理的結(jié)果比較精確.,最小二乘法數(shù)據(jù)處理模塊,30,實操應(yīng)用,軟件設(shè)計儀器面板,測試頻率50Hz50KHz連續(xù)可調(diào); 200歐,20K兩個精密電阻選擇,切換量程; 實現(xiàn)1,10,100三級程控放大; 自動識別被測對象的類別; 可測量分布參數(shù)及D,Q等負(fù)參數(shù).,31,實操應(yīng)用,電阻測試結(jié)果,100歐精密電阻測試結(jié)果為99.99歐,測量精度達(dá)到0.1%.,32,實操應(yīng)用,電容測試結(jié)果,4.7uF電容測試結(jié)果為4.785uF,由于不是精密電容,所以測量精度不好估計. 從電壓波形,我們可以驗證:理想情況下電容相位滯后電阻相位90度的結(jié)論.,