一种基于采样法的LCR测量仪的研制

赖树明等

摘要：为研制一种基于AD采样法LCR测量仪，文章通过测试信号电路，配合自动平衡电桥、模数转换电路、FPGA和MCU微处理器，实现了仪器的小型化和智能化。实验中系统工作稳定可靠，满足设计要求，实验表明该设计方法是行之有效的。

关键词：采样；FFT；LCR测量仪；数字平衡电桥 文献标识码：A

中图分类号：TM277 文章编号：1009-2374（2015）21-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.005

LCR测量仪是产品研发、生产、维护过程中必不可少的一种仪器，它能准确测量元器件在不同频率和电平下的性能和各种参数。随着集成电路的发展，以及微处理器性能的不断提高，测量仪器不断往小型化和智能化的方向发展。本测量仪充分运用了微处理器的运算能力和控制能力，大大减少了硬件电路，能自动测量电阻R、电容C、电感L、品质因素Q、损耗角正切值D。

1 测量原理

对阻抗进行测量方法一般有：电桥法、谐振法、电压电流法、RF电压电流法等，以上这几种方法是模拟测量方法，精度差，调试困难，很难实现自动测量。本测量仪采用的自动平衡电桥电路对未知阻抗进行测量，用矢量电压电流法对阻抗进行计算。自动平衡电桥电路如图1所示：

R为阻抗的实部，X为阻抗的虚部，得到R和X也就可以算出所测元器件的阻抗和电阻值、电容值、电感值、Q值和损耗角D。

在实际电路中，会有各种噪声和干扰，因此所加测试信号并不是纯净的正弦波，对测量结果会产生影响。所以在对采样数据进行FFT后，信号分解成直流分量，基波分量和高次谐波分量。在进行阻抗计算时，只需提取有用的基波分量进行计算，滤除直流和高次谐波，从而可大大减小电路中噪声和干扰对测量结果的影响，同时使测量结果不受运算放大器的偏置电压和失调电压等的影响。

2 硬件系统的组成

本测量仪主要由测试信号发生电路、自动平衡电桥电路、模拟天关与调理电路、AD模数转换器、FPGA、单片机等组成，系统框如图2所示：

测试信号发生电路产生正弦测试信号，加到自动平衡电桥，模拟开关在单片机的控制下，分别地将Ux和Ur通过调理电路送往AD转换器，由AD转换器进行一个信号周期Ts数据的采样，两次采样的时间间隔为信号周期的整数倍nTs。AD采样是由FPGA控制，FPGA在采样结束后将数据传到单片机进行运算。

2.1 正弦测试信号

由于本测量仪用采样的方法实现对参数的测量，因此，测试信号的频率的准确度和稳定度越高，采样的数据越接近一个周期，计算出的结果精度越高。所以本测量仪的正弦测试信号选用AD公司的DDS芯片AD9833来产生，因此电路简单，占用空间小，成本也较高。

AD9833是一款低功耗、可编程波形发生器，能产生正弦波、三角波和方波输出。输出频率和相位可通过软件进行编程，以便于调谐。无需外部元件。频率寄存器为28位；当时钟速率为25MHz时，可以实现0.1Hz的分辨率。同样，当时钟速率为1MHz时，可以实现0.004Hz的调谐分辨率。

本设计用FPGA对AD9833进行控制，产生100Hz、1K、10K、100K四个频率的测试信号。

2.2 AD转换器

AD转换器是本测量系统的关键器件，在本系统中，阻抗的测量是通过测理矢量电压Ux和Ur来实现的，而Ux和Ur是直接由AD转换器进行采样，然后用采样数据计算得出的。因此，AD转换器的性能直接关系到测量的精度。根据本设计的需要，选用了AD公司的AD9235。

AD923是一款12位、20MSPS模数转换器（ADC）系列，采用3V单电源供电，该系列均内置一个高性能采样保持放大器（SHA）和基准电压源。AD9235采用多级差分流水线架构，内置输出纠错逻辑，在20/40/65MSPS数据速率时可提供12位精度，并保证在整个工作温度范围内无失码。

3 软件设计

本系统中采样和FFT运算都是由FPGA完成，微处理器只需负责简单的阻抗计算和测量控制，因此只需选用普通8位单片机，本测量仪选择STC的8位接增强型单片机，用C语言编写LCR测量仪的软件，软件的流程图如图3所示。

在测量的过程中，测量仪要自动选择合适的参考电阻，程序通过控制模拟开关，依次选每个参考电阻，比较各个参考电阻下Ux与Ur峰值之差，当Ux与Ur峰值之差最小时的参电阻就被中，然后进行计算。为了减少器件，本测量仪没有用峰值检测器，Ux与Ur的峰值同样是通过采样后进行FFT运算得出的。本测量仪有四个参考电阻，因此一次测量就需要5次FFT运算，每次都采同样多点所用时间太长，因此在确定参考电阻时每周期只采8个点，当参考电阻确定后，再采样32点进行运算。

4 结语

实验证明：采用采样方法的LCR测量仪，通过FPGA和单片机结合，使LCR的测量实现数字化，硬件结构简单，抗干扰能力强，精度更高。如何进一步提高测量范围以满足要求更高的场合是我们下一步的工作重点。

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基金项目：2013年市社会科技发展项目（2013108101012）；2013年度校级教育教学改革与研究项目（E1359108）；2014广东省高等教育教学改革项目（GDJG20142470）；2013年东莞市校科技计划产学研合作项目（2013509124214）。

作者简介：赖树明（1981-），男，广东茂名人，东莞理工学院电子工程学院电子工程师，研究方向：智能仪器仪表。

（责任编辑：周 琼）