基于正交采样算法的RLC智能测量仪设计与实现*

陈正振

(广西交通职业技术学院，广西 南宁　530023)



基于正交采样算法的RLC智能测量仪设计与实现*

陈正振

(广西交通职业技术学院，广西 南宁530023)

摘要：为解决对电阻、电容、电感等阻抗元件的智能识别和高精度测量等关键技术问题，以单片机为核心控制器采集测量数据，并通过正交采样算法对数据进行分析和处理，智能识别待测元件种类，精确测量元件参数，并实现在线测量、量程自动转换、快速测量、数字化显示等功能.测试结果表明，该智能测量仪具有测量精度高、测量范围广、使用操作便捷、智能化集成度高等优势，符合智能电子测量仪器设备的发展趋势和实际应用需要.

关键词：正交采样算法；智能识别；高精度测量；单片机技术

0引言

进入21世纪以来，应用电子技术、单片机技术日新月异发展，对各类电子测量仪器设备的参数性能也提出了更高的要求.以单片机、嵌入式系统为核心控制器，数字化、智能化、高精度、高可靠性成为新一代智能电子测量仪器设备的发展趋势.在实际的应用电路中，电阻(R)、电感(L)、电容(C)是最基础，也是应用最广泛的电子元器件，利用RLC测量仪合理的选择电子元器件，并精确的测量其参数是确保整个电路系统正常稳定工作的重要保证.

传统的RLC测量仪器主要采用伏安法、电桥法和谐振法等技术原理，普遍存在测量范围较窄、测量精度不足、智能化程度不高、操作使用烦琐、测量结果读取不直观等问题.经理论研究和实践测试，基于正交采样算法，并以单片机为核心控制器的RLC智能测量仪可以实现元器件在线测量和智能识别、量程自动转换、快速测量、数字化显示等多种功能，较传统的测量仪具有测量精度高、测量范围广、使用操作便捷、智能化集成度高等优势，符合智能电子测量仪器设备的发展趋势和实际应用需求，在工业测控技术、物联网技术、数码电子产品维修等领域中将具有较为广阔的应用前景.

1系统原理分析

在正弦交流电路中，电阻、电容、电感这三种阻抗元件相量形式的伏安关系各不相同，为正交采样提供了可行性.

1.1元件阻抗特性分析

在正弦交流电路中，电阻的伏安关系为：

u=R×i

(1)

其中u和i分别代表交流电压和交流电流，可以把公式(1)以交流形式表示为：

Ucos(wt+θ1)=RIcos(wt+θ2)

(2)

将公式(2)化简后可以得到：

U=R×I

(3)

因此，在正弦交流电中，电阻元件的电压与电流相位相同，即：

θ1=θ2

(4)

相量图如图1所示.

图1　电阻相量图

在正弦交流电路中，电容的伏安关系为：

i=C(du/dt)

(5)

其中u和i分别代表交流电压和交流电流，可以把公式(5)以交流形式表示为：

Icos(wt+θ2)=C{d[Ucos(wt+θ1)]/dt}

(6)

将公式(6)化简后可以得到：

I=wCU

(7)

因此，在正弦交流电中，电容元件的电流相位超前电压相位90°，即：

θ1=θ2-90°

(8)

相量图如图2所示.

图2　电容相量图

同理，在正弦交流电路中，电感的伏安关系为：

u=L(di/dt)

(9)

将公式(9)化简后可以得到：

I=wCU

(10)

因此，在正弦交流电中，电感元件的电流相位滞后电压相位90°，即：

θ1=θ2+90°

(11)

相量图如图3所示.

图3　电感相量图

1.2正交采样原理分析

正交采样可对中频信号进行采样，并将采样结果进行数字信号处理，形成同相信号I(In-phase)和正交信号Q(Quadrature)，再通过正交相干检波，从而得到一致性好、精度高的正交信号，以提高系统的性能.

根据电阻、电容、电感的阻抗特性分析结果，假设将电阻和电容串联，并在串联电路两端加载正弦交流电压，因为在串联电路中电流的幅度和相位都是相同的，所以加载在电阻上的电压比加载在电容上的电压超前90°.同理，假设将电阻和电感串联，则加载在电阻上的电压比加载在电感上的电压滞后90°.又根据阻抗Z的计算公式：

Z=R+jX

(12)

可知在交流电路中实部与虚部之间的相位差也为90°.因此，所谓正交采样法是指在采样交流信号时，只要在任一时刻采样一次得到交流电V1，然后相移90°再采样一次得到交流电V3，那么用V1和V3就可以完整的表示该交流电信号如下式：

(13)

2系统设计方案

RLC智能测量仪采用微芯公司的高速、高性能的单片机PIC16F877为核心控制器，整个系统主要由基准信号发生电路、高精度仪用差分式放大电路、电位提升电路、量程自动转换电路等主要部分组成.系统框图如图4所示.

首先，由晶振、多谐振荡器、分频器和积分电路构成的基准信号发生电路产生频率为1 KHz的正弦交流电基准信号，并将基准信号加载至由待测元件与基准电阻构成的分压电路中.

其次，由高精度仪用差分式放大电路对经过分压电路的交流电压进行放大，并将放大后的交流信号通过电位提升电路.因为在交流信号中电压瞬时值是周期性变化的，在负半周期时交流电压瞬时值可能为负值，而负值电压不便于进行A/D转换.所以通过电位提升电路将信号整体提高2.5 V的直流分量，以确保交流电压在整个周期中瞬时值均为正值.

然后，通过高速A/D转换器实时采集正弦交流信号的电压瞬时值，并将采集结果送至单片机.单片机根据采样结果控制量程自动转换电路选择合适的量程档位，以实现差分式放大电路的自动增益控制.

最后，单片机通过正交采样算法对采集数据进行运算和处理，并显示测量结果.

图4　RLC智能测量仪系统框图

2.1硬件电路设计与实现

在RLC智能测量仪的硬件电路中高精度仪用差分式放大电路是核心模块.因为差分式放大电路是对两个输入端之间的差值进行放大，从而对外界干扰输入的共模信号有很强的抑制作用，所以，仪用差分式放大电路可以有效地提高测量精度和测量仪的抗干扰性.仪用差分式放大电路如图5所示.

图5　仪用差分式放大电路

在图5中，ZX为待测元件，R为基准电阻，输入电压分别为X、Y输入仪用差分式放大电路.根据理想运放的“虚短”概念，电阻R1两端的电压为：

VR1=VX-VY

(14)

又因为：

VR1/R3=(VA2-VA3)/(2×R2+R1)

(15)

VO=(R4/R3)(VA2-VA3)

(16)

所以：

VO=-R4/R3(1+2×R2/R1)(VX-VY)

(17)

2.2软件程序设计与实现

RLC智能测量仪的软件程序主要由量程选择、A/D采集、运算处理、元件识别等子程序组成.软件程序流程图如图6所示.

图6　软件程序流程图

当待测元件接入测量电路后，单片机首先对串联分压电路的交流电压进行一次采集，并根据采集得到的电压瞬时值，驱动模拟开关选择适当的基准电阻接入分压电路，实现量程自动切换的功能，以确保测量的精确性.

选择合适的量程后，进入到A/D采集程序.为提高测量精度，程序进行六次循环正交采样，并将六次采样得到的数据进行升序排列，去掉一个最大值，一个最小值，剩余的四个数据取平均值，以滤除外界干扰对测量结果的影响.

最后，将采样得到的有效数据进行运算和处理，从而实现元件类型智能识别的功能，并显示测量的结果.

3正交采样算法及智能识别

(18)

3.1正交采样算法

根据正交采样原理，只需要在一个任意正交坐标系中实时采样到两个相位相差90°的电压分量V1和V3就可以完整的表示该交流电信号.

(19)

(20)

将公式(19)、(20)代入(18)，得：

(21)

令：

A=V1·V2+V3·V4

B=V2·V3-V1·V4

则公式(20)可化简为：

(22)

再令：

则：

ZX=RX+jX

(23)

其中，RX、X分别表示待测元件阻抗值ZX的电阻部分和电抗部分.

3.2元件智能识别

根据以上正交采样算法的相关公式，将正交采样值V1、V2、V3、V4代入后，可以求出待测元件的电抗值X.根据电抗值X的计算公式：

X=wL-1/wC

(24)

可以得出结论，当X=0时，则可判定待测元件为电阻，当X<0时,则可判定待测元件为电容；当X>0时,则可判定待测元件为电感.所以，通过单片机软件程序分辨待测元件的电抗值X的符号，便可以实现智能识别待测元件种类的功能.

4测试结果分析

为实际检验系统的智能识别功能和测量精度，对多个待测元件进行实际测试.测量相对误差r=(X1-X0)/X0，其中，X1为实际测量值，X0为待测元件标称值.具体测试数据如表1所示.

表1　测试数据表

根据实际测量结果表明， RLC智能测量仪可以对电阻、电容、电感等待测元件进行智能识别和测量，其中，电阻测量范围：0.1Ω～10 MΩ，测量精度±1%；电容测量范围：1 pF～10000 uF，测量精度±5%；电感测量范围：10 uH～10000 uF，测量精度±5%.

5结语

经过测试，基于正交采样技术，以单片机为核心控制器的RLC智能测量仪各项功能和参数指标都已经达到预期目标，具备在线测量、智能识别待测元件、高速高精度测量和数字化显示等功能.具有性能稳定、携带方便、操作灵活的特点，可以有效提高测量仪的工作效率，在工业测控、物联网、数码电子产品维修等领域具有广阔的应用前景.

[参考文献]

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[4] Leszek A. Maciaszek. 需求分析与系统设计[M]. 北京: 机械工业出版社, 2009.

[5] 丁金林，王峰. 智能RCL测量仪的设计[J]. 江苏市职业大学学报, 2010(z1):23-26.

[6] 杜永强. 直接中频采样数字正交输出的最小二乘实现. 系统工程与电子技术, 2000(z1):7-10.

[责任编辑苏琴]

[责任校对黄招扬]

Design and Implementation of RLC Intelligent Measuring Instrument Based on Quadrature Sampling Algorithm

CHEN Zheng-zhen

(GuangxiVocationalandTechnicalCollegeof

Communications，Nanning530023，China)

Abstract:In order to solve the key technical problems of intelligent recognition and high precision measurement for the impedance element such as resistors, capacitors, inductors and so on, based on orthogonal sampling algorithm for data analysis and processing, the intelligent measuring instrument discerns the recognition of the measured elements automatically and achieves on. line measurement, automatic conversion range, rapid measurement, digital display and so on by using single-chip microcomputer as the core controller to collect measurement data. The Test results show that the intelligent measuring instrument has advantages such as high measurement precision, wide measurement range, operation convenient and intelligent integration which are conformed to the needs of the development trend and the actual applications for intelligent electronic measuring instruments and equipment.

Key Words:Quadrature Sampling Algorithm； Intelligence Identification； High precision measurement；Single chip technology

中图分类号：TM932

文献标识码：A

文章编号：1673-8462(2016)01-0086-05

作者简介：陈正振(1983-)，男，广西柳州人，硕士，广西交通职业技术学院讲师，工程师.研究方向：电子信息工程技术.

基金项目：广西高校科学技术研究项目资助(2013YB308).

收稿日期：2015-12-20.