基于虚拟仪器的阻抗参数测量系统的研究

李凤婷， 李 冶， 孟兆海， 刘名扬

(吉林大学 a. 仪器科学与电气工程学院， 长春 130026; b. 地球科学学院， 长春 130061)

基于虚拟仪器的阻抗参数测量系统的研究

李凤婷a， 李 冶a， 孟兆海b， 刘名扬b

(吉林大学 a. 仪器科学与电气工程学院， 长春 130026; b. 地球科学学院， 长春 130061)

设计了一种基于FPGA和虚拟仪器技术的阻抗测量系统。其原理为利用DDS直接数字频率合成技术设计实现系统的激励信号与基准信号，通过V-I法将阻抗转换为电压进行测量，利用相敏检波器滤除交流信号，便于对电压进行采集，再通过A/D进行转换，并通过总线实现系统与微处理器的数据通信，最后以LabVIEW软件进行数据处理，通过软件界面进行数据显示和系统控制，从而实现对各个参数的测量和显示。系统采用虚拟仪器与计算机相结合的方式代替传统仪器，不仅操作简单方便，而且便于控制。另外，该系统具有测量精度高，容易实现的特点，并且广泛适用于实验研究与工业测控等相关领域。

现场可编程门阵列; 直接数字合成器; 虚拟仪器; 阻抗测量; 高精度

0 引 言

随着电子技术的快速发展，对电子产品的精度要求越来越高。电子产品最常用的元器件为电阻、电容、电感。其中，阻抗是元器件固有的最基本的特性，因此在提高电子产品精度的过程中阻抗的测量就显得尤为重要。目前，能够对组成电路的元器件参数进行测量的仪器有很多，它们的测量方法也各不相同，但随着对电子产品精度要求的提高，它们的弊端也逐渐显露出来[1]。虚拟仪器技术的发展，为我们提供了一种灵活、高效的解决方案，它改变了传统仪器的测量模式，使原本松散结合且不兼容的测量系统发展成紧密结合的虚拟测量系统[2]。虚拟仪器的出现开辟了仪器技术的新纪元，它是多门技术与计算机技术结合的产物，其基本思想是利用计算机来管理仪器、组织仪器系统[3]，将传统仪器中部分硬件电路用软件来设计实现[4]。基于上述特征，本文研究并设计了一种新的虚拟阻抗测量系统，有机地将虚拟仪器与传统仪器结合起来，具有精度高，测量简便且容易实现的特点。

1 测量原理

目前，对元器件的参数测量方法主要有电桥法、I-V法、RFV-I法和网络分析法4种。电桥法因测量精度高被广泛应用，但在测量的过程中也存在着测量时间长、桥路复杂不易实现、价格昂贵等问题[5]。RFV-I法与网络分析法则适用于射频、微波频段的阻抗测量，虽然具有较高的测量精度，价格十分昂贵[6]。在本系统中选用V-I法来实现对阻抗的测量，测量原理如图1所示。

该方法源于阻抗的定义，通过欧姆定律实现对参数的测量，通过对图1的分析可以得出：

(1)

式中：Zx为被测阻抗，Zs为标准阻抗，Zx、Zs两端的矢量电压分别为Ux与Us，通过Zx与Zs的电流相同。根据矢量的不同表示法，式(1)还可以用下式表示：

(2)

式中：U1、U2分别为Ux的实部分量和虚部分量，U3、U4分别为Us的实部分量和虚部分量。只需测量Ux与Us的实部与虚部分量，并进行矢量除法运算就可以得到被测阻抗Zx[7]。

2 系统总体设计方案

本系统主要由硬件设计与软件处理两部分组成：硬件部分主要包括激励信号模块、测量电路模块和数据处理模块等；软件部分主要包括软件界面设计和数据处理。其总体方案设计如图2所示。

系统的信号源是由FPGA和D/A转换芯片进行DDS合成设计实现，并通过滤波处理得到频谱纯净的正弦波。其产生的信号频率为0.1～50 kHz，幅度为0.005～1.5 V，能够满足系统的测量要求。测量电路中采用端对结构引入被测元件，可以降低外界干扰，提高测量精度。相敏检波器通过全波鉴相来分离测量电压的实部和虚部，降低矢量除法的计算难度。再通过A/D转换电路将获得的模拟量转化为数字量，并将数据上传到上层软件。最后利用LabVIEW图像化软件编程，实现界面显示、控制与数据处理。

3 硬件设计

3.1 信号发生器模块

对于系统的信号源，采用直接数字频率合成DDS(Direct Digital Synthesizer)技术实现，其原理框图如图3所示[8]。

DDS技术的关键是相位累加器，它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成。每来一个时钟信号，相位寄存器就会增加M。相位寄存器的输出与相位控制字相加，并输入到正弦查询表地址上。通过查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，经过D/A变换，输出模拟信号。相位寄存器每经过N/M个时钟后回到初始状态，相应的正弦查询表则刚好经过一个循环回到初始位置，系统输出一个完整的正弦波[9]。输出的正弦波信号的频率为:

(3)

由于该系统的测量电路中存在着阻抗到矢量电压的转换，除了需要正弦激励信号，相敏检波模块还需要一路正弦基准信号。在FPGA中设计的激励信号与基准信号产生电路如图4所示。正弦波形数据是在内存初始化文件(.mif文件)中编写的，共有256个点的数据，波形存储器通过加载内存初始化文件的方式将正弦波形存储起来。8 bit计数器寻址读出存储器中的正弦波形数据，正弦波形输出的频率由计数器的可编程时钟控制，依据DDS原理，通过控制32 bit累加器的频率控制字，选取累加结果的最高位作为可编程时钟控制计数器计数的速度，也就是寻址速度。

图4 信号发生器电路图

另外，从波形存储器中输出的激励信号与基准信号的正弦数字波形需要通过D/A转换器转换为连续的正弦波，这里采用多路并行转换芯片AD5428设计的D/A转换器实现，通过控制AD5428还可以将激励信号与基准信号分时复用转换，满足系统的整体测试条件。

3.2 测量电路模块

3.3 相敏检波模块

为了测量矢量电压Us和Ux的实部和虚部分量，需要采用模拟乘法器型相敏检波器对矢量电压进行全波鉴相，相敏检波器主要由鉴相器和积分器两部分构成[10],其原理如图6所示。

图6 相敏检波原理框图

假设

U0(t)=Uscos(ωt+θ)，U1(t)=Urcos(ωt)

鉴相器的输出为：

U(t)=U0(t)·U1(t)=Uscos(ωt+θ)·Urcos(ωt)= 0.5UsUrcosθ+0.5UsUrcos(2ωt+θ)

在经过低通滤波器后，高频成分被滤除，只留下直流分量Ux=0.5UsUrcosθ。同理，当参考信号为U1(t)=Urcos(ωt+π/2)时，经过低通滤波器后的直流分量为：Ux=0.5UsUrsinθ。作为参考信号Ur为常量，当以0°相位作为参考信号时，输出的直流分量相当于被测量在X轴上的投影分量，即被测信号的实部分量，也是电阻R；当以90°以相位作为参考信号时，输出的直流分量相当于被测量在Y轴上的投影分量，即被测信号的虚部分量，也是电抗[11]。这里选择0°、90°、180°、270°相位作为参考信号，是为了测量出两组数据取平均值，从而提高测量精度，其电路原理图如图7所示。

图7 相敏检波模块电路原理图

3.4 A/D转换模块

相敏检波器输出的直流信号需要进行A/D转换才能将模拟信号转为数字信号，便于上层软件的数据处理与显示。本系统选用的是高精度的24位A/D转换器ADS1232，其接口电路如图8所示。通过控制ADS1232的SPEED引脚，就可以选择芯片进行转换的速率，GAIN0和GAIN1引脚用来控制增益，A0控制通道选择。电路图中芯片已被配置成单端输入模式，基准电压5V，ADS1232允许输入电压的范围为0～2.5 V，在进行A/D转换之前需要进行信号调理，将被测信号调理到A/D转换所允许的范围之内[12]。

4 软件设计

系统的软件部分主要是将微处理和FPGA采集到的数据通过USB总线上传到上层软件LabVIEW，并进行数据处理和界面显示、控制的设计。LabVIEW是由美国NI公司推出的一款图形化软件，它主要由前面板图形控制界面、后面板程序框图和图标接线端口三部分构成。另外，LabVIEW有着大量的VISA I/O库，可以通过CLF节点调用动态连接库的方式实现和底层硬件的通信[13]。本系统的软件设计主要包括LabVIEW前面板和后面板程序框图两部分。前面板用于控件的定义、界面设计及数据显示，程序框图用来进行数据的处理、数据流的控制[14]。

(1) 子VI程序设计。仪器的软件设计部分采用模块化的设计方式，通过各个子VI分别实现各个功能，完成整体测量。在对系统进行激励源与其他参数的设置后，首先要进行的就是仪器的初始化，经过仪器的初始化，确认硬件连接正确后就可以进行测量，仪器初始化程序框图如图9。如果连接不正确，会返回错误的函数值，可以通过函数值快速查找并解决问题。

对于参数的测量，采用单次测量的方式来选择合适的标准电阻、放大的倍数及参数计算公式，以便于得到更加准确的结果。对电阻进行测量时，数据处理的程序框图如图10所示。

图8 A/D转换接口电路图

图9 仪器初始化程序框图

图10 电阻测量程序框图

(2) 软件界面设计。虚拟阻抗测试仪的软件界面设计如图11所示。

图11 虚拟阻抗测试仪的软件界面图

5 测试结果及误差分析

采用LW-2811C数字电桥与本系统的测量结果进行对比和分析，将被测元件连接在测试端口，设置激励信号频率、标准电阻，并进行仪器初始化。对电阻测量结果见表1，系统的测量方式为手动测量。

表1 测试结果

由表1可见，用LW-2811C数字电桥和本仪器对R、C、L元件参数的测量结果和误差对比，由于被测元件的制造精度的问题，其标定值与真实值存在一定的差异。选用LW-2811C数字电桥的测量值作为参考，并计算本仪器与数字电桥的测量的偏差，来判断该系统的误差。LW-2811C数字电桥的测量精度为±0.25%，从表1的测量结果可以判断本仪器的测量误差可以达到±0.5%。另外，由图11可见，该系统还能对被测元件的品质因数、损耗因数、阻抗模值、阻抗相角等参数的测量，完全可以满足实验教学的应用。

6 结 语

本文介绍了一种将虚拟仪器技术与现代传统仪器相结合的阻抗测量系统，它利用软件设计代替了复杂的硬件处理，增强了测量的可视化。在降低设计成本的同时又具有较高的测量精度，能够快速进行电阻、电容、电感等参数的测量，具有较强的实用性，符合目前工业领域和实验室教学的测量需求。但该设计还略嫌不足，由于测量过程中需要对标准电阻进行选择，故对于测量方式和精度还有待于进一步提高。

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Research of an Impedance Parameters Measuring System Based on Virtual Instrument

LIFengtinga,LIYea,MENGZhaohaib,LIUMingyangb

(a. College of Instrumentation & Electrical Engineering, Changchun 130026, China; b. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China)

In this paper we designed a kind of impedance measuring system based on FPGA and virtual instrument, the DDS direct digital frequency synthesis technology was used to design the excitation signal of the system and the base signal. Through the method of V-I the measurement of impedance was converted into voltage. Phase-sensitive detector was used to filter out the AC signal and made it easy to collect the voltage. Then through the A/D conversion, the bus was used to realize the system data communication with the microprocessor. Finally, we used the software LabVIEW to analyze the data and realize the measurement of various parameters, and display. The system makes a combination of virtual instrument and computer instead of the traditional instrument. The operation of the system is simple and easy to control. In addition this system features as high accuracy and convenience, can be widely used in the industrial field and the lab research.

field programmable gate array (FPGA); direct digital synthesizen (DDS); virtual instrument; impedance measurement; high accuracy

2016-08-10

李凤婷(1991-)，女，吉林长春人，硕士，主要研究方向：虚拟仪器。

Tel.:15143083624; E-mail：lifengting0405@126.com

李 冶(1958-)，男，吉林省长春人，教授，主要研究方向：虚拟仪器、嵌入式系统。

E-mail：lye@jlu.edu.cn

TM 932

A

1006-7167(2017)04-0141-05