宋 永，楊 闊

(1.阿壩師范學院電子信息與自動化學院，四川汶川 623002；2.阿壩師范學院應用物理研究所，四川汶川 623002)

0 引言

隨著智能化水平的提高以及制造工藝的進步，電子元器件的體積趨于小型化[1]，無源器件的精度更加精確，工作頻率越來越高，這對LCR(電感、電容、電阻)測試儀器提出了更高的要求[2]。目前國內生產LCR測試儀普遍存在測量精度低、測量頻率范圍小等缺點。為了克服這些缺陷，系統(tǒng)設計了一種寬頻帶、高精度的LCR測試儀，其主要利用CPLD+DDS技術產生系統(tǒng)所需的精密信號源，以保證激勵信號的精度。采用矢量電壓/電流信號檢測電路和相敏檢波電路實現矢量信號的精密檢測，測試結果表明，本文設計的LCR檢測儀具有測量速度快、準確度高等優(yōu)點[3]。

1 系統(tǒng)總體設計方案

LCR測量儀檢測系統(tǒng)主要是由信號產生模塊、信號處理模塊、數據采集模塊以及電源模塊組成[4]。信號產生模塊用于產生高精度的激勵信號，將激勵信號施加到待測器件上。信號處理模塊是對施加到負載上的電壓電流信號進行預處理，保證電壓電流信號的精確性。數據采集模塊用于采集系統(tǒng)產生的反饋信號，并送入A/D轉換器進行模數轉換。電壓模塊則是為整個系統(tǒng)供電，系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結構圖

信號源產生適當的激勵信號加到待測器件的兩端，通過控制器調節(jié)自動平衡電橋電路，選擇合適的采樣檔位，然后再將信號送入到阻抗測量系統(tǒng)中。利用混頻器求得激勵信號和反饋信號的相位差，再將混頻器輸出信號送入信號檢測電路，計算得到待測器件的阻抗Z。最終，根據相關公式，將阻抗Z轉換為L、C、R值。

2 系統(tǒng)硬件設計

LCR測量儀的硬件電路主要包括信號源驅動電路、信號檢測電路以及數字信號控制電路等。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示[5]。系統(tǒng)接入220 V交流電，通過相關整流濾波電路后轉換為系統(tǒng)所需要的直流電?？刂破鳟a生激勵信號驅動待測器件，由信號檢測電路完成待測器件反饋信號的檢測，最終送入控制器中計算、處理，求得待測器件的L、C、R值。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

2.1 信號源產生電路

系統(tǒng)的信號源有電壓源和電流源兩種[6]。其中電壓源包括直流信號源和交流信號源，直流信號源用于測量直流電阻，而交流信號源用于測量復阻抗，信號源檢測原理圖如圖3所示。

圖3 信號源檢測原理圖

信號源電路在CPLD的控制下產生數字信號，經外部D/A轉換后產生模擬信號，經過程控放大和濾波電路之后產生相應的直流信號和正弦交流信號。兩個信號在加法器中求和，得到系統(tǒng)所需要的電壓源驅動信號。由于加法器輸出的信號功率很小，并不能直接去驅動負載，因此需要在加法器輸出后加一個功率放大電路[7]。本文選用推挽式功率放大電路實現功率放大，硬件電路如圖4所示。

圖4 推挽式功率放大電路

為了避免交越失真，在電路中加入電阻R45、R46和二極管D1、D2，為三極管Q1、Q2提供直流偏置，使得其處于微導通狀態(tài)。由于信號源的內阻大約為10 Ω，電壓信號源的有效值約20 V，因此經過功率放大電路后系統(tǒng)的輸出的最大功率達20 W，滿足系統(tǒng)設計要求。

本文設計的LCR測量儀，有些情況需要使用恒流源作為激勵信號，因此還需要設計一路可控電流源作為激勵信號的一部分[8]。當電流源替代電壓信號時，將電流源串聯(lián)接入檢測電路中，檢測示意圖如圖5所示。

圖5 電流源檢測原理圖

系統(tǒng)實現了0～1 A的電流輸出，單片機內部的12位D/A轉換器控制輸出0～3.3 V的電壓。當加在負載ZL上的電壓在0～3.3 V波動時，負載上的電流在0～1 A之間連續(xù)變化，硬件電路如圖6所示。

圖6 壓控恒流源電路圖

2.2 檢測電路

當利用信號源激勵待測器件時，在待測器件的另一端就會產生一個反饋信號[9-10]。反饋信號中含有直流和交流成分，其中直流信號可以直接利用單片機的A/D轉換器進行模數轉換，交流信號則需要通過乘法器電路進行相關處理。將產生的交流信號和同頻率的參考信號送入乘法器中，則其輸出信號中含有高頻和低頻分量，再通過低通濾波器得到低頻直流分量。檢測示原理圖如圖7所示。

圖7 反饋信號檢測原理圖

2.3 電源電路

本文設計了一套直流穩(wěn)壓電源給測量系統(tǒng)供電。直流穩(wěn)壓電源分為4個部分：電源變壓器、整流部分、濾波部分以及穩(wěn)壓部分[11]。系統(tǒng)接入220 V交流電，經過電源EMI濾波器濾波之后送入變壓器，最終經過整流和穩(wěn)壓電路得到系統(tǒng)所需的各項直流電源。電源硬件原理圖如圖8所示。

圖8 電源電路原理圖

3 LCR測試儀軟件的設計

系統(tǒng)軟件主要包括兩路DDS程序、壓控電流源產生程序、定時器中斷程序、A/D采用程序以及最小系統(tǒng)程序等。其中CPLD采用VHDL語言編寫，ARM采用C語言編寫。當接通電源時，系統(tǒng)啟動，首先由CPLD控制產生兩路激勵信號，經功率放大電路之后去驅動待測器件，檢測電路檢測到的反饋信號經處理后被單片機的A/D轉換器采集，計算得出待測器件的阻抗值，最終轉換為相應的L、C、R的值。軟件流程圖如圖9所示。

圖9 系統(tǒng)軟件流程圖

4 實驗數據分析

為了進一步驗證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量的準確性，現對系統(tǒng)做如下測試：利用日本日置的LCR測試儀IM3536對標準的電阻器和電容器進行測試，將測試數據與本文設計的系統(tǒng)進行對比，對同一器件重復測試20次，計算平均值和方差，對于電容器件，主要測量并聯(lián)電容量Cp和損耗因素D；對于電阻器主要測量電阻Rs，測試數據如表1、表2所示。

表1 并聯(lián)電容和損耗因素測量數據對比

表2 電阻測試數據對比

由測試數據可知，對同一器件連續(xù)測量20次，其測量平均值與實際值幾乎一致，說明系統(tǒng)檢測精度較高；測量的方差小于0.05%，說明系統(tǒng)的穩(wěn)定性較好。通過與日置IM3536的LCR測試對比可知，本文設計的LCR測試儀的各項性能指標略低于IM3536，但測量精度相對于國內產品已經提高了很多。

5 結束語

本文設計了一種高精度LCR檢測儀，為了避免電壓紋波對系統(tǒng)檢測精度的影響，系統(tǒng)設計了線性電源電路給各個子系統(tǒng)供電。其次，系統(tǒng)采用CPLD+DDS技術產生所需的精密激勵信號源，利用矢量電壓/電流信號檢測電路和相敏檢波電路實現矢量信號的精密檢測，從而計算得到待測器件的阻抗值。實際測試結果表明，系統(tǒng)對元器件的各個參數(Cp、D、Rs)的測量精度高，測量方差小于0.05%，穩(wěn)定性好，符合設計預期。