一種基於采樣法的LCR測量儀的研製
產業發展
作者：賴樹明等
摘要：為研製一種基於AD采樣法LCR測量儀，文章通過測試信號電路，配合自動平衡電橋、模數轉換電路、FPGA和MCU微處理器，實現了儀器的小型化和智能化。實驗中係統工作穩定可靠，滿足設計要求，實驗表明該設計方法是行之有效的。
關鍵詞：采樣；FFT；LCR測量儀；數字平衡電橋 文獻標識碼：A
中圖分類號：TM277 文章編號：1009-2374（2015）21-0009-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.21.005
LCR測量儀是產品研發、生產、維護過程中必不可少的一種儀器，它能準確測量元器件在不同頻率和電平下的性能和各種參數。隨著集成電路的發展，以及微處理器性能的不斷提高，測量儀器不斷往小型化和智能化的方向發展。本測量儀充分運用了微處理器的運算能力和控製能力，大大減少了硬件電路，能自動測量電阻R、電容C、電感L、品質因素Q、損耗角正切值D。
1 測量原理
對阻抗進行測量方法一般有：電橋法、諧振法、電壓電流法、RF電壓電流法等，以上這幾種方法是模擬測量方法，精度差，調試困難，很難實現自動測量。本測量儀采用的自動平衡電橋電路對未知阻抗進行測量，用矢量電壓電流法對阻抗進行計算。
R為阻抗的實部，X為阻抗的虛部，得到R和X也就可以算出所測元器件的阻抗和電阻值、電容值、電感值、Q值和損耗角D。
在實際電路中，會有各種噪聲和幹擾，因此所加測試信號並不是純淨的正弦波，對測量結果會產生影響。所以在對采樣數據進行FFT後，信號分解成直流分量，基波分量和高次諧波分量。在進行阻抗計算時，隻需提取有用的基波分量進行計算，濾除直流和高次諧波，從而可大大減小電路中噪聲和幹擾對測量結果的影響，同時使測量結果不受運算放大器的偏置電壓和失調電壓等的影響。
2 硬件係統的組成
本測量儀主要由測試信號發生電路、自動平衡電橋電路、模擬天關與調理電路、AD模數轉換器、FPGA、單片機等組成。
測試信號發生電路產生正弦測試信號，加到自動平衡電橋，模擬開關在單片機的控製下，分別地將Ux和Ur通過調理電路送往AD轉換器，由AD轉換器進行一個信號周期Ts數據的采樣，兩次采樣的時間間隔為信號周期的整數倍nTs。AD采樣是由FPGA控製，FPGA在采樣結束後將數據傳到單片機進行運算。
2.1 正弦測試信號
由於本測量儀用采樣的方法實現對參數的測量，因此，測試信號的頻率的準確度和穩定度越高，采樣的數據越接近一個周期，計算出的結果精度越高。所以本測量儀的正弦測試信號選用AD公司的DDS芯片AD9833來產生，因此電路簡單，占用空間小，成本也較高。
AD9833是一款低功耗、可編程波形發生器，能產生正弦波、三角波和方波輸出。輸出頻率和相位可通過軟件進行編程，以便於調諧。無需外部元件。頻率寄存器為28位；當時鍾速率為25MHz時，可以實現0.1Hz的分辨率。同樣，當時鍾速率為1MHz時，可以實現0.004Hz的調諧分辨率。
本設計用FPGA對AD9833進行控製，產生100Hz、1K、10K、100K四個頻率的測試信號。