一种新型LCR测试系统设计

    董轶龙 温思歆 余晓铭 丁瑞金

    

    

    

    摘要:文章介绍了一种新型LCR测试仪系统,其基于LCR数字电桥原理,主要由LCR测试电路以及以单片机为核心的数据处理系统组成。单片机DAC输出正弦波,利用模拟开关选择不同的截止频率,对单片机产生的正弦信号进行滤波。LCR数字电桥法,分别测出Ux和Ur对应于某一参考相量的同相量分量和正交分量,经模数转换器将其转化为数字量,最终通过单片机进行数据处理。

    关键词:LCR数字电桥;单片机;模拟开关;数据处理

    LCR测试仪能准确并稳定地测定各种元件参数,主要是用来测试电感、电容、电阻的测试仪。对于一般封装好的电路,当无法具体了解其内部的具体参数时,我们会采用测试仪进行测试,市场上大多数产品成本较高。我们在这里给出一种成本低、操作简单、准确度高的智能LCR测量仪。经实验验证,该测量仪器所能测量电阻范围:100Ω~1MΩ,精度误差±2%;测量电容范围:1000DF~0.1uF,精度误差±5%。

    1 系统理论分析与计算

    1.1 正弦波输出模块的分析与计算

    根据设计要求,测试仪应具有3个可选的测试频点:100Hz,1kHz,10kHz。这就需要设计产生100Hz、1kHz、10kHz不同频率的正弦信号输出。单片机DAC输出正弦波,按键控制频点选择。利用模拟开关74HC4052选择不同的截止频率,对单片机产生的100Hz,1kHz,10kHz正弦信号分别进行滤波,经过电压跟随器,然后输出,以便得到更好的波形。

    正弦波输出模块电路中,模拟开关选用74HC4052芯片,运算放大器选用OPA2340芯片。有源滤波器的截止频率为f=1/(2πRC),故不同电阻值分别对应不同频率正弦信号输出。经计算,10kHz对应两个30KΩ电阻,1kHz对应两个200KΩ电阻,100Hz对应两个1MQ电阻。

    1.2 LCR测试模块的分析与计算

    阻抗用Zx表示,Rr为标准电阻器,则Zx=Ux/Ix=RrUx/Ur。此式为一相量关系式。若分别测出Ux和Ur对应于某一参考相量的同相量分量和正交分量,然后经模数转换(A/D)器将其转化为数字量,再进行复数运算,即可得到组成被测阻抗乙的电阻值与电抗值。

    LCR测试模块基本电路中,模拟开关选用74HC4052芯片,Rs有4个不同阻值的电阻以切换量程,得到最优测试值。

    2 电路与程序设计

    2.1 电路的设计

    2.1.1 系统总体部分

    测量电路主要由正弦波输出模块、LCR测试模块、电源模块组成。单片机DAC输出正弦波,按键控制频点选择。利用模拟开关74HC4052选择不同的截止频率,对单片机产生的100Hz,1kHz,10kHz正弦信号分别进行滤波,经过电压跟随器,然后输出,以便得到更好的波形。通过数字电桥的方法测量LCR值。

    2.1.2 正弦波输出模块电路

    单片机DAC输出正弦波,按键控制频点选择。利用模拟开关74HC4052选择不同的截止频率,对单片机产生的100Hz,1kHz,10kHz正弦信号分别进行滤波,经过电压跟随器,最后输出。

    2.1.3 LCR测试模块电路原理

    若分别测出Uz和Ur对应于某一参考相量的同相量分量和正交分量,然后经模数转换(A/D)器将其转化为数字量,再进行复数运算,即可得到组成被测阻抗乙的电阻值与电抗值。Rs电阻值的不同以切换量程,得到最优测试值。

    2.1.4 电源模块电路

    正负2V电源模块以LM7805为核心,为调制器提供正5V电压。

    2.2 程序的设计

    2.2.1 程序功能描述

    (1)产生不同频率正弦波。

    (2)控制频点选择。

    (3)显示测得L,C,R值。

    2.2.2 程序设计思路

    产生不同频率的正弦波信号,运用单片机PWM控制实现。

    测定电抗元件Zx中电压U1与电流I,用欧姆定律就可以得到Zx=U1/I,当乙串联了已知电阻R,那么测定了R上压降U2,

    单片机AD采样,复数FFT变换得到相位幅度,得到参考电阻和待测电阻上的压降,选择合适的量程,根据公式即可计算出L,C,R值。

    3 测试方案与测试结果

    3.1 测试方案

    (1)硬件测试。首先,将制好的电路板分模块进行测试,检查正弦波输出模块、LCR测试模块、电源模块设计是否符合理论要求。

    (2)软件仿真测试。将编写好的程序烧入单片机,进行软件仿真测试。

    (3)硬件软件联调。将硬件电路与软件相结合进行联调。

    3.2 测试条件与仪器

    测试条件:经多次检查后,硬件电路无虚焊无短接。

    测试仪器:DT9205A万用表。

    3.3 测试结果及分析

    3.3.1 测试结果(数据)

    3.3.2 测试分析与结论

    根据表1-2,可以得出以下结论:(1)测量电阻范围(100Q~1MQ)及精度误差±2%。(2)测量电容范围(1000pF~0.1uF)及精度误差±5%。(3)可使用按键设置被测器件的类型和单位,并显示。(4)具有3个可选的测试频点:100Hz,1kHz,10kHz。

    4 结语

    通过上述实验验证,我们所设计的LCR测试仪能够满足测量电阻和电容的量程范围和精度的要求。

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