基于虚拟仪器技术的LCR测试仪的设计


2008 年 1 月 第 1 期 总第 110 期) (

广西轻工业
GUANGXI JOURNAL OF LIGHT INDUSTRY

机械与电气

基于虚拟仪器技术的 LCR测试仪的设计
徐 玓, 张银玲
( 解放军蚌埠坦克学院实验中心,安徽 【摘 蚌埠 23301 3) 要】 本 文 首 先 分 析 了 伏 安 法 测 量 阻 抗 的 原 理 , 详 细 介 绍 了 伏 安 法 测 阻 抗 的 计 算 方 法 , 以 此 为 基 础 给 出 了 一 种 基 于

LabVIEW 的虚拟 LC R 测试仪的设计方案, 然后介绍了测试系统各个硬件部分的设计。该测试仪充分利用 LabVIEW 数据处理能
力有效地实现了对阻抗的测量和分析。

【关 键 词】 虚拟仪器; LabVIEW ; LC R ; 阻抗 【中 图 分 类 号】 TM277.1 引言
LCR 阻抗是电路研究中经常需要用到的参数, 测量方法主
要有电桥法、 谐振法和伏安法三种。 电桥法具有较高测量精度, 其缺点在于需要进行反复电桥平衡调节, 测量时间长, 很难实 现快速自动测量。谐振法要求有较高频率的激励信号, 一般不 易满足高精度测量的要求, 由于测试频率不固定, 测试速度也 很难提高。伏安法是最经典的阻抗测量方法, 但仪器必须能进 行矢量测量及除法运算。 图形化编程语言 LabVIEW 是 美 国 NI 公 司 推 出 的 一 种 基 于 G 语 言 (Graphicslanguage, 图 形 化 编 程 语 言 )的 虚 拟 仪 器 软 件开发工具, 能轻松方便地完成与各种软硬件的连接, 设置数 据处理、 转换、 存储的方式, 并将结果显示给用户。除了具备其 他语言所提供的常规函数功能外, 还集成了大量的生成图形界 面的模板, 丰富的数值分析、 字信号处理功能以及多种硬件 数 设备驱动程序。 利 用 LabVIEW 提 供 的 强 大 数 据 处 理 能 力 来 完 成 伏 安 法 测量阻抗所需要的计算任务 , 我们研制了基于虚拟仪器技术的

【文 献 标 识 码】 A

【文 章 编 号】 1003- 2673(2008)01- 0059- 02
精确 90 o 相位差的相敏检波器基准信号, 其 缺 点 在 于 硬 件 相 敏 检波器直接影响测量精度。为了避免此缺点, 利用虚拟仪器技 术改进传统自由轴法, 简化硬件电路, 以软件相关算法准确测 量U
? ?



和 UR 矢量, 提高测量精度。通过相关算法检测 有 效 值

Ux、 R 及相位差 φ就可测量被测阻抗的虚实分量, 这是研制基 U
于虚拟仪器技术的 LCR 阻抗测试仪的最基本思想。



虚拟 LCR 测试仪算法的实现
基 于 虚 拟 仪 器 技 术 的 LCR 测 试 仪 特 点 在 于 软 件 替 代 硬

件, 改进传统测试方法。算法通过测量标准信号和待测信号之 间的相位差和这两个信号的有效值来准确估计待测元件参量。

2.1 相关法估计相位差及有效值算法原理
现假设被测阻抗信号和同频标准阻抗参考信号分别为 , X(t), R(t), 相位差为 φ 周期为 T。它们的互相关函数为: ( )τ RxR= τ=0= 1
!
T T



( ( ) "X t) R t+τdt


τ = 0

=1 T

( ) ( ) "Asin ωBsin ωt+τ+ω dt
#


$τ = 0

( 3 ) 由此可以得到:

LCR 阻抗测试仪。



虚拟 L C R 测试仪的原理
伏安法测量阻抗的原理基于欧姆 定 律 , 即 阻 抗 Zx 可 以 表

R xR (0)= AB cosφ即 φ =arccos 2 R xR (0)
式中, A、 分别为两路同频信号的幅度最大值。 B
! !



AB

( 4)

述为 :







Ux I


? ?



Ux e I x

j φ

( 1)

式中, Ux 为阻抗 Zx 两端压降的有效值, I x 为过流阻抗 Zx 电 流的有效值, φ为电压与电流的相位差。根据 (1)式可以得到

Z x=
式中,








j φ

= Z



cosφ Z +



sinφ

( 2)

图 1 正交法幅度测量算法原理图





Ux Ux = R , UR 为伏安法测量系统中 I x UR

同样我们可以用两路信号的自相关函数测量出 A、 。 B 但是 实际工程环境中, 存在随机噪声的干扰, 数据采集获取的数据 含有噪声, 带噪信号自相关函数在主峰处误差极大, 造成严重 测量误差 互相关函数具有很强的噪声抑制能力) , 实际工程中 ( 有必要对自相关幅度测量进行改进。 考虑到测试信号的频率是 已知的, 所以, 可以拟合产生标准正弦信号和余弦信号, 待测信 号 分 别 和 两 路 标 准 信 号 作 互 相 关 , 准 确 检 测 幅 度 A、 , 避 开 自 B 相关运算, 大大增强了噪声抑制能力。图 1 所示即为如上所述

的标准阻抗电压。 传统设计方案有固定轴法和自由轴法之分 , 固定轴法的缺 点在于为了固定坐标轴, 确保参考信号与被测信号之间的精确 相位关系, 硬件电路要付出相当大的代价。自由轴法无须固定 坐标轴, 相敏检波器的相位参考基准可以任意选择, 是近年来 智能阻抗测试仪大多选用的设计方案。 自由轴法关键在于产生
徐玓 【作 者 简 介】 ( 1975- ) , 男, 安徽寿县人, 蚌埠坦克学院讲师, 硕士。

59

正交法幅度测量原理框图。 设待测信号和正弦信号的互相关结果 R XS(0)为:

样存储电路、 激励信号发生电路和 USB 通信模块四大模块。前 端测试电路产生两路同频信号, 一路为待测元件上产生的信 ( 5) 号, 另一路为标准电阻上产生的信号。双通道同时采样电路对 这两路信号同时采集 , 转化成数字信号。激励信号发生电路产 生频率可变的激励信号。 USB 通信模块实现数据传输功能, 将 ( 6) 底层数据高速传输至上层 PC, 并控制各单元电路协调工作。系 统框图如 2 所示。

Rxs( 0) = AC cosθ 2
测信号和余弦信号的互相关结果 RXC(0)为:

Rxs( 0) = AC sinθ 2
测信号和正弦信号相位差式中, C 为拟合信号幅值。 式 因此, 可有式 (5)、 (6)得出幅值 A 为:

式中, A 为待测幅值, C 为 正 弦 信 号 和 余 弦 信 号 幅 值 , 为 待

A= 2 C
号有效值为:

!R

2 XS

(0)+RXC (0)



( 7)

综上, 两信号有效值和相位差可以表述成 (8)、 和 (10)。信 (9)

Ux = !2 C U R = !2 C

!R

2 XS

(0)+RXC (0)
2 R S



( 8)
2 R S

!R

( 0 )+ R

( 0 )

( 9)

图2

系统原理框图

信号相位差为:

φ arccos =

2 R (0) 2Ux UR XR
"

( 10)

式中, C 为拟合信号的幅值, Ux、 R 为待测信号和标准信号 U 的有效值。 采用正交法实现幅度测量增加了计算量 , 但是解决了自相 关噪声误差, 增强了噪声抑制能力, 大大提高了测量精度。另 外, 由于阻抗测试的测试频率已知, 拟合光滑正弦信号和余弦 信号方便可行, 突出体现了虚拟仪器技术的计算机优势。
图 3 虚拟 LC R 阻抗测试仪界面

3.1 前端测量电路设计
前端测量电路的作用是分别测出流经被测元件的电压 Ux、 代表恒定电流大小的基准电压 UR。 LCR 测试仪的前端测量电 路由差分放大器、 转换器和输入放大器三部分组成。 Ux 和 I/V

2.2 LC R 参量测试算法原理
由伏安法测试原理可以得到如下表达式:
jφ U Zx = x Re UR

( 11)

UR 信号通过差分放大器放大之后, 分 别 送 人 程 控 放 大 器 放 大 。
放大器的增益通过微控制单元控制, 程控放大器的输出送入同 时采集系统进行采集量化。

式 中 , Ux、 R 为 了 测 量 信 号 的 有 效 值 , R 为 标 准 电 阻 , φ为 U 实部分量为: 两信号的相位差。由 (11)可以得到虚、

3.2 激励信号产生电路设计
( 12) ( 13) 考虑到激励信号源对频率精度、频谱纯度和稳定度的要 求, 系统采用专用数字频率合成 (DDS) 芯片 AD 公司提供的

U ZR = x Rcosφ UR U ZV = x Rsinφ UR
式中, ZR、 V 分别为待测阻抗的虚、 实部分量。 Z

AD9850 产生激励正弦信号。 AD9850 内部包括可编程 DDS 系
统 、 性 能 DAC 及 高 速 比 较 器 , 能 产 生 频 谱 纯 净 、 率 和 相 位 高 频 都可编程的模拟正弦信号。 25MHz 时钟下, 输出频串分辨率 在 达 0.029Hz, 并且在 3.3V 供电时功耗仅为 155mW。

从理论上分析, 待测阻抗的实部反映了测试元件的电阻 性, 虚部反映了测试元件的电容或者电感性。 虚部为负, 表明电 压滞后电流, 测试元件呈容性; 虚部为正, 表明电压超前电流, 测试元件呈感性; 虚部为零, 测试元件呈纯电阻性。 测试仪利用 同时采样系统获取两路带噪信号 , 通过正交法估计两路同频信 号幅度有效值, 获取幅度有效值后, 采用互相关手段求解两路 信号的相位差, 最后根据 L、 和 R 计算公式求解待测参数。通 C 过虚部和实部之间的关系可以确定待测元件的类型 , 实现自动 识别、 自动测量。

3.3 双通道同时采样及存储电路设计
双通道同时采样是系统设计关键 , 为了降低测量误差, 必 须保证信号通道特性的一致性, 降低通道不对称导致的相位误 差。基于此, 我们的设计选用了美国德州仪器提供的双通道同 时模数转换芯片 ADS7861 。其最高采样率可达 500KS/s , 并具 有 12 位的数据分辨率, 推荐工作下功耗仅有 40mW, 适合 USB 低功耗环境。 系 ADS7861 支持差分输入和单端输入两种模式。 统构成单端输入模式 , 其中共模信号端直接和 2.5V 内部基准 源相连, 使得输入信号动态范围在 0 ̄5V。 ADS7861 采用串行 数据总线接口, 利用大规模可编程逻辑器件 EPM7064 实现串



LCR 测试仪硬件系统设计
LCR 测试仪硬件系统分为前端测量电路、双通道同时采

( 下转第 87 页)

60

! (rem(t,25)-

13)/ 9

"s ;





;如 (t)= ! (rem(t,29)- 11)/ 9 " 图 1 所 示 。 混

合矩阵 A 以及分离矩阵 W 为:
# $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ % # $ $ $ $ $ $ $ $ $ $ %

0.0818 0.0447 - 1.1789 - 0.8409

A=

0.2883 0.5039 - 1.2355 - 0.6547

1.0209 0.4053 - 0.3803 - 0.5712 2.9975

0.8965 0.7618 - 0.4617 - 0.501 4

& ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ( & ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ ’ (

- 1.8771 1.8907

- 2.7351

W=

0.6633 - 1.0683 - 2.7967 3.4682 - 3.3887 - 2.0104 3.1877 2.9611 - 4.550 2

2.1032

图 3 分离后信号

- 4.2848 4.8776

从分离结果看, 分离出来的信号只有相位和顺序与源信号 稍有不同, 分离效果良好。 并且随着采样点数的增加, 分离的效 果会更好。本实验的采样点为 500 。

混合后的信号如图 2 所示。 分离后估计出的信号如图 3 所 示。



结语
本文先介绍了负熵的定义, 接着提出了以负熵为非高斯性

准则的独立分量分析算法。克服了以峭度为准则的算法的缺 陷, 鲁棒性较好, 且由于采用了简单的负熵估计方法, 在一定程 度上降低了计算的复杂度。实验结果表明分离效果良好。 参考文献
[1] C omon P. Independent C omponent Analysis, A N ew C oncept [J].
图 1 信号源

Signal Processing, 1994, 36: 287- 314. [2] H yvarinen A, O ja E. Independent C omponent Analysis: Algo- rithms and Applications. N euralN etworks, 2000,13(4- 5):411- 430. [3] H yvarinen A, O ja E.A Fast Fixed- point Algorithm for Indepen- dent C omponent Analysis [J]. N eural C omputation, 1997, 9 (7): 1483- 1492.

图 2 混合信号

( 上接第 60 页)
转并, 并控制模数转换时序, 将每次转换数据自动存入存储单 元, 提高了数据采集、 存储效率。为了简化存储系统设计, 存储 单元采用 FIFO IDT7204 实现。需要注意的是 ADS7861 采用 外部时钟输入方式, 每 16 个时钟周期转换一次, 所以为了得到 最大 500K 的数据转换速率, 输入时钟应该设置为

信号产生电路的控制。



系统测试结果
系统利用 LabVIEW 强大的实现基于互相关原理的 L、 和 C

R 参数检测, 达到了比较满意的效果, 和传统仪器相比有着更高
的测量精度。基于 LabVIEW 平台的测试界面如图 3 所示。 参考文献
[1]徐爱钧著 . 智能化 测 试 仪 表 原 理 与 设 计 [M]. 北 京 : 北 京 航 空 航 天 大 学
出版社 ,1995.

8MHz。在

设 计 PCB 时 , 为 了 保 证 ADS7861 的 工 作 性 能 , 系 统 对 模 拟 电 源、 数字电源分别用高频磁珠、 0.1μF 滤波电容构成去耦电路, 达到良好的高频去耦效果。

3.4 US B 通讯模块硬件的设计
系 统 USB 通 讯 模 块 采 用 了 带 有 内 部 微 控 制 器 的 USB 控 制 芯 片 EZ- USB, CYPRESS 公 司 的 EZ- USB 内 部 集 成 了

[2]杨乐平 .LabVEIW 高级程序设计 [M]. 北京 :清华大学出版社 ,2003. [3]刘 君 华 著 . 基 于 LabVIEW 的 虚 拟 仪 器 设 计 [M]. 北 京 : 电 子 工 业 出 版
社 ,2003.

8051 内 核 , 支 持 本 地 DMA 传 输 , 支 持 3 个 USB 端 点 , 其 中 一
个端点具有 128B 容量, 另两个端点具有 256B 容量。 通过内部 集成的 8051 内核实现了对双通道同时采样及存储电路和激励

[4]吴忠杰, 林君, 韦见荣, 谢宣松 . 虚拟测试系统中模块化仪器关键技术
研究 [J]. 仪器仪表学报, 2005,8.

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