内容发布更新时间 : 2024/5/1 13:32:45星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。

电阻电容电感测试仪的设计与制作

摘要：本文设计了一种基于单片机的高精度可自动更改量程的电阻电容电感测量仪器。通过DDS产生两路相位差为90°的正弦波信号，运用 伏安法中的R-U数字正交采样法和相敏检波技术，最后测出电阻电容电感值，同时设计了LCD屏背光开闭的节能设计。经过测试，本设计性能稳定，测量精度高。

关键词：伏安法 R-U数字正交采样 自动量程 相敏检波技术 节能设计

1 系统方案

1.1 系统总设计与方案框图

本设计采用DDS9854产生两路高精度的且相位差为90°的正弦波信号，一路流经待测的电阻电容电感和标准电阻的串连电路在通过相敏检波电路，另一路直接到达相敏检波电路，通过模拟开关选择基准电阻和被测电阻（以及电感电容的等效阻抗）两端的电压，通过伏安法求相应电阻和等效阻抗，进而求出电阻电感和电容值。同时通过调节信号发生器产生的频率、模拟开关选择通过相敏检测器的正弦波信号以及可编程电阻的阻值来实现测量量程的自动切换。最后通过LCD显示出待测项目的相关内容，并利用键盘进行功能的切换。

该系统由自制电源、参考信号源产生电路、半桥测量电路、相敏检波电路、A/D转化电路、微处理器、键盘和LCD等模块构成。系统的原理图见图1。

电源模块 LCD 显示 微控 制器 键盘 半桥测量模块 相敏检波器 A/D 转 换 模 块 基准相位发生图1 系统的设计原理图

1.2 方案论证与比较选择 1.2.1测量方法的选择

RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法三种。

方案一：电桥法。具有较高的测量精度，但硬件设计复杂，测量过程中需要反复调节电桥平衡，不利于实现自动的智能化控制。

方案二：谐振法。需要较高频率的激励信号，无法满足高精度的测量要求。另外由于测试频率不固定，测试速度慢。且同样需要反复人工调节。

方案三：伏安法。最经典的方法，它的测量原理来源于阻抗的定义。即若已知流经被测阻抗的电流相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。

伏安法有固定轴法和自由轴法两种：固定轴法为了固定坐标轴，确保参考信号与信号之间确的相位关系，对硬件要求很高；自由轴法中的坐标轴可以任意选择，但要保持两个坐标轴准确正交，为进一步提高测量精度，可以采用基于数字信号处理的R-U数字正交采样法来实RLC参数测量，同时可以弥补正弦信号源的失真、差动放大器的误差等缺点。

方案选择：综合测量精度，测量速度、智能化测量以及算法实现等多方面考虑，我们选

1

用了伏安法中的R-U数字正交采样法。 1.2.2系统模块设计 (1)微控制器的选择：

方案一：采用51单片机，运用广泛，但是系统程序量的大，内存空间小，端口资源和功能相对不够丰富，难以满足设计要求。

方案二：采用AVR单片机，具有高度处理功能，采用32个通用寄存器组成的快速存取寄存器文件，具有较高的指令速度，克服了瓶颈现象。功耗低。

方案选择：我们选用功耗较低，性价比优良的AVR单片机，选用mege16作为我们的微控制器。

(2)信号发生器的选择：

方案一：AD9851,高集成度DDS频率合成器，内部包括可编程DDS系统、高性能DAC及高速比较器，能实现全数字编程控制的频率合成和时钟发生。但是只能输出一路频率、相位、幅度可调的正弦波信号。

方案二：AD9854,内含可编程DDS系统和高速D/A转换器，同样可以实现能实现全数字编程控制的频率合成和时钟发生。可产生两路频率纯正、频率、相位、幅度可调的正弦波信号。并且可以让这两路的信号有90°的相差。

方案选择：由于本项目中采用R-U数字正交采样法，需要两路相差为90°，并且频率、相位、幅度可调的正弦波信号，所以选择方案三。 （3）放大电路的选择：

方案一：OP07 属于低温漂低噪声运算放大器，使用广泛，成本较低，但是输入偏置电压小。

方案二：OPA551,低功耗高电压大电流运放，输入偏置电流高达200mA,满足设计要求，并且性能良好，性价比较高。

方案选择：因为DDS输出信号电流过大，并且输出电压较小，因此我们选择方案二。 （4）模拟乘法器模块

相敏检波器，我们选用MPY634，它具有宽频带、高精度、四象限的特点，带宽10MHz，在四象限范围内精度可达±0.5%；无需外部元件，不必进行外部调整。差动的输入信号X、Y两路信号，可以方便地实现乘法运算。 且MPY634内部备有精密的基准电压，可精确设定放大因数，同时，差动输入信号容许用户通过外部电阻反馈，对放大因数进行调整。 （5）低通滤波器的选择

方案一：MAX260,可编程通用电容开关滤波器，低通性能好，但是实行并行通信，占用I/O端口较多，并且软件实现较为麻烦。

方案二：MAX297是8阶低通椭圆开关电容滤波器，其滚降速度快，从通频带到阻带的过渡带可以做得很窄。时钟可调拐角频率范围为0.1Hz～50kHz；时钟与拐角频率比为50：1；可外接时钟或使用内部时钟。软硬件电路均易于实现。

方案选择：综合以上考虑，我们选择方案二。 （6）A/D的选择

方案一：TLV5540,八位高速A/D转换器，并行输出，速度快，精度低。

方案二：ADS1212,24位高精度A/D转换器，同步串行接口为SPI兼容，动态范围宽，但速度慢。

方案三：AD7705,16位A/D转换器，双通道全差分模拟输入，分辨率高，增益可编程，动态范围广，采用CMOS机构，极低功耗。

方案选择：综合以上所述，我们选用精度和速度适中，且性价比优良的AD7705. （7）基准源模块

2

方案一：LM336, 典型输出电压为2.49V。其温度系数为1e-6摄氏度，具有较低的温度系数，其输出电压的波动范围为2.39~2.59V。

方案二：MC1403 ,良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。典型输出电压为2.5V 时，其电压输出范围为2.47~2.52，温度系数为30ppm/摄氏度，且输出噪声极低。

方案选择：综合考虑温度系数、电压稳定性及抗噪声性能等，我们选用方案二。 （8）显示模块

方案一：采用LED 数码管显示，显示速度较快，亮度较高，但是题目要求可以明确显示出量纲量程时间等，但数码管无汉字显示功能，界面简单。

方案二：采用12864ZB液晶显示屏，采用SPI串行总线控制，减少了硬件的制作，避免占用过多的端口。LCD 可以用全中文界面显示，显示内容丰富，页面清晰且功耗低，性价比适中，易于人机交流。

方案选择：综合考虑性价比、硬件设计、功能实现、功耗等多方面因素，我们选择了方案二。

（9）创新模块：

由于DDS9854和LCD显示屏在工作有均有较大的功耗，本设计利用键盘来分别控制DDS和LCD屏幕背光的开关，避免在RLC测试仪工作时产生不必要的能量浪费，达到了节能的目的。

1.2.3 系统总体方案

经过上述的分析和论证，决定了系统各模块采用的最终方案如下： (1) 微控制器：单片机MEGE16

(2) 电源模块：自制±5V和±15V电源 (3) 信号发生器模块AD9854

(4) 放大电路：低功耗高电压大电流运放OPA551 (5) 模拟乘法器模块:选用MPY634

(6) 低通滤波器模块：8阶低通椭圆开关电容滤波器MAX297 (7) A/D的选择：16位AD7705 (8) 基准源模块：MC1403

(9) 键盘模块：4*5键盘+CH451键盘，节省端口设计 (10)显示模块：12864ZB液晶显示屏

(11)节能模块：用键盘实现LCD显示屏的背光的开关以及DDS信号发生器的开关。

2、理论分析：

2.1 伏安法中的R-U数字正交采样法

由伏安法的定义可知，要实现这种测量方法，要求仪器能进行矢量测量和矢量除法运算，其电路测量原理图如图2所示，其中Z0为电源， ZS为标准电阻， ZX为待测电阻或电感电容的等效电阻，ZS和ZX两边的矢量电压分别为US和UX则ZX的计算公式为：

?X=UXU+jU2ZS=1ZS （1） USU3?jU4 伏安法测量RLC必须选择良好的坐标轴，使相敏检波器的输出就是被测电压矢量在坐标

轴上的投影。R-U数字正交采样法就是一种自由轴法，它要求被测参数在x,y轴上的投影准确正交，而相敏检测器的相位参考基准可以任意选择。这样，只需测出（1）式中的U1至U4即可求出被测电阻，进而换算得出RLC.(自由轴法矢量图见图3)

3