一種自由軸法RLC測(cè)量電路設(shè)計(jì)

引 言

　　R，L，C是電子電路及系統(tǒng)的主要元件，R，L，C參數(shù)的測(cè)量方法有電橋法、諧振法、伏安法。伏安法測(cè)量中，有固定軸法和自由軸法兩種，固定軸法要求相敏檢波器的相位參考基準(zhǔn)嚴(yán)格地與標(biāo)準(zhǔn)阻抗電壓的相位相同，對(duì)硬件要求很高，并且存在同相誤差，已很少使用。自由軸法中相敏檢波器的相位參考基準(zhǔn)可以任意選擇，只要求保持兩個(gè)坐標(biāo)軸準(zhǔn)確正交(相差90°)，從而使硬件電路簡(jiǎn)化。常見的自由軸法RLC測(cè)試儀采用模擬相敏檢波器，測(cè)量精度低，速度慢。本文介紹一種基于數(shù)字鑒相的自由軸法RLC測(cè)量電路設(shè)計(jì)。

　　1 系統(tǒng)組成及測(cè)量原理

　　基于數(shù)字鑒相的自由軸法RLC測(cè)量系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示，主要由正弦信號(hào)源U0、前端測(cè)量電路、相敏檢波器、A/D轉(zhuǎn)換器、微處理器、基準(zhǔn)相位發(fā)生器以及鍵盤、顯示電路等組成。

　　為了提高信號(hào)源精度，正弦信號(hào)源U0采用直接數(shù)字頻率合成信號(hào)源(DDS)。R0為信號(hào)源內(nèi)阻，RS是標(biāo)準(zhǔn)電阻，Zx為被測(cè)阻抗，A為高輸入阻抗、高增益放大器，主要完成電流一電壓變換功能。測(cè)量時(shí)，開關(guān)S通過(guò)程控置于Ux或US端。由圖1有：UX=IOZX，US=-IORS，被測(cè)阻抗ZX為：

　　由式(1)可知，只要測(cè)出UX，US在直角坐標(biāo)系中兩坐標(biāo)軸x，y上的投影分量，經(jīng)過(guò)四則運(yùn)算，即可求出測(cè)量結(jié)果。

　　圖1中，被測(cè)信號(hào)與相位參考基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)過(guò)相敏檢波器后，輸出就是被測(cè)信號(hào)在坐標(biāo)軸上的投影分量。相位參考基準(zhǔn)代表著坐標(biāo)軸的方向，為了得到每一被測(cè)電壓(US或UX)在兩坐標(biāo)軸上的投影分量，基準(zhǔn)相位發(fā)生器需要提供兩個(gè)相位相差90°的相位參考基準(zhǔn)信號(hào)。需要指出的是在自由軸法中，相位參考基準(zhǔn)與US沒有確定關(guān)系，可以任意選擇，即x，y坐標(biāo)軸可以任意選擇，只需保持兩坐標(biāo)軸準(zhǔn)確正交90°。UX，US和坐標(biāo)軸的關(guān)系如圖2所示。

　　應(yīng)用圖1測(cè)量時(shí)，通過(guò)開關(guān)S選擇某一被測(cè)量(如UX)，基準(zhǔn)相位發(fā)生器依次送出兩個(gè)相位相差90°的相位參考基準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)相敏檢波器后分別得到UX在兩坐標(biāo)軸上的投影分量U1，U2。類似，當(dāng)開關(guān)S選擇US時(shí)，可分別得到US在兩坐標(biāo)軸上的投影分量U3，U4。各投影分量經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器可得對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，再經(jīng)微處理器計(jì)算便得到被測(cè)元件參數(shù)值。

　　 下面以電容并聯(lián)電路的測(cè)量為例，推導(dǎo)RLC參數(shù)的數(shù)學(xué)模型。

　　由圖2可得：

　　式中：Ni為Ui對(duì)應(yīng)的數(shù)字量，e為A/D轉(zhuǎn)換器的刻度系數(shù)，即每個(gè)數(shù)字所代表的電壓值。

　　由式(2)，式(3)可知：

　　直接通過(guò)對(duì)N1～N4數(shù)值的運(yùn)算，即可完成矢量除法運(yùn)算。

　　由式(1)，式(4)可求得被測(cè)阻抗中的電容值CX及損耗角正切值DX。

　　式中：GX為介質(zhì)損耗電導(dǎo)。

　　進(jìn)而有：

　　同理可以導(dǎo)出被測(cè)參數(shù)R，C的計(jì)算公式。

　　2 正弦信號(hào)源與相敏檢波器

　　在自由軸法測(cè)量RLC原理電路(圖1)中，正弦信號(hào)發(fā)生器、相敏檢波器及基準(zhǔn)相位發(fā)生器是RLC測(cè)量?jī)x的關(guān)鍵部分。

　　2.1 正弦信號(hào)源

　　為了保證RLC測(cè)試儀的精度，要求信號(hào)源U0產(chǎn)生的正弦信號(hào)波形失真小，幅值穩(wěn)定。自由軸法中，還要求信號(hào)源頻率和相敏檢波器相位基準(zhǔn)信號(hào)的頻率相同。所以正弦信號(hào)源與基準(zhǔn)相位發(fā)生器在電路上密切相關(guān)。為了保證測(cè)試精度，采用直接數(shù)字頻率合成DDS技術(shù)產(chǎn)生正弦信號(hào)激勵(lì)源。DDS具有系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，以及相位、頻率精確可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。圖3所示為采用DDS的正弦信號(hào)源及相敏檢波器原理圖。

　　圖3中時(shí)鐘信號(hào)CLK經(jīng)分頻器后，得到依次二倍頻率關(guān)系的8路信號(hào)，作為ROM1的地址輸入，ROM1存放有256個(gè)按正弦規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，即每一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與其地址之間的關(guān)系和正弦波的幅值與時(shí)間軸的關(guān)系一致。在分頻器輸出8路信號(hào)作用下，ROM1依次輸出正弦曲線樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器后輸出階梯正弦波，再經(jīng)濾波、放大，就得到了測(cè)試用的正弦激勵(lì)信號(hào)。信號(hào)基礎(chǔ)頻率由單片機(jī)的P1.2和P1.3控制，若P1.2，P1.3分別為00，10，01，則基礎(chǔ)頻率廠依次為100 Hz，1 kHz，10 kHz。