CN102175921A

CN102175921A - 一种基于fpga的便携式阻抗测量仪表

Info

Publication number: CN102175921A
Application number: CN2011100627936A
Authority: CN
Inventors: 何永勃; 贾宝惠
Original assignee: Civil Aviation University of China
Current assignee: Civil Aviation University of China
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2011-09-07

Abstract

本发明涉及一种基于FPGA的便携式阻抗测量仪表。本发明属于阻抗测量技术领域。一种基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特征是：阻抗测量仪表包括微处理器模块、正弦信号发生器模块、自平衡电桥模块、自动增益调整模块、相敏解调模块、显示模块和电源模块；微处理器模块连接正弦信号发生器模块、自平衡电桥模块、自动增益调整模块和相敏解调模块；阻抗测量值由显示模块显示，由电源模块提供电路运行电源。本发明测量电路简单，集成度高，数字化程度高，仪表体积小，便携性好，经济实用，可满足一般工程领域的阻抗测量需要。该仪表能够测量独立的电阻、电容和电感参数，也可测量组合的电阻、电容和电感的复阻抗参数，并可实现扫频测量。

Description

一种基于FPGA的便携式阻抗测量仪表

技术领域

本发明属于阻抗测量技术领域，特别是涉及一种基于FPGA的便携式阻抗测量仪表。

背景技术

目前，在电力、通讯、航空、材料等工业生产中，经常需要进行阻抗测量。如通过测量材料的阻抗来分析其电导率和介电常数；通过测量石油产品的阻抗来分析其所含水分和杂质；通过测量同轴电缆的阻抗来判断其是否存在断路或短路故障；通过测量传感器的阻抗来判断其有效性；通过测量电子元器件的阻抗来判断其是否可用。在很多场合，被测对象并非具有单一参数的电阻、电感或电容，而是电阻、电感和电容的混合模型。通用的便携式万用表、LRC表等，只能在同一时刻测量单一参数，不能分析出具体的电阻、电感和电容成分。当前，对电阻、电感和电容具体成分的测量需要使用台式LRC测量仪器或高级的阻抗分析仪等大型实验室仪器，如Agilent 4294A。阻抗分析仪可以测量LRC网络的多种复阻抗模型参数，如电阻电容串联模型、电容与损耗因子模型、电感与品质因数模型等，频率扫描范围可达40Hz～110MHz，测量精度很高。然而，阻抗分析仪对使用环境的要求比较高，而且只有使用专用夹具才能达到较高精度。另外，阻抗分析仪重量大，价格昂贵，仅专用夹具就高达上万元，主机更是高达数十万元。

很多工程领域需要用便携式仪表来测量阻抗，如供电线路、飞机外场维修等，对测量精度和频率范围要求不高，无需达到实验室环境下的阻抗分析仪的功能指标。而当前的便携式阻抗测量领域只有个别的专用仪表，如测量蓄电池内阻抗、测量电力供电回路阻抗等仪表。专用阻抗测量仪表的测试范围、频带等参数指标较固定，且一般都有专用测试夹具，不适宜通用测量。

发明内容

本发明为解决现有技术和设备存在的问题，提供了一种基于FPGA（现场可编程门阵列）的便携式阻抗测量仪表。

本发明的目的是提供一种具有测量电路简单，集成度高，数字化程度高，仪表体积小，经济实用，可满足一般工程领域需要的便携式阻抗测量仪表。该仪表能够测量独立的电阻、电容和电感参数，也可测量组合的电阻、电容和电感的复阻抗参数，并可实现扫频测量。

本发明基于FPGA的便携式阻抗测量仪表采用如下技术方案：由FPGA产生数字化的正弦脉冲宽度调制信号（SPWM），经滤波后生成正弦激励信号作用于被测阻抗；交流自平衡电桥测量电路将被测阻抗转化为正弦输出信号，该信号经AD转换器数字化后由FPGA进行相敏解调，获取被测阻抗值。

一种基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特点是：阻抗测量仪表包括微处理器模块、正弦信号发生器模块、自平衡电桥模块、自动增益调整模块、相敏解调模块、显示模块和电源模块。微处理器模块连接正弦信号发生器模块、自动增益调整模块和相敏解调模块，阻抗测量值由显示模块显示，由电源模块提供电路运行电源。

所述的基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特点是：采用交流自平衡电桥测量复数阻抗，自平衡电桥模块连接有正弦信号发生器模块、自动增益调整模块和相敏解调模块。

所述的基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特点是：正弦交流信号源由FPGA输出的SPWM信号和低通滤波器生成，而SPWM信号单元集成在FPGA内部。正弦信号频率改变方便，可实现扫频测量。

所述的基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特点是：自平衡电桥的增益通过电子开关和反馈电阻来控制，无需手动换挡，自动实现大范围的阻抗测量。

所述的基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特点是：数字式的正交序列相敏解调模块由两个乘累加器构成，集成在FPGA内部。相敏解调模块提取阻抗测量电路输出的交流信号的幅值和相位信息，进而计算被测阻抗的复数参数。

所述的基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特点是：可通过两种方式显示被测阻抗的复数参数，包括实部/虚部信息，或者阻抗模值/阻抗角信息。

本发明的测量电路示意图见附图1。测量阻抗的核心电路为自平衡电桥。被测阻抗Zx可以是单一参数的电阻、电容或电感，也可以是电阻、电容和电感混合的复阻抗参数。而当前的通用便携式电工类仪表如万用表、LRC表只能测量单参数的电阻、电容和电感，不提供复阻抗测量功能。这类仪表之所以不能测量复阻抗，是因为其采用不同的电路来测量不同的参数，如采用纯直流方法测量电阻，采用交流法测量电容和电感。当采用交流法时，交流信号源由模拟振荡电路产生，其频率固定。而本发明将独立的电阻、电容、电感以及这三种参数的混合模型当作统一的复阻抗模型，采用交流自平衡电桥测量复数阻抗，交流信号源由FPGA输出的SPWM信号生成，频率可变，以满足不同的测量需求。

被测阻抗Zx连接在激励信号

与运算放大器A的反相输入端。输出电压为

（1）

其中，

（2）

于是，被测阻抗为

（3）

由式（3）可知，为了准确测量Zx，需确定Us、和Zf三个量。激励信号源

采用正弦波，其幅值和频率已知；Uo由AD转换器和相敏解调单元测量；

由系列精密电阻Rf1、Rf2、Rf3……以及微小电容Cf确定。模拟电子开关S1、S2、S3……由FPGA控制，用以改变测量电路增益，从而改变被测阻抗范围，相当于改变测量档位。根据Uo的测量结果，可由式（3）计算被测阻抗。

本发明具有的优点和积极效果：

由于采用了全新的技术方案，与传统的便携式电工类仪表相比，本发明基于FPGA的便携式阻抗测量仪表具有的特点：1.能够测量独立的电阻、电感和电容参数，也能测量电阻、电感和电容的组合参数，突破了传统便携式电工仪表不能测量复数阻抗的缺点，并能够实现扫频测量，具备了大型实验室仪器（如阻抗分析仪）的部分功能。2.电路简单，集成度高，便携性好。采用SPWM方法生成的正弦激励信号，采用数字正交序列相敏解调方法提取测量信号信息，将这两部分功能的绝大部分数字化，并集成在FPGA内部，外围电路简化，数字化程度高，可通过软件实现灵活的测量要求。

附图说明

图1是本发明的阻抗测量电路示意图；

图2是数字相敏解调模块结构示意图。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的技术内容、特点及功效，兹列举以下实例，并配合附图详细说明如下：

参照附图1和图2。

实施例1

基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，包括FPGA、SPWM正弦信号发生器模块、自平衡电桥模块、自动增益调整模块、相敏解调模块、显示模块和电源模块。FPGA内部构建SPWM信号发生器和相敏解调单元，SPWM模块连接滤波器，自平衡电桥模块连接正弦信号发生器模块和相敏解调模块，自动增益调整模块与FPGA连接。阻抗测量值由显示模块显示，由电源模块提供电路运行电源。

自平衡电桥模块由运算放大器A和反馈电阻阵列构成，被测阻抗连接在正弦激励信号与运算放大器A反相输入端之间。反馈电阻的接通或断开状态由FPGA经模拟电子开关来控制。

相敏解调模块由两个乘累加器构成，相敏解调模块提取阻抗测量电路输出的交流信号的幅值和相位信息，进而计算被测阻抗的复数参数。被测阻抗的复数参数可以两种方式显示，即实部/虚部信息，或者阻抗模值/阻抗角信息。

本实施例的具体实现过程：

1.正弦信号源Us的生成

本发明的正弦信号源由FPGA输出的SPWM信号生成，正弦信号频率可调，能够实现扫频功能。

本发明采用等面积中心法产生的SPWM信号是将一个周期的正弦波分成N等份，将每等份正弦波与时间轴所围成的面积用等面积且等幅的矩形脉冲代替，每个正弦波与时间轴所围成的面积中心点作为等效矩形脉冲的中点。这样，就可以用N个等幅而不等宽的一系列矩形脉冲所构成的SPWM波形来等效正弦波。在FPGA内部构建两个定时器，其一用来控制SPWM矩形脉冲的周期，另一个用来控制SPWM脉冲的宽度。等面积中心法产生的SPWM信号较精确，谐波分量小。每个完整的正弦信号周期内包含N个SPWM矩形脉冲，所以正弦信号的最大谐波出现在基波的N倍频处。SPWM信号经隔直放大电路后可去除直流分量并达到合适的幅度，然后经低通滤波器滤除谐波成分，输出正弦交流信号。当需要实现扫频功能时，正弦信号的频率和周期发生改变，相应地改变N，可保持最大谐波分量的频率不变，因次，低通滤波器的截止频率不须改变，这样可简化低通滤波器的设计。

图1中，C1和R1构成隔直电路，运算放大器B与R2、C2、R3、C3、R4、R5构成低通滤波和放大电路，输出正弦激励信号。

经低通滤波后，SPWM信号的每个矩形脉冲相当于一个DAC（数模转换）输出，DAC的分辨率取决于定时器的长度和计数器能够实现的最小占空比。若定时器的工作频率为50MHz，DAC的分辨率为100，则DAC的更新频率为50MHz/100=0.5MHz。若每个周期的正弦波形抽样32次，则正弦波最高频率为0.5MHz/32=15.625kHz。在0～15.625kHz频率范围内，由SPWM信号产生的正弦波精度高，谐波成分小，满足一般的工程测量需求。

自平衡桥式阻抗测量电路

图1中的自平衡桥式阻抗测量电路由运算放大器A和电阻Rf、模拟电子开关S、电容Cf以及被测阻抗Zx构成。在正弦信号Us的激励下，输出信号Uo为同频率正弦波。电路增益由反馈阻抗

决定，其中，微小电容Cf用来滤除高频干扰，精密反馈电阻有100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ、1MΩ和10MΩ共6档，可测量的阻值范围为0～20MΩ。根据被测阻抗的阻值大小，由多路模拟开关

、S₂……S₆等来选择适当的反馈电阻，而模拟电子开关由FPGA控制。阻抗测量电路的输出电压U_o经信号调理电路转换为极性和幅值都符合AD转换器输入范围要求的信号。

3. 相敏解调

相敏解调环节能够提取阻抗测量电路输出的交流信号U_o的幅值和相位信息，进而可计算出被测阻抗的复数参数，包括其实部和虚部信息，或者阻抗模值和阻抗角信息。本发明采用正交序列解调方法计算被测电压。被测电压U_o经AD转换后可表示为

，（4）

其中，K为每周期的采样点数，A为被测信号幅值，θ为被测信号和激励信号的相位差，也就是被测阻抗的阻抗角。

正交解调算法如下：

定义同相参考信号r(n)，正交参考信号q(n)分别为

（5）

则解调后的同相分量为

（6）

解调后的正交分量为

（7）

参考信号r(n)和q(n)是预先计算好的正余弦函数值，存储在FPGA内，因此，解调过程即为查表求取离散的正弦、余弦参考值，并同采集到的信号相乘、求和的过程。数字相敏解调模块主要由两个乘累加器（MAC）构建而成，如图2所示。

根据式（6）、（7）的解调结果可确定测量信号的幅值和相位分别为

（8）

再根据式（3）可计算被测阻抗值。可通过两种方式显示被测阻抗的复数参数，包括实部/虚部信息，或者阻抗模值/阻抗角信息。

Claims

1.一种基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特征是：阻抗测量仪表包括微处理器模块、正弦信号发生器模块、自平衡电桥模块、自动增益调整模块、相敏解调模块、显示模块和电源模块，微处理器模块连接正弦信号发生器模块、自动增益调整模块和相敏解调模块，阻抗测量值由显示模块显示，由电源模块提供电路运行电源。

2.按照权利要求1所述的基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特征是：自平衡电桥模块采用交流自平衡电桥测量复数阻抗，自平衡电桥模块连接有正弦信号发生器模块、自动增益调整模块和相敏解调模块。

3.按照权利要求1所述的基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特征是：正弦信号发生器模块的正弦交流信号源由FPGA输出的正弦脉冲宽度调制信号和低通滤波器生成，而正弦脉冲宽度调制信号集成在FPGA内部；正弦信号频率改变方便，可实现扫频测量。

4.按照权利要求1所述的基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特征是：相敏解调模块为数字式的正交序列相敏解调模块，由两个乘累加器构成，集成在FPGA内部；相敏解调模块提取阻抗测量电路输出的交流信号的幅值和相位信息，进而计算被测阻抗的复数参数。

5.按照权利要求1所述的基于FPGA的便携式阻抗测量仪表，其特征是：被测阻抗的复数参数通过两种方式显示，包括实部/虚部信息，或者阻抗模值/阻抗角信息。