CN110187179A - 一种基于双电源平衡电桥的高精度lcr测量装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种基于双电源平衡电桥的高精度LCR测量装置及测量方法，装置由测量电路、FPGA芯片和ARM芯片组成；所述FPGA芯片与ARM芯片之间通过IO脚连接，遵循FSMC协议；FPGA芯片通过IO脚与测量电路连接，实现对测量电路的控制与测量；所述FPGA芯片由DA控制模块#1、DA控制模块#2、第一通信模块、开关控制模块和AD控制模块组成，所述ARM芯片由第二通信模块、相位幅值搜索模块、相位幅值估计模块和阻抗值计算模块组成；所述测量电路包括D/A芯片#1、D/A芯片#2、A/D芯片和程控开关；本发明基于双电源平衡电桥的原理，利用FPGA和D/A芯片实现了LCR的宽带测量，利用相关的搜索算法，缩短了测量时间，实现了快速测量。

Description

一种基于双电源平衡电桥的高精度LCR测量装置及方法
技术领域
本发明涉及LCR测量领域，特别是一种基于双电源平衡电桥的LCR测量装置与方法。
背景技术
LCR测量仪是测量元器件的电感量L，电容量C，阻抗R等参数的测量仪器，被广泛应用于电子测量领域。LCR测量仪在现在电子行业中的地位尤为重要，电子产品与LCR测量技术有着紧密的联系，从元器件的生产到大型电子设备的组装、调试都离不开LCR值得测量。
随着现代技术的发展，现代社会对电子元器件的各种要求越来越高，这也意味着科技的发展要求LCR测量技术要具有更高的测量精度，各大的测量两次和更宽的测量带宽。传统的LCR测量主要可分为两类，一种是利用模拟技术的模拟LCR测量仪器，另一种是基于数字电桥技术的数字LCR测量仪器。模拟LCR测量仪虽然具有较高的精度，但是其单次测量耗时长，测量带宽窄，系统成本高等缺点，使得他难以作为商用LCR测量仪被广泛应用；目前市面上绝大多数商用LCR测量仪都是数字LCR测量仪，这种测量仪虽然成本较低，测量速度较快，但是其精度较差，且少有数字LCR测量仪的不确定度能高于0.05％，这使得数字LCR测量仪器难以应用在高精度阻抗领域。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中模拟LCR测量仪测量带宽窄，测量速度慢，系统成本高的缺点，克服现有技术中数字LCR测量仪测量精度差的缺点，克服现有技术中，双电源平衡电桥需要反复调整的缺点，提供一种基于双电源平衡电桥的高精度LCR测量装置及测量方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于双电源平衡电桥的高精度LCR测量装置，由测量电路、FPGA芯片和ARM芯片组成；所述FPGA芯片与ARM芯片之间通过IO脚连接，遵循FSMC协议；FPGA芯片通过IO脚与测量电路连接，实现对测量电路的控制与测量；所述FPGA芯片由DA控制模块#1、DA控制模块#2、第一通信模块、开关控制模块和AD控制模块组成，所述ARM芯片由第二通信模块、相位幅值搜索模块、相位幅值估计模块和阻抗值计算模块组成；所述测量电路包括D/A芯片#1、D/A芯片#2、A/D芯片和程控开关；
DA控制模块#1通过IO脚与D/A芯片#1连接；DA控制模块#2通过IO脚与D/A芯片#2连接；D/A芯片#2通过导线依次连接待测电子元件、第一引线电阻、电阻、第二引线电阻、标准电阻和D/A芯片#1，电阻上并联有单刀开关；第一引线电阻、电阻和第二引线电阻串联后并联有可调电子元件和可调电阻，可调电子元件和可调电阻相互串联，所述程控开关有三个输入端，第一个输入端通过导线与D/A芯片#2和待测电子元件连接，第二个输入端通过导线与可调电子元件和可调电阻连接，第三个输入端通过导线与D/A芯片#1和标准电阻连接；程控开关输出端通过导线与A/D输入缓冲器连接；A/D输入缓冲器连接A/D芯片；
所述FPGA芯片内的开关控制模块通过IO脚与程控开关连接，控制程控开关的通断选择；FPGA芯片内的AD控制模块通过IO脚与A/D芯片连接。
进一步的，所述待测电子元件为电感L、电容C或电阻R。
一种基于双电源平衡电桥的高精度LCR测量方法，包括以下步骤：
(1)FPGA芯片控制DA控制模块#1输出幅度、相位均恒定的正弦波，作为施加在标准电阻端的电源Vt；
(2)FPGA芯片控制DA控制模块#2输出幅值、相位均可调的正弦波，作为施加在待测电子器件端的电源Vb；
(3)保持单刀开关闭合，FPGA芯片控制A/D芯片采集程控开关的第二个输入端的信号Vw，并将采集数据传输给ARM芯片，AMR芯片对采集结果进行估计；ARM芯片根据估计结果，调整Vb的幅值与相位，使得Vw的均方根值(RMS值)取得最小；
(4)保持单刀开关断开，FPGA芯片控制A/D芯片采集Vw信号，并将采集数据传输给ARM芯片，AMR芯片对采集结果进行估计；而后，根据估计结果调整Z1和Z2的值，使得Vw的RMS值取得最小；
(5)重复上述第(3)步和第(4)步的过程，使得单刀开关的通断对Vw的RMS值的影响最小；
(6)FPGA芯片控制程控开关和A/D芯片，分别采集Vb，Vt两串信号序列，并将采集结果传输给ARM芯片，ARM芯片根据采集结果计算出L、C或R值。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明基于主控芯片与双DA芯片结合的方法，基于双DA输出可调正弦波的方法，同时增加开尔文电阻网络，弥补了引线电阻带来的误差；同时根据发明原理，设计了相应的搜索算法，实现了电桥的快速调平，进而实现了对LCR值的快速、高精度测量。
(2)本发明基于双电源平衡电桥的原理，实现了对L、C或R值得高精度估计，克服了传统数字LCR测量仪精度低的缺点。
(3)本发明基于双电源平衡电桥的原理，利用FPGA和D/A芯片实现了LCR的宽带测量，克服了传统模拟LCR测量仪测量带宽窄的缺点。
(4)本发明在实现对LCR值高精度测量的同时，利用相关的搜索算法，缩短了测量时间，实现了快速测量，克服了传统模拟LCR测量仪测量耗时长的缺点。
(5)本发明在实现高精度，宽带宽、快速LCR测量的同时，有效降低了LCR测量仪的成本，克服了传统方法高成本的缺点。
附图说明
图1为本发明LCR测量装置的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，基于双电源平衡电桥的高精度LCR测量装置，装置由测量电路23、FPGA芯片21和ARM芯片22组成；FPGA芯片21与ARM芯片22之间通过普通IO脚连接，遵循FSMC协议；FPGA芯片21通过普通IO脚与测量电路23连接，实现对测量电路23的控制与测量；FPGA芯片21中的DA控制模块#1 13通过普通IO脚与D/A芯片#1 1连接；FPGA芯片21中的DA控制模块#213通过普通IO脚与D/A芯片#2 1连接；待测电子元件2通过导线与D/A芯片#2 1连接；引线电阻r13通过导线与待测电子元件2连接；单刀开关K与电阻rds并联；电阻rds 5通过导线与引线电阻r13连接；引线电阻r36通过导线与开关K4和电阻rds连接；可调电子元件8通过导线与待测电子元件2连接；可调电阻9通过导线与可调电子元件8连接；标准电阻7通过导线与引线电阻r36和可调电阻9连接；D/A芯片#1 1通过导线与标准电阻7连接；程控开关10有三个输入端，一个输入端通过导线与D/A芯片#2 1和待测电子元件2连接，一个输入端通过导线与可调电子元件8和可调电阻9连接，一个输入端通过导线与D/A芯片#2 1和标准电阻7连接；程控开关10输出端通过导线与AD输入缓冲器连接；FPGA芯片21中的控制模块15通过普通IO脚与程控开关10连接，控制程控开关10的通断选择；AD输入缓冲器11通过导线与A/D芯片12连接；FPGA 21中的AD控制模块通过普通IO脚与A/D芯片12连接。
本发明上述LCR测量装置的具体工作过程如下：
第一步：用户根据需求，将待测元器件2和标准电阻7接入系统，同时根据测量值L、C或R的不同，将可调电子元件8分别接入可调电感、可调电容或可调电阻；
第二步：FPGA芯片21控制DA控制模块#1输出幅值、相位均恒定的正弦波，作为标准电阻7的电源Vt；
第三步：保持单刀开关K闭合，FPGA芯片21控制DA控制模块#2输出幅值、相位均可调的正弦波作为待测电子元件2的电源Vb。通过调整Vb的幅值和相位，使得Vb的rms值最小，此时，则
式中rk＝r1+r3，R＝Zb+Zt+[rk||(Z1+Z2)]，Z1表示可调电子元件8的阻抗值，Z2表示可调电阻9的阻抗值，Vw为可调电子元件8和可调电阻9连接处电压值；
在调整Vb的幅值和相位的过程中，Vb幅值和相位的搜索过程如下：
设第n次的调整后Vb的相位为pn，Vb的幅度值为an，则Vw为关于an、pn和n的函数Vw(an,pn,n)；
1.先搜索最优的幅度值abest，初始相位值为p0，搜索过程如下：
(101)设第n次调整后Vw值为Vw(an,p0,n)；
(102)则令Δn＝rms(|Vw(an,p0,n)|)-rms(|Vw(an-1,p0,n-1)|)；
(103)取an+1＝an+k·Δn，获得第n+1次调整后的结果Vw(an+1,p0,n+1)；
(104)重复上述步骤(101)-(103)，直至Δn的值满足条件Δn＜Δt，Δt为某一常数，可根据具体情况做适当调整，此时an+1即为最优的幅度值abest；
2.再搜索最优的相位pbest，搜索过程如下：
(201)设第n次调整后Vw值为Vw(abest,p,n)；
(202)则令Δn＝rms(|Vw(abest,pn,n)|)-rms(|Vw(abest,pn-1,n-1)|)；
(203)取pn+1＝pn+k·Δn，获得第n+1次调整后的结果Vw(abest,pn+1,n+1)；
(204)重复上述(201)-(203)步骤直至Δn的值满足条件Δn＜Δt，Δt为某一常数，可根据具体情况做适当调整，此时pn+1即为最优的幅度值pbest；
此时，可以获得最优的幅度值abest和相位值pbest；
第四步，保持单刀开关K断开，FPGA芯片控制A/D芯片采集Vw信号，并将采集数据传输给ARM芯片，AMR芯片对采集结果进行估计；而后，根据估计结果调整Z1和Z2的值，使得Vw的RMS值取得最小；此时
设rm＝r1+rds+r3，R＝Zb+Zt+[rds||(Z1+Z2)]
则
设解得
第五步，重复上述第三步和第四步，直至开关K的通断对Vw的rms值的影响可忽略不计。此时
由于在电桥平衡态时，近似为0，则可以认为
第六步，FPGA芯片控制程控开关S切换至Vw处，并控制AD开始连续采集N1个点，得到序列Vw(n)；
第七步，FPGA芯片控制程控开关S切换至Vb处，并控制AD继续连续采集N2个点，得到序列Vb(n)；
第七步，FPGA芯片控制程控开关S切换至Vt处，并控制AD继续连续采集N3个点，得到序列Vt(n)；
第八步，通过对序列Vw(n)、Vb(n)和Vt(n)做FFT(Fast Fourier TransformAlgorithm)变换，此时有：
进而最终可以得到待测元件的L，C或R值。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于双电源平衡电桥的高精度LCR测量装置，其特征在于，由测量电路、FPGA芯片和ARM芯片组成；所述FPGA芯片与ARM芯片之间通过IO脚连接，遵循FSMC协议；FPGA芯片通过IO脚与测量电路连接，实现对测量电路的控制与测量；所述FPGA芯片由DA控制模块#1、DA控制模块#2、第一通信模块、开关控制模块和AD控制模块组成，所述ARM芯片由第二通信模块、相位幅值搜索模块、相位幅值估计模块和阻抗值计算模块组成；所述测量电路包括D/A芯片#1、D/A芯片#2、A/D芯片和程控开关；
DA控制模块#1通过IO脚与D/A芯片#1连接；DA控制模块#2通过IO脚与D/A芯片#2连接；D/A芯片#2通过导线依次连接待测电子元件、第一引线电阻、电阻、第二引线电阻、标准电阻和D/A芯片#1，电阻上并联有单刀开关；第一引线电阻、电阻和第二引线电阻串联后并联有可调电子元件和可调电阻，可调电子元件和可调电阻相互串联，所述程控开关有三个输入端，第一个输入端通过导线与D/A芯片#2和待测电子元件连接，第二个输入端通过导线与可调电子元件和可调电阻连接，第三个输入端通过导线与D/A芯片#1和标准电阻连接；程控开关输出端通过导线与A/D输入缓冲器连接；A/D输入缓冲器连接A/D芯片；
所述FPGA芯片内的开关控制模块通过IO脚与程控开关连接，控制程控开关的通断选择；FPGA芯片内的AD控制模块通过IO脚与A/D芯片连接。
2.根据权利要求1所述一种基于双电源平衡电桥的高精度LCR测量装置，其特征在于，所述待测电子元件为电感L、电容C或电阻R。
3.一种基于双电源平衡电桥的高精度LCR测量方法，基于权利要求1所述LCR测量装置，其特征在于，包括以下步骤：
(1)FPGA芯片控制DA控制模块#1输出幅度、相位均恒定的正弦波，作为施加在标准电阻端的电源Vt；
(2)FPGA芯片控制DA控制模块#2输出幅值、相位均可调的正弦波，作为施加在待测电子器件端的电源Vb；
(3)保持单刀开关闭合，FPGA芯片控制A/D芯片采集程控开关的第二个输入端的信号Vw，并将采集数据传输给ARM芯片，AMR芯片对采集结果进行估计；ARM芯片根据估计结果，调整Vb的幅值与相位，使得Vw的均方根值(RMS值)取得最小；
(4)保持单刀开关断开，FPGA芯片控制A/D芯片采集Vw信号，并将采集数据传输给ARM芯片，AMR芯片对采集结果进行估计；而后，根据估计结果调整Z1和Z2的值，使得Vw的RMS值取得最小；
(5)重复上述第(3)步和第(4)步的过程，使得单刀开关的通断对Vw的RMS值的影响最小；
(6)FPGA芯片控制程控开关和A/D芯片，分别采集Vb，Vt两串信号序列，并将采集结果传输给ARM芯片，ARM芯片根据采集结果计算出L、C或R值。
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