CN114089040A - 一种多通道高精密lcr测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及LCR测试技术领域，公开了一种多通道高精密LCR测试系统，包括与待测产品连接的若干结构相同的的扫描卡、以及与扫描卡相对设置的测量卡，若干所述扫描卡和测量卡通过背部连接板连接，所述扫描卡用于实现通道切换，所述测量卡用于实现LCR测试，所述背部连接板用于实现信号的转接，所述背部连接板连接有主控板，所述主控板用于实现对测量卡以及扫描卡的信号控制。本系统实现多张测量板同步测量，测量板可以任意对应一张扫描板或者对应多张扫描板，应用灵活。

Description

一种多通道高精密LCR测试系统

技术领域

本发明涉及LCR测试技术领域，具体涉及一种多通道高精密LCR测试系统。

背景技术

LCR电感(L)、电容(C)和电阻(R)作为基本元器件，在电子产品中被广泛使用。随着电子产品的技术与性能不断发展和提高，国内相关行业对元器件的检测技术的要求也在不断的提高，LRC测试仪是用于测量电容、电阻、电感元件的相应物理参数的仪器。与常用的万用表相比较，LRC测试仪不但测量精度更高，而且可以测量元件的多种参数，比如阻抗、品质因素等等。然而，由于现有的LRC测试仪仅仅只有一对测试头，因此，一次只能与一个元件的两极连接，也即一次只能测量一个元件的参数。而在工业生产过程中，很多时候都需要一次对系统中的多个电容、电阻或者电感元件的物理参数进行测量，以监控这些元件的参数变化，从而判断系统工作是否正常。在这种情况下，现有的一次只能测量一个元件参数的这种LRC测试仪就无法满足需要了。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种多通道高精密LCR测试系统，本系统实现多张测量板同步测量，测量板可以任意对应一张扫描板或者对应多张扫描板，应用灵活。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种多通道高精密LCR测试系统，包括与待测产品连接的若干结构相同的的扫描卡、以及与扫描卡相对设置的测量卡，若干所述扫描卡和测量卡通过背部连接板连接，所述扫描卡用于实现通道切换，所述测量卡用于实现LCR测试，所述背部连接板用于实现信号的转接，所述背部连接板连接有主控板，所述主控板用于实现对测量卡以及扫描卡的信号控制；

每个所述扫描卡包括扫描CPLD以及通道切换单元，所述扫描CPLD与所述通道切换单元连接，所述扫描CPLD用于接收主控板的信号并控制信号分配，所述通道切换单元通过若干继电器实现对测量通道的切换。

在本发明中，进一步的，所述主控板包括MCU模块、测量CPLD、DDS合成单元以及信号测量单元，所述MCU模块与所述测量CPLD连接，所述MCU模块用于控制所述测量CPLD进行LCR测试，所述测量CPLD与所述DDS合成单元电连接，所述测量CPLD用于控制DDS合成单元合成正弦信号，所述DDS合成单元与所述信号测量单元连接，所述信号测量单元用于同步采集所述正弦信号。

在本发明中，进一步的，所述DDS合成单元连接有滤波电路和差分电路，所述滤波电路和差分电路用于滤除信号的谐波和高频干扰。

在本发明中，进一步的，所述信号测量单元连接有信号转换电路，经过信号转换电路转换的正弦信号经过所述背部连接板分别传输至所述测量CPLD、扫描CPLD上，所述测量CPLD用于测量该信号，所述扫描CPLD用于驱动待测产品。

在本发明中，进一步的，所述背部连接板连接有平衡转换电路，所述平衡转换电路经过增益调节电路连与所述测量CPLD连接，所述扫描CPLD获取的待测产品反馈的信号传输至背部连接板，在经过平衡转换电路进行转换，转换的信号经过增益电路传输至测量CPLD进行分析。

在本发明中，进一步的，所述信号转换电路包括信号调制电路以及ADC电路，所述信号调制电路与所述ADC电路连接，所述信号调制电路用于对采集的正弦信号调节增益，所述ADC电路用于对信号进行转换。

在本发明中，进一步的，所述信号测量单元包括四路结构相同的采集电路，所述采集电路包括运算放大器U601，所述运算放大器U601的正极输入引脚与所述差分电路连接。

在本发明中，优选的，所述通道切换单元包括若干结构相同的通道切换电路，所述通道切换电路包括与所述通道数量相对应的继电器，所述继电器与所述扫描CPLD连接。

在本发明中，进一步的，所述DDS合成单元包括数字频率合成器U501，所述数字频率合成器U501的输入引脚与所述测量CPLD连接，所述数字频率合成器U501的输出引脚与所述滤波电路连接。

在本发明中，优选的，所述扫描卡和测量卡至多可设置13张

在本发明中，优选的，所述MCU模块包括主控芯片U100，所述主控芯片U100连接有USB单元以及网络通讯单元，所述USB单元用于实现主控芯片U100与外界的USB通讯，所述网络通讯单元用于实现组网。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明的系统通过将每个测量卡配置一个扫描卡，测量板可以任意对应一张扫描卡或者对应多张扫描卡利用扫描卡，通过扫描卡完成多个测量通道的切换，使得测试参数、测量点位多，可同时对系统中的多个电容、电阻或者电感元件的物理参数进行测量，提高测量效率。同时，本方案通道切换采用使用高隔离和寄生电容小的继电器，使得整个系统的寄生电容小，提升测量的精度，同时此继电器的切换时间小于1mS使得多通道切换时花费的时间少，提升了测量速度。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统整体结构框图；

图2是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统的整体原理图；

图3是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统的部分原理图；

图4是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中MCU模块的电路图；

图5是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中测量CPLD的部分电路图；

图6是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中测量CPLD的部分电路图；

图7是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中USB单元的电路图；

图8是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中网络通讯单元的电路图；

图9是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中DDS合成单元的电路图；

图10是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中滤波电路和差电路的电路图；

图11是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中信号调制电路的电路图；

图12是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中ADC电路的电路图；

图13是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中平衡转换电路和增益调节电路的电路图；

图14是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中扫描CPLD的部分电路图；

图15是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中通道切换单元的部分电路图；

图16是本发明的一种多通道高精密LCR测试系统中信号测量单元的部分电路图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

请同时参见图1至图3，本发明一较佳实施方式提供一种多通道高精密LCR测试系统，包括与待测产品连接的若干结构相同的的扫描卡、以及与扫描卡相对设置的测量卡，若干所述扫描卡和测量卡通过背部连接板连接，所述扫描卡用于实现通道切换，所述测量卡用于实现LCR测试，所述背部连接板用于实现信号的转接，所述背部连接板连接有主控板，所述主控板用于实现对测量卡以及扫描卡的信号控制；

具体的，在本发明中，扫描卡与待测产品连接，通过扫描卡实现测量通道的切换，从而实现多组数据同时测试。在保证系统运行速率的前提下，通过一个主控板至多连接13张测量板和13张扫描板，可实现13张测量板同步测量，测量板可以任意对应一张扫描板或者对应多张扫描板，应用灵活。本系统测试参数、测量点位多，可同时对系统中的多个电容、电阻或者电感元件的物理参数进行测量，提高测量效率。此外，由于一张扫描卡有40个通道，通道数量较多，因此，本方案扫描卡、测量卡之间的信号传输大部分通过背部连接板进行转接，满足信号的稳定分配与传输的需求。

在本发明中，进一步的，每个所述扫描卡包括扫描CPLD以及通道切换单元，所述扫描CPLD与所述通道切换单元连接，扫描CPLD用于接收主控板的信号并控制信号分配，所述通道切换单元通过若干继电器实现对测量通道的切换。在本方案中，如图14所示，扫描卡选用具有176脚位的扫描CPLD，具体为可编程逻辑器件U300A，型号为LC4256V-75TN176I，通过扫描CPLD控制切换测量通道使得可切换的通道多，内部逻辑门电路比较，不会由于外部干扰造成通道切换的错误。

其中，如图15所示，通道切换单元包括若干结构相同的通道切换电路，所述通道切换电路包括与所述通道数量相对应的继电器，所述继电器与所述扫描CPLD连接，以其中一例进行说明，切换电路包括继电器RY600，继电器RY600的1脚接+5VD电源，2脚与扫描CPLD的116脚连接，3脚连接至插排上实现信号的转接，通过扫描CPLD控制继电器继电器RY600两个点位的高低电平，实现对该通道的控制。如此，整个通道切换单元使用高隔离和寄生电容小的继电器，使得整个系统的寄生电容小，提升测量的精度，同时此继电器的切换时间小于1mS使得多通道切换时花费的时间少，提升了测量速度。

在本发明中，进一步的，如图4所示，所述主控板包括MCU模块、测量CPLD、DDS合成单元以及信号测量单元，所述MCU模块与所述测量CPLD连接，所述MCU模块用于控制所述测量CPLD进行LCR测试，所述测量CPLD与所述DDS合成单元电连接，所述测量CPLD用于控制DDS合成单元合成正弦信号，所述DDS合成单元与所述信号测量单元连接，所述信号测量单元用于同步采集所述正弦信号。

本发明通过MCU模块控制测量CPLD产生测量信号，测量信号经过DDS合成单元合成正弦信号，正弦信号通过信号测量单元进行同步采集，经过处理后的正弦信号最终分别传输至测量卡和扫描卡中，在测量卡上进行测量，经过扫描卡传输至产品上，用于驱动产品。

具体的，MCU模块包括主控芯片U100，型号为TMS320F2812PGFA，该芯片作为整个系统的控制核心，用于对整个系统的逻辑控制。其中，主控芯片U100的XA端口、XD端口与测量CPLD的IO端口连接，用于实现主控芯片U100与测量CPLD之间的数据传输。

如图5、6所示，测量CPLD选用型号为EPM570T144I5N-A的可编程逻辑器件，包括测量CPLD1和测量CPLD2，多个通道的切换指令和数据读写检测通过测量CPLD完成，采用10nS响应速度的CPLD器件使得数据的读写速度快，占用主控芯片U100的资源少，如此，提成系统的运行速度。

此外，在本实施例中，主控芯片U100连接有USB单元以及网络通讯单元，所述USB单元用于实现主控芯片U100与外界的USB通讯，所述网络通讯单元用于实现组网。

具体的，如图7所示，USB单元包括芯片U350，芯片U350型号为PDIUSBD12，用于实现通讯信号电平的转换，其中该芯片的28、15、16引脚与主控芯片U100的102、104、106引脚对应连接，实现USB单元与MCU模块的信号传输，通过USB单元可直接连接显示屏或者PC，可将检测数据进行显示。

如图8所示，网络通讯单元包括芯片U413，具体型号为W5500，芯片U413是一款集成全硬件TCP/IP协议栈的嵌入式以太网控制器，芯片U413的35、34、33、32引脚与主控芯片U100的40、41、34、28引脚对应连接，，芯片U413支持高速标准4线SPI接口与主机进行通信，该SPI速率理论上可以达到80MHz。

在本发明中，进一步的，如图9所示，所述DDS合成单元包括数字频率合成器U501，型号为AD9854ASVZ-A，所述数字频率合成器U501的输入引脚与所述测量CPLD连接，也就是说数字频率合成器U501的A0至A5、D0至D7引脚与测量CPLD2的37至51引脚连接，所述数字频率合成器U501的输出引脚与所述滤波电路连接。数字频率合成器U501用于实现DDS正弦信号输出，可实现10到1MHZ任意频率的正弦信号，具体输出为PH0O、PH180O、PH270O、PH90O四路正弦信号。

在本发明中，进一步的，所述DDS合成单元连接有滤波电路和差分电路，所述滤波电路和差分电路用于滤除信号的谐波和高频干扰。

其中，如图10所示，四路正弦信号分别经过滤波电路进行滤波，在经过差分电路来单差转换，以其中PH0O、PH180O为例，PH0O信号的滤波电路由若干电感和电容组成，具体PH0O信号的滤波电路由电感L501、电容C51，电感L503、电容C519，电感L50,5、电容C523组成，用于滤去PH0O信号的干扰，PH180O与上述滤波方式相同，经过滤波的PH0O信号连接至差分放大器U502上的1脚，滤波的，PH180O信号连接至差分放大器U502上的8脚，差分放大器U502以及电阻R510、电阻R511、电阻R512、电阻R513共同构成一个差分电路，最终输出PH0、FH180两种信号。正弦信号PH270O、PH90O与PH0O、PH180O滤波差分方式相同，在此不再赘述。最终，四路正弦信号经过滤波电路以及差分电路得到PH0、FH180、PH90、FH270四路测量信号。

在本发明中，进一步的，如图16所示，所述信号测量单元包括四路结构相同的采集电路，所述采集电路包括运算放大器U601，所述运算放大器U601的正极输入引脚与所述差分电路连接。PH0、FH180、PH90、FH270四路测量信号采用4个象限的正弦信号同步采集，如此可针对多片测量卡同步测量，提高信号的驱动能力使用信号跟随输出。

在本发明中，进一步的，所述信号测量单元连接有信号转换电路，经过信号转换电路转换的正弦信号经过所述背部连接板分别传输至所述测量CPLD、扫描CPLD上，所述测量CPLD用于测量该信号，所述扫描CPLD用于驱动待测产品。

具体的，如图11、12所示，信号转换电路包括信号调制电路以及ADC电路，所述信号调制电路与所述ADC电路连接，所述信号调制电路用于对采集的正弦信号调节增益，所述ADC电路用于对信号进行转换。其中，信号调制电路包括模拟开关电路、以及调制电路，其中模拟开关开路以及调制电路均是与PH0、FH180、PH90、FH270四路测量信号相对设置，技术方案相似，本发明仅以一路进行说明，PH0模拟开关开路包括开关芯片U1B以及放大器U3B，PH0信号从开关芯片U1B的N3端口输入，开关芯片U1B的COM端口连接至放大器U3B的正输入端，放大器U3B的输出端生成TOP1信号传输至调制电路，该调制电路包括调节器U2A，主要用于对TOP1信号的电压以及宽带进行调节，调节器U2A的输出端连接滤波得到AIN2信号，AIN2信号传输至ADC电路中进行转换，ADC电路包括转换芯片U1A，型号为AD7731，转换后的信号最终由背部连接板传输分别传输至扫描CPLD以及测量CPLD上，扫描CPLD用于驱动被测元件，测量CPLD用于测量该参数。

在本发明中，进一步的，在信号驱动被测元件后，被测元件将信号返回至扫描卡，经背部连接板传输至测量CPLD以及主控板。其中，所述背部连接板连接有平衡转换电路，所述平衡转换电路经过增益调节电路连与所述测量CPLD连接，所述扫描CPLD获取的待测产品反馈的信号传输至背部连接板，在经过平衡转换电路进行转换，转换的信号经过增益电路传输至测量CPLD进行分析。

具体的，如图13所示，平衡转换电路包括放大器U4B，放大器U8B、放大器U16B、放大器U5B，放大器U8B、放大器U5B、放大器U16B的输入端用于接收反馈信号，放大器U4B的正极与放大器U16B的负极连接，放大器U4B、放大器U8B的输出端与放大器U5B的输入端连接，U5B的输出端连接有模拟开关U9B，模拟开关U9B的COM端口连接所述增益调节电路，该增益调节电路包括芯片U12B以及放大器U13B，模拟开关U9B的COM端口连接至放大器U13B的正极，放大器U13B的输出端连接芯片U12B的3脚，平衡转换电路将反馈信号进行处理和转换，最终输出的信号经过连接槽板传输至测量卡上进行计算。

在本实施方式中，

工作原理：

本系统通过MCU模块控制测量CPLD产生测量信号，测量信号经过DDS合成单元合成正弦信号，正弦信号通过滤波电路和差分电路滤除信号的谐波和高频干扰，由信号测量单元进行同步采集，经过处理后的正弦信号最终分别传输至测量卡和扫描卡中，在测量卡上进行测量，经过扫描卡传输至产品上，用于驱动被测元件。

被测元件的反馈信号传输至扫描卡中，并且该过程可通过通道切换单元进行测量测通切换，扫描卡的信号经过背部连接板进行信号转接，经过平衡转换电路进行转换以及增益调节电路进行信号调节，最终传输至测量CPLD，测量CPLD进行内部分析和计算，将最终计算出的不同的电参数数据传输至MCU模块，MCU模块可通过USB模块或网络通讯单元外界显示设备，对该测量结果进行显示。

上述说明是针对本发明较佳可行实施例的详细说明，但实施例并非用以限定本发明的专利申请范围，凡本发明所提示的技术精神下所完成的同等变化或修饰变更，均应属于本发明所涵盖专利范围。

Claims (10)

1.一种多通道高精密LCR测试系统，其特征在于，包括与待测产品连接的若干结构相同的的扫描卡、以及与扫描卡相对设置的测量卡，若干所述扫描卡和测量卡通过背部连接板连接，所述扫描卡用于实现通道切换，所述测量卡用于实现LCR测试，所述背部连接板用于实现信号的转接，所述背部连接板连接有主控板，所述主控板用于实现对测量卡以及扫描卡的信号控制；

每个所述扫描卡包括扫描CPLD以及通道切换单元，所述扫描CPLD与所述通道切换单元连接，所述扫描CPLD用于接收主控板的信号并控制信号分配，所述通道切换单元通过若干继电器实现对测量通道的切换。

2.根据权利要求1所述的一种多通道高精密LCR测试系统，其特征在于，所述主控板包括MCU模块、测量CPLD、DDS合成单元以及信号测量单元，所述MCU模块与所述测量CPLD连接，所述MCU模块用于控制所述测量CPLD进行LCR测试，所述测量CPLD与所述DDS合成单元电连接，所述测量CPLD用于控制DDS合成单元合成正弦信号，所述DDS合成单元与所述信号测量单元连接，所述信号测量单元用于同步采集所述正弦信号。

3.根据权利要求2所述的一种多通道高精密LCR测试系统，其特征在于，所述DDS合成单元连接有滤波电路和差分电路，所述滤波电路和差分电路用于滤除信号的谐波和高频干扰。

4.根据权利要求2所述的一种多通道高精密LCR测试系统，其特征在于，所述信号测量单元连接有信号转换电路，经过信号转换电路转换的正弦信号经过所述背部连接板分别传输至所述测量CPLD、扫描CPLD上，所述测量CPLD用于测量该信号，所述扫描CPLD用于驱动待测产品。

5.根据权利要求4所述的一种多通道高精密LCR测试系统，其特征在于，所述背部连接板连接有平衡转换电路，所述平衡转换电路经过增益调节电路连与所述测量CPLD连接，所述扫描CPLD获取的待测产品反馈的信号传输至背部连接板，在经过平衡转换电路进行转换，转换的信号经过增益电路传输至测量CPLD进行分析。

6.根据权利要求4所述的一种多通道高精密LCR测试系统，其特征在于，所述信号转换电路包括信号调制电路以及ADC电路，所述信号调制电路与所述ADC电路连接，所述信号调制电路用于对采集的正弦信号调节增益，所述ADC电路用于对信号进行转换。

7.根据权利要求4所述的一种多通道高精密LCR测试系统，其特征在于，所述信号测量单元包括四路结构相同的采集电路，所述采集电路包括运算放大器U601，所述运算放大器U601的正极输入引脚与所述差分电路连接。

8.根据权利要求1所述的一种多通道高精密LCR测试系统，其特征在于，所述通道切换单元包括若干结构相同的通道切换电路，所述通道切换电路包括与所述通道数量相对应的继电器，所述继电器与所述扫描CPLD连接。

9.根据权利要求1所述的一种多通道高精密LCR测试系统，其特征在于，所述扫描卡和测量卡至多可设置13张。

10.根据权利要求2所述的一种多通道高精密LCR测试系统，其特征在于，所述MCU模块包括主控芯片U100，所述主控芯片U100连接有USB单元以及网络通讯单元，所述USB单元用于实现主控芯片U100与外界的USB通讯，所述网络通讯单元用于实现组网。

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