适合爱好者diy的数字电桥-中国移动139邮箱

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1、LCR数字电桥自制方案许剑伟福建莆田第十中学一、引言：电阻、电感、电容是电子爱好者的基本元件，它们的主要参数可以使用LCR电桥准确测得。本文充分利用现代单片机内部资源简化电路，尽量采用最普通的器件设计电桥，得到的精度优于0.5%（进行逐档校准后精度优于0.3%），总体性能可以满足业余爱好者要求，具有较强的DIY及学习研究价值。二、基本特点创意设计：将正弦信号发生器、AD转换器、0/90度方波发生器等，全部利用单片机片内资源完成，与同类电路相比，电路大为简化。AD字数：1000字，采用了过采样技术，有效分辨力约为4000字测量方法：矢量法，

2、自由轴。主要测量范围：1欧至0.2兆欧，精度0.5%（理论），实测比对，均未超过0.3%有效测量范围：2毫欧至10兆欧，最小分辨力约0.5—1毫欧串联残余误差：小于2毫欧，低阻测量时此误差不可忽略并联残余误差：大于50M欧，高阻测量时此误差不可忽略Q值误差：±0.003（Q<0.5），Q/300（Q>2，相对误差简易算法），其它按0.5%左右估算D值误差：±0.003（D<0.5），D/300（D>2，相对误差简易算法），其它按0.5%左右估算ESR误差：

3、Z

4、/300电容D、Q测量适用于40pF以上，20pF以下D、Q精度变差很多。开路

5、、短路清零：用于高阻及低阻测量。信号源幅度：峰值200mV（100Hz），180mV（1kHz），190mV（7.8kHz）电感：分辨力0.005uH，有效分辨0.02uH，测量范围0.1uH至1000H，超出1000H未测试。电容：分辨力与夹具有关。夹具好的话，可以有效分辨0.05pF，不屏蔽只能分辨到0.1pF，甚至只有1pF。测量上限大于100mF电容。简易夹具参数推荐：7cm至10cm长，0.75平方毫米导线，接上小夹子即可。频率精度：实际频率为99.18Hz、999.45Hz（另一版本976.56Hz）、7812.5Hz，简写为

6、100Hz、1kHz、7.8kHz。由于DDS的频率分辨力有限，所以不采用整数频率。频率精度约为0.03%（由石英晶振电路决定）。三、LCR数字电桥的原理·LCR电桥测量原理如图，测定电抗元件Zx中电压U1与电流I，利用欧姆定律就可以得到当Zx串联了已知电阻R，那么测定了R上压降U2，就可得到可见，无需测量I的具体值，只须计算U1与U2的比值就可以得到Zx，具有电桥的基本特征。为了得到Zx在实轴与虚轴上的两个分量，以上计算须采用复数计算。设U1=a+jb，U2=c+jd那么借助开关式相敏检波器，可分离出a、b、c、d。检波过程需要一个稳定

7、的0°与90°的正交方波信号（即电压向量图示法的坐标轴），测量期间U1、U2向量也必须在这个坐标系中保持稳定。然后控制好放大器的增益，使得a、b、c、d的读值数字足够大，Zx的测量精度高。通过电子开关切换，U1与U2的只需由一个毫伏表完成测量。阻抗计算是一个比值计算，所以要求毫伏表高线性，而对精度无特殊要求。分布参数及毫伏表的输入阻抗，并不是很稳定的，因此上图电路在测量高阻抗元件时，通过校准消除误差的效果受到一些影响，误差变大。此外，高阻情况下测量U1与U2时，两个毫伏表须共地，不宜像图中那样浮地测量U1，否则分布参数的影响会更严重。利用

8、“仪表三运放”差分放大电路，可以把U1与U2转换为共地信号。然而，B点对地电压不为零，就对“仪表三运放”的共模抑制能力要求很高，增加电路成本。为此，本电路仿照经典电路引入了V/I变换器，上、下臂的中点变为了运放的虚地，以解决上述问题。详见电路原理图。本电桥是采用电阻校准幅度和相位的。引入了V/I变换器，在对高阻档校准有利。100k档相位校准时，R=Zx=100k欧，并联在上下臂的分布电容均只有几个pF，此外，由于虚地电位接近于零，所以虚地对地分布电容的分流可以忽略。因此，上下臂电压、电流基本相等，对称性好，即使不进行相位校准，误差也是小量

9、，校准后，相位误差基本消除。上、下臂电压分别通过“仪表三运放”缓冲放大后输出，图中两组“三运放”分别是U1A，U1B，U2A和U1C、U1D、U2B。实际上，V/I变换器并不能保证在7.8kHz时虚地对地电压真正为零（尤是在低阻测量时），这就产生了共模干扰信号，所以“三运放”电路须有较强的共模抑制能力。经K3切换上、下臂信号进入下一级放大。要使电桥更精确，上、下臂应使用“同一个毫伏表”进行放大（或者不放大直接进行相敏检波）。由于本电路AD的分辨力不足，保持良好精度的范围比较小。为了解决这个问题，后级可控增益对每个量程都启用，这样，各档测量

10、范围就增加了。启用了可控增益放大器，上下臂电压测量实际上不再使用“同一个毫伏表”，因此误差增加大50%左右。两级可控增益放大分别由U2C和U2D完成，实现9倍和3倍增益切换，组合后得到1、3、