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1、基于数字鉴相的自由轴法RLC测量时间：2009-09-2811:26:43來源：现代屯子技术作者：黄利君何蓉0引言R,L,C是电子电路及系统的主要元件，R,L,C参数的测量方法有电桥法、谐振法、伏安法。具屮，电桥法具有较高的测量精度，但电路复杂且需要进行电桥平衡调节，不宜完成快速的自动测量。山于测量方法的制约，谐振法需要很高的频率激励信号，一•般无法完成较高精度的测量。伏安法在设计中必须完成矢量测量及除法运算，为了实现高精度测量，还需要采用低失真的正弦波信号和高梢度的A/D,早期实现比较闲难。由于计算机技术的发展，智能仪器的计算能力和控制能力有了较人提高，使伏安法在实际屮得到广泛应用。伏安法
2、测量中，有固定轴法和自山轴法两种，固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与标准阻抗电压的相位相同，对硬件要求很高，并且存在同相误差，已很少使用。自山轴法中相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，只要求保持两个处标轴准确正交（相差90°）,从而使硬件电路简化。常见的白由轴法RLC测试仪采川模拟相敏检波器，测量精度低，速度慢。本文介绍一•种基于数字鉴相的自山轴法RLC测量电路设计。1系统组成及测量原理基于数字鉴相的自由轴法RLC测量系统构成如图1所示，主要由正弦信号源U0、前端测量电路、相敏检波器、A/D转换器、微处理器、基准相位发牛器以及键盘、显示电路等组成。图1自由轴法RLC测量电路框图显
3、示键盘基准相位发牛器为了提高信号源精度，正弦信号源3采用直接数字频率合成信号源（DDS）。R0为信号源内阻，RS是标准电阻，Zx为被测阻抗，A为高输入阻抗、高增益放大器，主要完成电流一电压变换功能°测量时，开关S通过程控置于Ux或US端。由图1冇:UX二I0ZX,US二TORS,被测阻抗ZX为：—¥—挣s⑴由式仃）可知，只要测岀UX,US在直角坐标系屮两坐标轴X,y上的投影分量，经过四则运算，即可求岀测量结果。图1屮，被测信号与相位参考基准信号经过相敏检波器后，输出就是被测信号在坐标轴上的投影分量。相位参考基准代表着坐标轴的方向，为了得到每一被测电压（US或UX）在两坐标轴上的投影分量，基准
4、相位发生器需要提供两个和位和并90。的和位参考基准信号。需要指出的是在自由轴法中，相位参考基准与US没冇确定关系，可以任意选择，即x,y坐标轴可以任意选择，只需保持两坐标轴准确正交90°oUX,US和坐标轴的关系如图2所力1O图2自由轴法矢量图应用图1测蜃时，通过开关S选择某一被测聚(如UX),基准相位发生器依次送出两个相位相差90°的相位参考基准信号，经相頌检波器后分别得到UX在两坐标轴上的投影分聚Ul,U2o类似，当开关S选择US时，可分别得到US在两坐标轴上的投影分量U3,U4O各投影分量经A/D转换器町得对应的数字量，再经微处理器计算便得到被测元件参数值。下面以电容并联电路的测量为例
5、，推导RLC参数的数学模型。由图2可得：Ux=Ui+]U2=eNi+]eN2(2)Us=U3+jlA=eN3+jeN4(3)式中：Ni为Ui对应的数字量，e为A/D转换器的刻度系数，即每个数字所代表的电压值。由式⑵,式⑶可知:Us=叫+jM=MN3+N2N4
6、・耳_N；+jN2_N]2+隔十JN/+直接通过对N1〜N4数值的运算，即可完成矢量除法运算。由式(1),式⑷可求得被测阻抗中的电容值CX及损耗角正切值DXo1US=Gx+jsCx1/MN3+N2N4
7、・MM—MM、忠(N/+N,十」+N22)(5)式屮：GX为介质损耗电导。进而有：N1N4—N2N3N/+N/NxN3+N2N4N/+N
8、N+N2N4N.N4-N2N3(7)(8)同理可以导出被测参数R,C的计算公式。2正弦信号源与相敏检波器在自由轴法测量RLC原理电路（图1）中，正弦信号发生器、相敏检波器及基准相位发生器是RLC测量仪的关键部分。2.1正弦信号源为了保证RLC测试仪的精度，要求信号源U0产生的正弦信号波形失真小，幅值稳定。自山轴法中，还要求信号源频率和相敏检波器相位基准信号的频率和同。所以正弦信号源与基准相位发生器在电路上密切相关。为了保证测试精度，采用氏接数字频率合成DDS技术产牛•正弦信号激励源。DDS具有系统稳定性强，以及相位、频率梢确可调的优点。图3所示为采用DDS的正弦信号源及相敏检波器原理图。RO
9、M1(256x8)10MHzCLKP1.2—P1.3一28/64/32/16/8/02//11数字分频01234567AAAAAAAA81234-5^7DDDUDEXDD/A5（图1信号源）PIO—A8AOAlA2A3A4A5A6A7,》Pl」一A9f被测信号以（或S）ROM2(I024x8)图3相敏检波电路图3中时钟信号CLK经分频器后，得到依次二倍频率关系的8路信号，作为R0M1的地址输入，R0M1存放有
