基于虛擬儀器技術(shù)的LCR測試儀的設(shè)計

1、年月第期（總第期）廣西輕工業(yè)機(jī)械與電氣基于虛擬儀器技術(shù)的測試儀的設(shè)計徐玓，張銀玲（解放軍蚌埠坦克學(xué)院實驗中心，安徽【摘蚌埠）要】本文首先分析了伏安法測量阻抗的原理，詳細(xì)介紹了伏安法測阻抗的計算方法，以此為基礎(chǔ)給出了一種基于的虛擬測試儀的設(shè)計方案，然后介紹了測試系統(tǒng)各個硬件部分的設(shè)計。該測試儀充分利用數(shù)據(jù)處理能力有效地實現(xiàn)了對阻抗的測量和分析。【關(guān)鍵詞】虛擬儀器；阻抗【中圖分類號】引言阻抗是電路研究中經(jīng)常需要用到的參數(shù)，測量方法主要有電橋法、諧振法和伏安法三種。電橋法具有較高測量精度，其缺點在于需要進(jìn)行反復(fù)電橋平衡調(diào)節(jié)，測量時間長，很難實現(xiàn)快速自動測量。諧振法要求有較高頻率的激勵信號，一般不易滿

2、足高精度測量的要求，由于測試頻率不固定，測試速度也很難提高。伏安法是最經(jīng)典的阻抗測量方法，但儀器必須能進(jìn)行矢量測量及除法運(yùn)算。圖形化編程語言是美國公司推出的一種基于語言（，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，設(shè)置數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)換、存儲的方式，并將結(jié)果顯示給用戶。除了具備其他語言所提供的常規(guī)函數(shù)功能外，還集成了大量的生成圖形界面的模板，豐富的數(shù)值分析、數(shù)字信號處理功能以及多種硬件設(shè)備驅(qū)動程序。利用提供的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力來完成伏安法測量阻抗所需要的計算任務(wù)，我們研制了基于虛擬儀器技術(shù)的【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】【文章編號】（）精確相位差的相敏檢波器基準(zhǔn)信號，其缺點在于硬件

3、相敏檢波器直接影響測量精度。為了避免此缺點，利用虛擬儀器技術(shù)改進(jìn)傳統(tǒng)自由軸法，簡化硬件電路，以軟件相關(guān)算法準(zhǔn)確測量和矢量，提高測量精度。通過相關(guān)算法檢測有效值、及相位差就可測量被測阻抗的虛實分量，這是研制基于虛擬儀器技術(shù)的阻抗測試儀的最基本思想。虛擬測試儀算法的實現(xiàn)基于虛擬儀器技術(shù)的測試儀特點在于軟件替代硬件，改進(jìn)傳統(tǒng)測試方法。算法通過測量標(biāo)準(zhǔn)信號和待測信號之間的相位差和這兩個信號的有效值來準(zhǔn)確估計待測元件參量。相關(guān)法估計相位差及有效值算法原理現(xiàn)假設(shè)被測阻抗信號和同頻標(biāo)準(zhǔn)阻抗參考信號分別為，周期為。它們的互相關(guān)函數(shù)為：（），（），相位差為（）!"（）（）（）（）" #$（）

4、由此可以得到：阻抗測試儀。虛擬測試儀的原理伏安法測量阻抗的原理基于歐姆定律，即阻抗可以表（）即（）式中，、分別為兩路同頻信號的幅度最大值。!（）述為：（）式中，為阻抗兩端壓降的有效值，為過流阻抗電流的有效值，為電壓與電流的相位差。根據(jù)（）式可以得到式中，（）圖正交法幅度測量算法原理圖，為伏安法測量系統(tǒng)中同樣我們可以用兩路信號的自相關(guān)函數(shù)測量出、但是。實際工程環(huán)境中，存在隨機(jī)噪聲的干擾，數(shù)據(jù)采集獲取的數(shù)據(jù)含有噪聲，帶噪信號自相關(guān)函數(shù)在主峰處誤差極大，造成嚴(yán)重測量誤差（互相關(guān)函數(shù)具有很強(qiáng)的噪聲抑制能力），實際工程中有必要對自相關(guān)幅度測量進(jìn)行改進(jìn)?？紤]到測試信號的頻率是已知的，所以，可以擬合產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)

5、正弦信號和余弦信號，待測信號分別和兩路標(biāo)準(zhǔn)信號作互相關(guān)，準(zhǔn)確檢測幅度、，避開自相關(guān)運(yùn)算，大大增強(qiáng)了噪聲抑制能力。圖所示即為如上所述的標(biāo)準(zhǔn)阻抗電壓。傳統(tǒng)設(shè)計方案有固定軸法和自由軸法之分，固定軸法的缺點在于為了固定坐標(biāo)軸，確保參考信號與被測信號之間的精確相位關(guān)系，硬件電路要付出相當(dāng)大的代價。自由軸法無須固定坐標(biāo)軸，相敏檢波器的相位參考基準(zhǔn)可以任意選擇，是近年來智能阻抗測試儀大多選用的設(shè)計方案。自由軸法關(guān)鍵在于產(chǎn)生徐玓（），男，安徽壽縣人，蚌埠坦克學(xué)院講師，碩士?！咀髡吆喗椤空环ǚ葴y量原理框圖。設(shè)待測信號和正弦信號的互相關(guān)結(jié)果（）為：樣存儲電路、激勵信號發(fā)生電路和通信模塊四大模塊。前端測試電路產(chǎn)

6、生兩路同頻信號，一路為待測元件上產(chǎn)生的信（）號，另一路為標(biāo)準(zhǔn)電阻上產(chǎn)生的信號。雙通道同時采樣電路對這兩路信號同時采集，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。激勵信號發(fā)生電路產(chǎn)生頻率可變的激勵信號。通信模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能，將（）底層數(shù)據(jù)高速傳輸至上層，并控制各單元電路協(xié)調(diào)工作。系統(tǒng)框圖如所示。（）測信號和余弦信號的互相關(guān)結(jié)果（）為：（）測信號和正弦信號相位差式中，為擬合信號幅值。式（）得出幅值為：因此，可有式（）、式中，為待測幅值，為正弦信號和余弦信號幅值，為待號有效值為：! （）（）（）綜上，兩信號有效值和相位差可以表述成（）、（）和（）。信! （）（）（）! （）（）（）圖系統(tǒng)原理框圖信號相位差為：（）&quo

7、t;（）式中，為擬合信號的幅值，、為待測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號的有效值。采用正交法實現(xiàn)幅度測量增加了計算量，但是解決了自相關(guān)噪聲誤差，增強(qiáng)了噪聲抑制能力，大大提高了測量精度。另外，由于阻抗測試的測試頻率已知，擬合光滑正弦信號和余弦信號方便可行，突出體現(xiàn)了虛擬儀器技術(shù)的計算機(jī)優(yōu)勢。圖虛擬阻抗測試儀界面前端測量電路設(shè)計前端測量電路的作用是分別測出流經(jīng)被測元件的電壓、代表恒定電流大小的基準(zhǔn)電壓。測試儀的前端測量電路由差分放大器、轉(zhuǎn)換器和輸入放大器三部分組成。和參量測試算法原理由伏安法測試原理可以得到如下表達(dá)式：（）信號通過差分放大器放大之后，分別送人程控放大器放大。放大器的增益通過微控制單元控制，程控放大器

8、的輸出送入同時采集系統(tǒng)進(jìn)行采集量化。式中，、為了測量信號的有效值，為標(biāo)準(zhǔn)電阻，為實部分量為：兩信號的相位差。由（）可以得到虛、激勵信號產(chǎn)生電路設(shè)計（）（）考慮到激勵信號源對頻率精度、頻譜純度和穩(wěn)定度的要求，系統(tǒng)采用專用數(shù)字頻率合成（）芯片公司提供的產(chǎn)生激勵正弦信號。內(nèi)部包括可編程系統(tǒng)、高性能及高速比較器，能產(chǎn)生頻譜純凈、頻率和相位都可編程的模擬正弦信號。在時鐘下，輸出頻串分辨率達(dá)，并且在供電時功耗僅為。式中，、實部分量。分別為待測阻抗的虛、從理論上分析，待測阻抗的實部反映了測試元件的電阻性，虛部反映了測試元件的電容或者電感性。虛部為負(fù)，表明電壓滯后電流，測試元件呈容性；虛部為正，表明電壓超前電

9、流，測試元件呈感性；虛部為零，測試元件呈純電阻性。測試儀利用同時采樣系統(tǒng)獲取兩路帶噪信號，通過正交法估計兩路同頻信號幅度有效值，獲取幅度有效值后，采用互相關(guān)手段求解兩路信號的相位差，最后根據(jù)、和計算公式求解待測參數(shù)。通過虛部和實部之間的關(guān)系可以確定待測元件的類型，實現(xiàn)自動識別、自動測量。雙通道同時采樣及存儲電路設(shè)計雙通道同時采樣是系統(tǒng)設(shè)計關(guān)鍵，為了降低測量誤差，必須保證信號通道特性的一致性，降低通道不對稱導(dǎo)致的相位誤差。基于此，我們的設(shè)計選用了美國德州儀器提供的雙通道同時模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。其最高采樣率可達(dá)，并具有位的數(shù)據(jù)分辨率，推薦工作下功耗僅有，適合低功耗環(huán)境。系支持差分輸入和單端輸入兩種模式。

10、統(tǒng)構(gòu)成單端輸入模式，其中共模信號端直接和內(nèi)部基準(zhǔn)源相連，使得輸入信號動態(tài)范圍在。采用串行數(shù)據(jù)總線接口，利用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷崿F(xiàn)串測試儀硬件系統(tǒng)設(shè)計測試儀硬件系統(tǒng)分為前端測量電路、雙通道同時采（下轉(zhuǎn)第頁）! （，）" ；如圖所示?；欤ǎ? （，）"&(&(合矩陣以及分離矩陣為：#$%#$%圖分離后信號從分離結(jié)果看，分離出來的信號只有相位和順序與源信號稍有不同，分離效果良好。并且隨著采樣點數(shù)的增加，分離的效果會更好。本實驗的采樣點為。混合后的信號如圖所示。分離后估計出的信號如圖所示。結(jié)語本文先介紹了負(fù)熵的定義，接著提出了以負(fù)熵為非高斯性準(zhǔn)則的獨(dú)立分量分析算法

11、?？朔艘郧投葹闇?zhǔn)則的算法的缺陷，魯棒性較好，且由于采用了簡單的負(fù)熵估計方法，在一定程度上降低了計算的復(fù)雜度。實驗結(jié)果表明分離效果良好。參考文獻(xiàn)，圖信號源，：，：，（）：，（）：圖混合信號（上接第頁）轉(zhuǎn)并，并控制模數(shù)轉(zhuǎn)換時序，將每次轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)自動存入存儲單元，提高了數(shù)據(jù)采集、存儲效率。為了簡化存儲系統(tǒng)設(shè)計，存儲單元采用實現(xiàn)。需要注意的是采用外部時鐘輸入方式，每個時鐘周期轉(zhuǎn)換一次，所以為了得到最大的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換速率，輸入時鐘應(yīng)該設(shè)置為信號產(chǎn)生電路的控制。系統(tǒng)測試結(jié)果系統(tǒng)利用強(qiáng)大的實現(xiàn)基于互相關(guān)原理的、和參數(shù)檢測，達(dá)到了比較滿意的效果，和傳統(tǒng)儀器相比有著更高的測量精度?；谄脚_的測試界面如圖所示。參考文獻(xiàn)徐愛鈞著智能化測試儀表原理與設(shè)計北京：北京航空航天大學(xué)出版社，。在設(shè)計時，為了保證的工作性能，系統(tǒng)對模擬電源、數(shù)字電源分別用高頻磁珠、濾波電容構(gòu)成去耦電路，達(dá)到良好的高頻去耦效果。通訊模塊硬件的設(shè)計系