虚拟lcr测试仪的研究与设计.docx
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虚拟lcr测试仪的研究与设计
本科生毕业论文(设计)
中文题目虚拟LCR测试仪的研究与设计
英文题目ResearchandDevelopmentofVirtualLCRInstrument
学生姓名李维博班级650505学号65050537
学院仪器科学与电气工程
专业电气工程及其自动化
指导教师张秉仁职称教授
中文摘要
近年来出现的虚拟仪器突破了传统仪器的束缚,是仪器发展史上的一次革命。
本文研究并设计了基于虚拟仪器技术的LCR测试仪,并以LabVIEW为软件平台,开发了相应的控制界面。
该LCR测试仪采用经典的阻抗测量方法——自由轴法,实现对被测参数的测量。
系统由软硬件两部分组成。
硬件部分通过FPGA制作的地址译码器锁存电路实现与单片机的通信;通过FPGA制作的数字波形ROM,实现正弦波激励源及四路基准相位信号的发生;采用模拟乘法器芯片AD5428实现全波鉴相;采用A/D转换芯片ADS1232实现模数转换功能。
软件部分采用虚拟仪器软件平台LabVIEW开发应用程序,实现数据的处理与操作界面的设计。
LCR测试仪通过计算机串口实现与计算机的通信。
设计的基于虚拟仪器技术的LCR测试仪工作稳定,取得了良好效果。
关键词LCR测试串行通信FPGALabVIEW
外文摘要
TitleResearchandDevelopmentofVirtualLCRInstrument
Abstract
Inrecentyears,theemergenceofthevirtualinstrumentisarevolutioninthehistoryofthedevelopment.Itbreakstheshacklesofthetraditionalinstruments,representingthelatestdevelopmenttrendoftheinstrument.Inthisresearch,thestructureanddesignofvirtualLCRtesterwhichisbasedonvirtualinstrumenttechnologyarestudied.Theconstructionprocessisalsodescribedandintroduced.AndthesoftwareplatformadoptsgraphicvirtualinstrumentsoftwareLabVIEWtodevelopmentthecontrolinterface.ThedesignoftheLCRtestboardbasedonthefree-axismeasurement,oneofthetraditionalmethodofmeasuringthemostclassicvoltammetry.TheresearchdescribestheLCRtestersystemfromtworespects,oneisthehardwareandtheotheristhesoftware.Inthehardwaresystem,useFPGAchipsin-houseproductionofaddressdecoderandlatchcircuittoachievecommunicationswithSingle-ChipMicrocomputer.UseFPGAchipsin-houseproductionofdigitalwaveformROMtoachievethefront-endexcitationsignalandthefour-wayreferencesignal.Twogroupofdiscretedigitalwaveformarecontrolledbythesameaddressaccumulatorandprogrammableclockcontrol,thereforeexcitationsignalandreferencesignalmayguaranteethesamefrequencystrictly.Selectanalogmultiplierphase-sensitivedetectorAD5428coreandusefront-endsinusoidalsignalasareferencesignal,toachievefull-wavephase.UsetheADS1232coretorealizetheanalog-to-digitalconversion..Inthesoftwaresystem,choosetheVirtualinstrumentsoftwareplatformLabVIEWtodevelopapplications,inordertorealizethedataprocessinganduserinterface.TheuniquegraphiclanguageofLabVIEWisapplicabletotheproductionofinstrument’sfrontpaneltoachievethevisualizationofmeasurementresults.LabVIEWprovidesalargenumberofVISAI/Olibrary,torealizewithGPIB,VXIortheserialportcomponent’sinterfacecorrespondence.ThehardwareoftheLCRtestercommunicatewiththecomputethroughthecomputerserial.LCRtesterdesignedbasedonvirtualinstrumenttechnologyworksstability,achievinggoodresults.
KeywordsLCRtestingserialcommunicationFPGALabVIEW
1引言
1.1论文研究背景
随着计算机技术和软件技术的发展,新的测量方法以及新的仪器结构不断出现。
近年来出现的虚拟仪器是仪器发展史上的一次革命,代表着仪器发展的最新方向和潮流。
虚拟仪器(VirtualInstrumentation)是指,在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户自己设计定义,具有虚拟的操作面板,测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。
它通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来,用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机,就像在操作自己定义、自己设计的一台仪器一样,从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等功能。
吉林大学虚拟仪器实验室成功的将虚拟仪器技术引入实验室,构建了集信号发生、数据采集、分析处理于一体的可重构实验系统VIETS(虚拟仪器实验教学系统)总线系统。
VIETS系统具有低成本、可重构等特点,它可以实现一套系统替代多种仪器设备的目的,从而提高了实验教学的效率与质量。
VIETS测试系统采用模块化的设计思想,将一些通用的测试仪器模块化,并按照一定的规范集成到一个机箱中。
系统硬件平台采用“一个控制器+多个功能模块”的结构,通过控制器模块控制各功能模块的工作。
系统软件平台采用图形化语言LabVIEW开发应用程序。
总体机构如图1-1所示,体系结构如图1-1所示。
预计模块化仪器包括:
任意波形发生器、数字存储示波器、多通道同步采集卡、LCR测试仪、频率计/计数器、矩阵开关、数字I/O和程控直流电源等。
图1-1VIETS测试系统体系结构
1.2论文研究意义
在电子产品中,电感(L)、电容(C)和电阻(R)是构成我们所有电子设备最基本的元器件,其特性直接关系到产品的性能质量,甚至所设计产品的成功与否。
在充满激烈竞争的电子行业中,要求电子产品必须具有越来越高的性能、质量及性价比,从而对所使用的元器件提出了更高、更严格的要求。
元器件在不同的信号频率、不同的信号电平下,其性能和技术指标会发生变化。
尤其在高频段,元器件参数以及元器件所表现出的特性变化更大。
所以,元器件虽然能满足出厂时的技术指标,但装入实际电路中会表现出不同的特性。
正如我们实际使用的电阻、电容、电感并不是理想的元件,而是存在着寄生电容、寄生电感和损耗。
因此,了解元器件在实际工作条件下的性能特性,有助于设计出高质量的电路,提高产品的性能和可靠性。
目前市面上的LCR测试仪,硬件电路往往比较复杂,体积比较庞大,不便携带。
而LCR测试仪性能的实现基本上都是依赖于硬件,要达到智能化就一定要采用更高性能的硬件电路,这样的代价是价格的昂贵与更新速度的缓慢。
虚拟LCR测试仪是以软件为核心的,其结合了计算机强大的信息处理能力,将一部分硬件所难以达到的功能交予软件来实现,使设计的投资小,更新速度快。
利用虚拟仪器技术研制具有较高稳定性和精密度的LCR测试仪是非常必要的。
该LCR测试仪板卡可以实现在工作中方便快捷的对所需要的无源器件,电感(L)、电容(C)和电阻(R)进行测量,从而了解元器件在实际工作条件中的特性。
另外LCR测试仪的开发可以丰富VIETS系统,使其更广泛的应用在实验教学当中。
1.3论文的主要内容
本文的第一章是引言部分,介绍了本题目的研究背景和研究意义。
在第二章中,首先对LCR参数的测量方法:
电桥法、谐振法、和伏安法,做了详细的研究和比较。
确定了本次设计进行测量的基本原理—伏安法中的自由轴法。
另外给出了系统的整体设计方案,分析了系统设计过程中的难点和关键技术。
在第三章中,给出了LCR测试仪硬件部分总体实现方案及具体实现方式。
文中分四个部分对系统硬件进行探讨。
第一部分为接口通信模块的设计与实现。
这部分是计算机与硬件板卡信息交流的通道,因此对该部分作了详细的论述。
第二部分为信号源的发生。
第三部分为相敏检波模块。
第四部分为A/D转换模块。
这部分对利用FPGA控制A/D转换的时序作了详细的介绍。
在第四章中,介绍了LCR测试仪软件部分。
给出了利用LabVIEW8.6开发系统应用程序的过程,并介绍了利用LabVIEW8.6设计的上层控制界面。
在第五章中,对系统的硬件部分、软件部分以及整体进行了测试,并给出了相应的测试数据和波形。
然后根据测试结果对系统误差进行了分析。
2系统测试原理与总体方案设计
2.1LCR测试原理的研究与选择
LCR参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法。
其中伏安法又分为固定轴法和自由轴法。
2.1.1平衡电桥法
电桥法实际上是一种比较测量法,即把被测量与同类性质的已知标准量进行比较,从而确定被测量的大小。
电桥有直流电桥和交流电桥之分。
直流电桥只能测量电阻,要同时测量L、C、R必须采用交流电桥,原理如图2-1所示。
其中
、
、
、
组成电桥的四个桥臂,G为检流计,
一般为输出幅度稳定的正弦信号,频率和输出阻抗可调以适应不同负载。
如果调节桥臂使流过检流计的电流
=0,则电桥平衡,有下式成立:
,即
。
(2-1)
图2-1平衡电桥法测试原理图
2.1.2谐振法
由于谐振电路有多种接法,这里简要介绍一下LC串联谐振。
LC串联谐振电路如图2-2所示,
为等效电阻。
图2-2LC串联谐振电路
LC串联谐振网络有一个固有的谐振频率
,由式
(2-2)
决定。
可以看出,
只与L、C的大小有关,而与
无关。
当激励源
的频率等于
时,网络便发生串联谐振的现象。
此时,网络呈纯阻性,且阻抗最小;L、C上的电压相等。
已知
、L可以求得C,或者已知
、C可以求得L。
2.1.3伏安法
伏安法是最经典的测量方法,它的测量原理直接来源于阻抗的定义。
图2-3伏安法测量原理
伏安法可以用图2-3所示的原理电路来说明。
图中
为激励源,
是标准阻抗,
是被测阻抗。
由于
与
串联,流经
与
的电流相等,分别测出
与
两端的矢量电压
与
,通过电压比率便可计算出被测阻抗:
(2-3)
根据矢量表示的方法,可以将公式(2-3)写成
(2-4)
从公式2-4可知,只要分别测出
与
的实部分量和虚部分量,再通过矢量除法运算就可以计算出被测阻抗。
有两种方法可解决这个问题,分别是固定轴法和自由轴法。
1.固定轴法
固定轴法采用双斜积分实现。
双斜积分具有电压量相除的运算功能,但它只能实现简单的标量除。
为了将式中的矢量除法转化为标量除法,就必须把复数阻抗直角坐标的实轴方向选取为与分母矢量的方向一致,这样分母上的矢量只有实部分量,于是公式(2-4)就可以表示为:
(2-5)
这样只要通过简单的标量乘除运算就可以求出待测参数。
2.自由轴法
自由轴法采用微处理器直接进行矢量运算。
自由轴法原理框图如图2-4所示,图2-5是其矢量图。
图2-4自由轴法原理框图
图2-5自由轴法矢量图
自由轴法的坐标方向可以任意选择,即相敏检波器的相位基准可以任意的选择。
通过多路开关来选择
与
,由相敏检波器测出
与
在X、Y坐标轴上各个投影分量。
为了得到矢量电压相应于正交坐标轴的分量,需要对每个
或
的两次测量保持精确的
相位差。
这就要求相位发生器能产生彼此严格相差
的波形控制信号作为相敏检波器的基准电压信号。
由图2-4的前端电路分析得:
(2-6)
(2-7)
(2-8)
式中
、
分别为
在
和
方向上的电压分量
、
对应的数字量;
、
分别为
在
和
方向上的电压分量
、
对应的数字量;
为A/D转换器的刻度系数,即每个数字代表的电压值。
由式(2-6)~(2-8)可得:
(2-9)
因此,直接通过计算
、
、
、
这些数字量即可完成矢量除法运算,求出被测阻抗
。
2.1.4测试原理的选择
平衡电桥法虽具有较高的测量精度,但测量需要反复进行平衡调节,测量时间长,很难实现快速自动测量。
另外测量量程范围小,对于覆盖很大的测量范围,只能用分段测量法,这会造成各段测量精度不一致。
因而目前智能LCR测试仪中很少采用电桥法。
谐振法要求有较高的激励频率信号,一般不容易满足高精度测量的要求。
另外由于测量频率不固定,测试速度也很难提高。
固定轴法要求复数阻抗的坐标轴固定。
这样为了固定坐标轴,确保精确的相位关系,需要专门的硬件电路,如锁相、校相等,硬件电路复杂,测试困难,测量精度受到了限制。
自由轴法,它不要求把坐标轴固定在某个已知的方向上,省去了有关的硬件电路,具有测试精度高、速度快的优点。
目前大多数的LCR测试仪采用自由轴法,本设计也采用了此种方法,既充分利用了现代计算机技术,又体现了虚拟仪器的优势。
2.2总体方案设计
本节主要介绍LCR测试仪的总体设计方案,分析在设计系统的整个过程中所遇到的难点和重点。
2.2.1硬件方案设计
系统的硬件原理框图如图2-6所示。
设计中用FPGA制作信号源,用来产生激励源信号和基准相位发生信号。
信号通过D/A转换芯片AD5428,使数字信号模拟连续输出。
输出的激励源加到前端电路两端。
在相敏检波器中进行电压实部和虚部的分离。
通过A/D转换芯片ADS1232将采集得到的模拟量转换成数字量然后送到计算机上层软件进行数据处理和显示。
图2-6系统的硬件原理框图
2.2.2软件方案设计
LCR测试仪的软面板通过图形化的编程软件LabVIEW编程实现,用户界面友好。
系统的数据传输通过串行通信实现。
软件工作流程:
在VI程序中,首先进行选择VISA资源名称,设置波特率,设置数据位等初始化串口操作,然后启动设备。
用户根据自己需要发送测试状态命令。
硬件系统接收命令完成相应的动作,并将采集数据通过串口送给计算机,应用软件对数据进行处理、分析和显示等功能。
系统软件原理框图如图2-7所示。
图2-7系统的软件原理框图
2.3系统设计中的难点和关键技术
1.相敏检波器的实现。
该部分是硬件电路关键的部分,也是系统设计的难点所在,该部分采用的是全波乘法器,取其有效直流分量。
2.上层软件与硬件通信的实现。
该部分是数据传输的关键,是整个系统的一个重要部分。
该部分用串行通信技术,利用单片机编程和在FPGA内置的地址译码器实现。
3.系统软件设计。
利用LabVIEW开发应用程序,该部分包括串口配置,数据处理和显示界面,是整个系统设计的重要部分。
3LCR测试仪硬件部分实现
3.1硬件系统总体设计
LCR测试仪系统原理框图如图3-1所示
图3-1LCR测试仪系统原理框图
系统分成以下几大模块:
1.接口通信模块。
单片机通过串口实现与计算机的通信。
单片机负责处理计算机发送过来的命令,控制相应的电路单元工作。
并且将接收到的采集数据发送给计算机。
2.信号发生模块。
部分主要包括可编程时钟、地址累加器、波形存储器、巴特沃斯低通滤波器和D/A转换器。
主要用来产生激励信号和基准信号。
3.测试模块。
包括前端测量电路、信号调理和A/D转换三部分。
前端测量电路,用四端对结构将被测量引入测试系统;信号调理部分包括电压跟随电路、相敏检波电路、全波整流电路、低通滤波电路。
其中电压跟随电路将被测元件两端的矢量电压和标准电阻两端的矢量电压进行分离,输出的矢量电压由相敏检波电路分别分离出实部分量和虚部分量,送给A/D模块进行模数转换;A/D采集模块中的A/D转换器选用高分辨率、高精度的模数转换器ADS1232。
3.2硬件电路的设计与实现
3.2.1接口通信模块的设计与实现
接口通信模块是计算机与硬件板卡信息交流的通道,硬件系统通过此模块接收计算机发出的命令,控制相应的电路单元工作并且把处理得到的结果传给计算机进行数据的分析与处理。
3.2.1.1方案设计与方案选择
方案一、利用FPGA技术内制双口RAM实现总线通信
LCR测试仪板卡中的单片机通过双口RAM实现与控制器板卡的通信。
完成诸如配置寄存器初始化、数据存取、仪器命令解析等功能。
利用FPGA技术在其内部制作双口RAM实现单片机与总线的通信功能。
在VIETS系统中,各种命令、数据、地址和其它消息都是通过总线传递。
总线从功能上可分为:
电源总线、公用总线、数据传输总线、中断请求总线、触发总线。
图3-2利用双口RAM实现通信
如图3-3所示,双口RAM通过FPGA技术仿造IDT7130实现,它可以通过两套数据、地址、控制线对唯一的储存单元进行操作。
通过地址单元3FF,3FE的读写控制实现USB控制卡和本板单片机的中断响应。
控制需要注意的是FPGA内部存储器件的读写使能都是高电平有效,因此外围逻辑需要加入非门实现和IDT7130一致的逻辑。
图3-3FPGA内部双口RAM的实现
方案二、利用串行通信技术
串行通信是仪器和设备常用的通信方式。
单片机可直接通过串口实现与计算机的通信。
单片机负责进行数据的传输以及处理通过串口发送过来的命令,控制相应的电路单元动作。
为提高程序的灵活性、增强系统集成度,可在FPGA内部制作地址锁存器,对单片机接收到的控制命令,完成单片机命令译码,控制相应的组件工作。
方案比较
方案一,所用的通信方式适合VIETS测试系统“一个控制器+多个功能模块”的模式。
系统通过控制器模块控制各功能模块的工作。
但是利用这种总线通信的方式,涉及到LCR测试仪驱动的开发,USB控制器驱动的开发以及总线系统通信协议的修改等问题。
总体设计复杂,周期耗时长,故没有采用;方案二,利用VIETS总线系统的电源总线和公用总线为LCR测试仪板卡供电和提供系统复位、系统时钟功能,利用串口和单片机实现数据的传输,则具有硬件电路简单灵活,FPGA及应用程序的开发易于实现等优点。
故本次设计选用方案二设计接口通信。
3.2.1.2FPGA技术概括
FPGA是英文FieldProgrammableGateArray(现场可编程门阵列)的缩写,它是在PAL、GAL、PLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物,是专用集成电路(ASIC)中集成度最高的一种。
FPGA的开发流程如图3-4所示:
图3-4FPGA设计流程图
3.2.1.3串行通信及单片机程序
RS232目前仍然是计算机广泛使用的通信接口之一。
在虚拟LCR测试仪中,串口主要用来实现本地控制。
由于单片机串口为TTL电平,为实现和计算机的正常通信,需要电平转换芯片将TTL电平转换为RS232电平。
电平转换芯片选用MAXIM公司的串口通信芯片MAX232。
该芯片连接简单,只需几个外置电容即可。
1.系统接口电路图
单片机与计算机接口电路如图3-5所示。
图3-5系统接口电路图
2.单片机软件编程
通过软件编程,使单片机实现与串口通信的功能。
单片机可以接收数据,并且判断接收到的数据是否正确。
另外,单片机还可以读取AD转换的数据并通过串口将其送给上层应用软件。
单片机程序流程图如图3-6。
图3-6单片机程序流程图
While循环中程序执行的功能是:
当接收到正确数据时,判断第6个字节(前5个字节是固定的消息头)里面的值,当是1时,单片机发送读命令,将采集到的数据送给计算机;当是2~6时,单片机发送写命令,将从串口接收到的数据写到FPGA相应的地址中,以分别实现设置激励源,设置相敏检波器相位,设置标准电阻,设置采集信号源、放大倍数、采样速度和启动采集这些功能。
以单片机给指定地址写激励源控制字为例程序为:
caseMSG_SET_STIMU:
//设置激励源
*(unsignedcharxdata*)ADDR_FRE_ACLR=1;//频率计数器清零置位
*(unsignedcharxdata*)ADDR_FRE_CTL0=command[6];
*(unsignedcharxdata*)ADDR_FRE_CTL1=command[7];
*(unsignedcharxdata*)ADDR_FRE_CTL2=command[8];
*(unsignedcharxdata*)ADDR_FRE_CTL3=command[9];//写频率控制字
*(unsignedcharxdata*)ADDR_FRE_ACLR=0;//频率计数器清零复位
*(unsignedcharxdata*)ADDR_AMP_CTL=command[10];//写幅度控制字
*(unsignedcharxdata*)ADDR_OFF_CTL=command[12];//写偏置控制字
break;
3.FPGA内制地址锁存电路
AT89S52中的16位地址,分为高8位和低8位。
高8位由P2口输出,低8位由P0口输出。
而P0口同时又是数据输入/输出口,故在传送时采用分时方式,先输出低8位地址,然后再传送数据。
这就需要用地址锁存器将低
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