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业余爱好者 DIY 高精度 数字 电桥

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业余爱好者 DIY 的高精度数字电桥 作者 xjw01xjw01xjw01xjw01 高精度数字电桥高精度数字电桥基本状况 基本状况 工作频率 100Hz 1kHz 7 813kHz 最小分辨 最小分辨 0 5 毫欧 0 03uH 0 02pF 最大分辨 G 欧 基本量程精度 1kHz 基本量程精度 0 5 选好电阻 精心制作 可以轻松达到 0 25 精度 AD 非线性误差小于 0 05 AD 零点误差采用直流偏置消除 信号源 软件合成正弦 DDS 软件合成方波 DDS 显示 4 LED 单片机 STC12C5A60S2 仪表原理设计思路仪表原理设计思路 本 LCR 表 由以下几个部分够成 1 输入级仪表放大 2 可控增益放大 3 开关式相敏检波 4 直流放大及 AD 转换 5 DDS 及信号驱运电路 6 单片机及显示 2 自认为有新意的是 基于单片机 DDS 直接驱动 LCR 表 0 90 度坐标轴信号 也由单片机产生 用单片机自带 AD 显然单片机做了一大半的事情 最后 只剩下几个电子开关和交 流放大电路 电路结构显得比较简单 也许正是这个原因 大家对此 电路比较感兴趣吧 简单是最好的 所以我尽可能简化电路 甚至 牺牲一些指标 有的电感小到只有零点几 uH 本表也可以测量 为了使仪表更 可靠的工作 首次安装 LCR 表 建议对它进行验证 方法如下 制作一个 3uH 左右的铁硅铝磁环电感 也可以使用色环电感或空芯 片圈 如果采用空心线圈 测量其间应确保线圈不变形 此电感直接 焊接在主板上 测得电感量为 L0 然后取一个电阻 R 从 R17 下端接到 R18 下端 虚地 并测得电 感量 L 那么理想测值应为 L L0 R R17 R 本电路 R17 是 1k 欧 以下是一组实测结果 铁硅铝磁环线圈 f 7 83kHz Q 5 L0 2 84uH R 欧 L 理论 L 测值 备注 无穷大L0 2 84uH2 84uH 0 01uH正跳 0 01uH 21001 92uH1 92uH 0 00uH不跳 3000 66uH0 65uH正跳 0 005uH 3 1000 26uH0 24uH 0 01uH正跳 0 01uH 510 14uH0 12uH不跳 25 50 07uH0 05uH 0 01uH正负跳 0 01uH 以上实测结果表明 零点几 uH 的电感测量 误差约为 0 01uH 的 量化噪声约为 0 01uH 以上数据说明 此 LCR 表存在零点偏移 0 02uH 可以考虑更改 菜单 7 中的零点修正值 由于偏移量很小 对测量影响不大 不修正 也没关系 最好结合小电阻测量 最后确定是否有必要修正 因为 低频法测量零点几 uH 的电感 并不能完全反应高频状态下电感量 不必把它校很精确 还是以电阻校准零点为好 实际的零点几 uH 电感 在 7 8kHz 时 很多 Q 值小于 1 噪声变 大 输入端的差模噪声 一部分是低频噪声 也及高次谐波及其它干 扰信号等 这些噪声对小信号有较大影响 电感量相同的电感器 如 果 Q 值低 等效串联电阻大 电感器上的总压降增加 噪声总量也 会增加一些 因此 0 1uH 的低 Q 小电感 显示值会跳动达正负 0 02uH 当被测电感 0 2uH 以上 抗干扰能力增加了许多 此外 共 模干扰信号 对测量也有影响 因为 此时的共模信号强度是差模信 号的几十倍 4 DIY 数字电桥说明 一 概述 玩矿石收音机 大部分元件需要 DIY 所以需要知道元件的参数 因 为 DIY 的元件没有标称技术参数 比如 需要知道谐振器件 检波 5 器件 天线 耳机 变压器等器件的电抗特性 其中 高频参数可以 使用 Q 表解决问题 而低频参数 Q 表难以测定 想了几天 还是觉 得 DIY 一个 LCR 表来测定比较有效果 以图解决音频阻抗测定问题 LCR 电桥原理 测定电抗元件 Zx 中电压 U1 与电流 I 就可以得到 Zx U1 I 当 Zx 串联了已知电阻 R 那么测定了 R 上压降 U2 就可得到 I 最后 Zx U1 I U1 U2 R R U1 U2 可见 无需测量 I 的具体值就可以得到 Zx 这是电桥的一般特征 为了得到 Zx 在 x 轴与 y 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 Zx R a jb c jd ac bd j bc ad c c d d U1 与 U2 要采用同一个坐标系来测量 借助相敏检波器 可以分离出 a b c d 相敏检波过程 需要 一个稳定的 0 度与 90 度的正交坐标轴 测量期间 U1 U2 向量也 必须在这个坐标系中保持稳定 不能乱转 为了得到足够的精度 控制好放大器的增益 使得 a b c d 的有效数字足够大 Zx 的测量精度就高 然而 Zx 分母两个正交量 ac bd 和 bc ad 其中一个值可能很小 这就要求 AD 转换器的精度及 分辨力要足够大 6 一点思路一点思路 设计此表 前后花费了近一个月的业余时间 更改了多个版本 总体比较满意 本表主参数精度良好 副参数精度差 这是表头灵敏度不够造成 的 因此 如果想测量 Q 值 当 Q 值大于 100 时精度非常低 在矿石收音机中 高频线圈的 Q 值要求准确测定 它值接影响 了矿机的性能 但音频线圈的 Q 值 则没有过分严格的测量要求 所以本表从一开始就没有在副数上多下功夫 始终坚持采用单片机自 带的 AD 转换器 以便大幅度等化电路结构 网上流行的俄版电路 其核心部分本表均未采用 俄版电路采用 ICL7135 作为 AD 转换器 精度比 STC 单片机自 带的 AD 性能好很多 然而 经过多次计算分析 结论是用自带 AD 也可以得到优于 1 的主参数精度 所以最后放弃 ICL7135 设计后 期 对电路优化设计 很大程度上泥补了 STC AD 的不足 ICL7135 的最终精度与芯片质量及积分电路有关 因此要使用 ICL7135 精度达到 4 位半表头 也不是很容易 7135 的几个电容就足 已占去半块 PCB 板 仿制者 通常用低压的小电容代替 这种情况 AD 转换器本身的精度一般是低于 0 05 的 最后得到的 LCR 表也会 低于 0 1 精度 当我们对 LCR 表的精度要求特别高时 对电阻的精 度要求也高 精密电阻不好找 综合这些因素 最后选 STC 自带 AD 代价是损失少量主参数精度 同时严重损失副参数精度 信号源是 LCR 表的一个核心部件 俄版的正弦信号发生器及 0 7 90 度方波发生器 其综合性能并不会优于本电路 相反 本电路显 得非常简法 仅使用了一组 RC 滤波器及 DDS 程序就完成了这两种 信号的生成 相对许多其它形式的 LC 测量电路 相敏检波器是 LCR 表特有 的 本电路采用开关式相敏检波器 性能良好 实测了几个数据 比 我预想的要好 比如 小信号用 0 度轴检波 OP07 输出得到 293 5mV 用 180 轴得到 293 0 这当中包含用 OP07 的输出失调 万用表正反 向测量误差 0 1mV OP07 输出失调的主要原因是输出端用 3 个 1N4148 二极管升压 但从最终数据看 两次测量理论值应是互为相 反数 实测仅误差 0 5mV 0 2 大信号时 误差还更小 本表采 用满度 4500mV 表头输出 本 LCR 电桥的相敏检波器依靠单个模拟开关实现 可以抑制偶 次谐波 但没有奇次谐波抑制能力 开关导通时间是半个基波周期 偶次谐波在半周期内共有整倍数谐波周期 谐波的直流平均值是零 奇次谐波 在半个基波周期内有 N 倍又 1 2 个谐波周期 多余的 1 2 周期的直流平均值不是零 DDS 输出的奇次谐波是很小的 对于 1kHz 和 100Hz 理论 3 次谐波幅值约为 DAC 分辨率的 1 2 相当于 50dB 左右 对于 7 8kHz 采用 DDS 时钟的整数分之一倍 相噪小 然而 由于频率与时钟较接近 PWM 型 DAC 的噪声大 谐波失真较大 所以电路中对 DDS 输出做了 6 级针对 PWM 的 RC 滤波 最后也使 得谐波基本消失 在示波器中 在第 5 级滤波时 就已经无法发现谐 波失真 8 由于来自单片机谐波干扰 有可能造成相敏检波质量下降 电路中的 带通滤波器 正好对高次谐波有较强的抑制能力 控制相敏检波器开关的方波信号 本身也是一种干扰信号 但对 于这个低频电桥 它的影响可以忽略 从最终的正交分离能力测试来 看 相敏检波器的性能优良 虽然只用了一个电子开关 二 设计要点 本 LCR 表的各级放大器 大多工作在大信号状态 所以要精心 设计好放大器 否则容易造成运放过载 之所以选择大信号 主要还是为了提高抗干扰能力 使得 LCR 表更容易调试 可以在无屏蔽盒的情况下正常调试 矿机元件一般都很大个 比如大环天线 直径常常到到 1 米 用 线数十米 天线上的信号也很强 为了更可靠测量 还在电路中加入 了带通滤波器 交流放大器由多级放大器构成 设计时 不论增益开关处于那个 状态 应保证第 n 级运输出信号大于等于第 n 1 级放大器的输出信号 道理是 当不满足上述条件时 前级可能过载失真 而程序全然不知 在音响系统中 前级调音台过载 可以被电平指示灯显示 也可以被 耳朵听出来 这时 我们就可以调大后级功放音量 调小前级调音台 的增益 这样就不会失真了 但是 单片机程序没有金耳朵 所以中 间级电路本身不得过载 以免造成单片机误判 各运放的最大输出能 力相同 所以最好的办法就是后级输出幅度大于等于前级输出 那么 过载现象必然引起后级输出过大 进而毫伏表超量程 程序立刻知道 9 电路过载了 1 表头满度值 表头满度是 5 0V 由于 OP07 运态范围限制及纹波等因素影响 表头 满度设计为 4 6V 对应 950 字 2 相敏检波器增益 检波波器理论灵敏度为 2 3 1416 2 51 20 4 51 0 29 倍 3 末级直流放大量设计 末级直流放大量过多 不利于提高信噪比 放大量太少 会造成前级 过载 第三级 U2D 运放 信号为 A 它的最大不失真的幅度为 A0 约为 3 5V 取保守值为 3 0V 表头满度设计为 Vo 4 6V OP07 和相敏检 波器的直流总增益是 K 当正弦信号达到最大不失幅度 A0 时 须使表头必须满度 以方 便判断是否过载 并充分利用表头分辨率 所以 K 的合理设计值是 A0 K Vo 算得 K Vo A0 4 6 3 1 5 类似的 在音频功放中 要使 功放得到充分的功率输出 功放的增益 K 要足够大 使得前级满幅 时 功放可以超过最大输出Vo 实际上 K Vo A0 中的 Vo 指正弦峰值上限 在正交检波输出 后 是 Vx 和 Vy 两个量 并不直接输了峰值的Vo 要取模计算才得 到Vo 即输入信号的模值达到 Vo 时被认定为表头满度 为了进一步利用表头分辨力 可以采用 Vx 或 Vy 判定表头溢出 但最糟的一种情况是 当被测向量是 45 度时 最大模值变为 1 414V0 10 所须前级信号也增加了 1 414 倍才能满度 为了防止前级运放过载 U2D 运放超过 A0 K 值也必须增加 1 414 倍 因此采用正交量判 别表头溢出时 K 值须大于 1 414 1 5 2 2 倍 因此 对于 0 度或 90 度信号 A V0 K 表头溢出 45 度信号 A 1 414 V0 K 表头溢出 本电路 OP07 直流增益是 11 倍 K 11 0 29 3 2 许可 0 度或 90 度信号的 A 最大值为 A V0 K 4 6 3 2 1 44V 其中 K 设计为 3 2 比理论下降要求 2 2 大了 40 这样就留下了足够的余量 前级运放 的动态能力余量更大 调试更容易 4 第三级 U2D 运放 放大量设计 本级加了带通滤波器 衰减系数是 1 3 7 8k 档衰减系数是 1 2 6 计算时按 1 3 计 7 8k 档结合信号源另外调整 7 8k 档设计为 1 2 6 衰减系数 是为与信号源幅值配合 为了使得本级放大倍数大于 1 所以运放至少要补偿带通滤波器 的衰减 本级是可控增益的 最小放大倍数设计为 1 3 13 3 1 44 倍 通过开关切换 两档增益是 3 倍关系 5 第二级 U2C 运放 放大量设计 本级也是可控增益 最小放大为 1 倍 无电压放大功能 通过开关切换 两档增益是 10 倍关系 6 第一级 U2A 和 U2B 运放 设计 直接采用俄版电路设计 电路增益是 5 倍 7 DDS 输出信号许可最大值 11 上面已算得 相敏检波许可最大电压输入值是 1 44V 前两级最小增益是 1 44 5 7 2 倍 因此信号源程序最大幅度限制为 1 44V 7 2 200mV 由于信号源与坐标轴之间不一定正好是 0 或 90 度 所以 200mV 通常 不会溢出 100Hz 移相小 容易溢出 为此 第三级输出电容采用 0 22uF 对 100Hz 有小量衰减 所以 100Hz 的 DDS 输出采用 200mV 不会溢出 最后信号源输出设计为 100Hz 有效值 140mV 峰峰值 200mV 1kHz 有效值 130mV 峰峰值 180mV 7 813kHz 有交值 0 10V 峰峰值 140mV 调试电路时 测定一下信号源运放输出端的信号强度 须比小于 等于以上电压设计值 如果比以上值高了 10 本 LCR 表不能可靠 工作 8 V I 变换器与差动输入的关系 当频率高时 V I 变换器运放的内部增益下降 运放负输入端对 地电压不是零 当电流较大时 虚地 电压也可高达数毫伏 此时 如果不采用差动法检测量桥臂上的电压 误差会很大 为了对付这个 问题 差动三运放须有较强的共模抑制能力 两臂上的 2k 与 10k 电 阻要尽量严格对称 对于上臂电压 为了消除导线电抗影响 也是需要差动放大的 12 有些精简版的 LCR 电桥 不采用差动三运放 而改用一个运放 这 种情况下 电桥精度略有下降 而且只能用于较低频率的大 Zx 小电 流 如 1kHz 以 条件下测定 Zx 9 AD 问题 单片机自带的 AD 只有 10bit 用 10 倍步进 会影响精度 为了改善这个问题 放大器可控增益的调节以 3 倍左右的倍率关系步 进 其次 借助 AD 的高速能力及信号噪声 进行 10 倍过采样 AD 的分辨力提高约 1bit STC 自带的 AD 不能测量小于 3 字的信号 所以 电路中给输 出直流信号加了偏置电压 这个偏置电压是利用 OP07 输出端的 2k 电阻与 10 欧电阻分压实现的 10 V I 变换器与信号源的关系 V I 变换器也存在过载问题 也要消除它 虽然人工切换量程时 可以判断它是否过载 但对于没有经验的使用者来说 并不容易 因 为 用眼睛看失真 不如耳朵听失真来得容易 V I 变换器过载的原因有二 首先 那个运放的反馈回路接了 500 欧左右内阻的电子开关 它相当于输出衰减器 其次 TL082 内部串 接了 200 至 300 欧电阻 也是一个限流衰减 这样一来 100 欧档为 了得到 0 472V TL082 内部电压将是 0 472 500 300 100 100 4 25V 此时 内部过载 13 为了解决过载问题 采用以下方法 考虑到信号源 TL082 也有 过载问题 所以上臂限流电路与下臂电阻电路设计成对称的电路 那 么只要信号源不过载 V I 变换器也不过载 此外 V I 变换器的 20 欧档 采用了机械输助开关 那么相同电 流下 更不容易过载的 11 信号源 前述 V I 与限流器采用对称结构时 Zx 短路 V I 变换器输出 端的电压与信号源输出端是一样的 信号源不过载 V 转换器也不过 载 信号源采用 DDS 频率精度高 可以输出任意频率 本表采用 100Hz 1kHz 7 813Hz 不使用 10kHz 的原因是 DDS 的钟频采用 62 5k 输出频率 10kHz 时 频率已经比较接过钟频了 相位噪声大 为了消除相噪 采用钟 频的 2 n 分之一的频率 这里使用 1 8 钟频 信号输出加出了简单的 RC 滤波器 对于 1kHz 以下的频率输出 此滤波器相当于 6 阶滤波器 可以得到良好波形 对于 7 813kHz 到 了第 5 阶输出 在示波器中观察已基本看不到失真 到了第 6 级输出 已经是无法直接观察到失真 由于不是理想的高阶滤波器 Q 值低 所以对 7 813kHz 的衰减 很严重 为了保持 100Hz 1kHz 7 813kHz 三档输出幅度相对一致 利用单片机控制电子开关对 1kHz 和 100Hz 降幅 14 三 使用要点 菜单 1 开机启动默认菜单 使用 8 键加 1 键切换到菜单 1 使用 8 键加 2 键切换到菜单 2 使用 8 键加 3 键切换到菜单 3 1 键 显示串联电抗 X 2 键 显示串联电阻 R 3 键 显示串联电感 L 4 键 显示串联电容 C 5 键 显示 Q 值 6 键 频率切换 100Hz 时 指示灯亮起 1kHz 时不亮 7 键 量程切换 4 个指示灯轮跳 8 键 菜单切换键 按下该键时 显示当前所处的菜单号 显示单位表示 10 的 12 次方 显示为 P 10 的 9 次方 显示为 n 10 的 6 次方 显示为 u 10 的 3 次方 显示为 大 n 10 的 0 次方 显示为 小 O 10 的 3 次方 显示为 三横 10 的 6 次方 显示为 d 15 10 的 9 次方 显示为 G 单位如果含有小数点 说明是容性电抗 矿机高阻抗变压器 在 1kHz 时 有的会表现为容抗 而不是感抗 接入 Zx 后 先设置好频率 然后选择合适的档位 使得被测 Zx 的阻抗应与下臂电阻匹配 以取得高精度 设下臂电阻是 A 那么 Zx 在 A 30 Zx 30A 范围内可得到准确的结果 如果事先不知道 Zx 的估值 可以选择 1k 档或 10k 档测量 得到被测 Zx 的 R 与 X 当 Zx 是电感或电容时 其 R 小 X 大 因此根据 X 的测值重新选择档位 当 Zx 是电阻 则 R 大 X 小 下臂应与 R 匹配 根据 R 选择档位 残余电抗 本表存在残余电抗 为此 测量 pF 级电容 先不接被测 电容 测量出本底电容 我的 LCR 表本底是 3 5pF 然后接上电容测 量 若测得 23 3pF 那么实际电容就是 23 3 3 5 19 8pF 此法与 Q 表测得的电容比对 1 字不差 测小电阻时 切换到 20 欧档 按下机械开关 可以增加灵敏度 数倍 测量后 弹出开关 以免影响其它档 扩屏显示小数位 按下当前显示值对应的键 就会显示为四位模 式 但 单位 不显示了 再按一下 1 至 5 任意键 退出四位模式 本 LCR表达不到4位的精度 所以通常无需采用4位显示 有时显示1 xx 的数值 觉得精度不够 可以按此法扩展一下位数 显示四个小数点 表示溢出 显示 Err 表下臂或上臂出来零值 16 本表不设置调零功能 必要时用户需要自行减去零值 测量时 先检查 Zx 一下 X 或 R 的值是否在量程范围之内 如果超主 量程 应切换档位 菜单 2 1 键 显示并联电抗 X 2 键 显示并联电阻 R 3 键 显示并联电感 L 4 键 显示并联电容 C 5 键 显示 Q 值 6 键 频率切换 100Hz 时 指示灯亮起 1kHz 时不亮 7 键 量程切换 4 个指示灯轮跳 8 键 菜单切换键 单位显示同上 菜单 3 这是调试菜单 1 键 增益切换键 切换时 显示屏暂时跳出置位信号数秒钟 3 键 K3 切换键 切换时 显示屏暂时跳出置位信号数秒钟 4 键 相位旋转键 切换时 显示屏暂时跳出置位信号数秒钟 相位 旋转的顺序是 0 度 180 度 90 度 270 度 本菜单下 屏显内容是 AD 的读值 在此菜单下 可以检测检波非线性 方法是 Zx 接上一个 10k 电阻 切换到菜单 3 用 1 键把增益置为 0 位 利用 3 键和 4 键 找一个读 17 值为 30 以下的 接下来 1 键更改增益 并记录读值 例如 得到 32 92 302 902 理论增益关系是 1 3 10 30 所以 以上显 示值说明检波器线性度良好 但存在 0 点误差 2 字 以上数据统一减 2 字就正确了 在菜单 4 中零点误差改正值 菜单 7 修改零点误差改正值 1 键 X 键 数值增加 0 5 2 键 R 键 数值减小 0 5 3 键 L 键 保存键 4 键 C 键 清零键 首次使用时 请设置好该值 否则 LCR 表无法正常工作 我的 LCR 表 改正值是负 2 0 四 制作要点 V I 变换器上的 4 个电阻要精确 最好优于 0 5 中间放大器 关系到 1 3 10 30 增益切换关系的 4 个电阻 2k 18k 1k 2k 比值关系要准确 请使用 4 位半的表筛选 5 倍放大器 上 下臂的热端关联的 2k 与 10k 电阻要准确 确保上 下臂增益相同 冷端 虚地 的 2k 与 10k 电阻 不要求精度很高 用 1 精度问题不大 当然 如果这几个精度全部高精度 不但上下 臂增益相同 而且共模抑制能力强 18 电源变压器使用 8V 2 或 9V 2 其中 7905 与 7805 无需加散热 器 接变压器的排针与接下载线的排针最好区别开 如果不区分 万 一把 9V 电源插到下载线排针 单片机或电路有烧的可能 当然通不 会烧的 接线完成后 检查的关键是 每个 IC 电源和地线有没有接错 电 源没接错 IC 通常不会烧 飞线多 不小心就会错 所以 9V 变压器使用小容量的 万一接 错或碰电 由于变压器功率不足 反而会保护电路 单片机的电压不可过高 如果高于 5 5V 有危险 比如 不小心 加入 12V 电压 单片机必烧 所以各个 IC 的供电是关键 制作工艺按照正常的工艺就足够了 同时注意两个桥臂信号通路的对称性 TL082 负载能力测试 在信号输出运放的输出端 对地接 51 欧电阻 三个频率档位下输出的波形不得有失真 直接用示波器观察即可 测 试完成后 拆除 51 欧电阻 制作时 应注意 TL082 信号输出的幅值 是否在设计规定的范围内 五 关于误差 基本量程精度是 0 5 精心制作 也可达 0 25 Zx 电抗在下臂电阻的 1 30 至 30 倍时 1kHz 档精度达到 0 5 实际 上 1kHz 下做了一个小测试 测定了 100 至 200k 的十个电阻 精度 全部达到 0 12 Zx 电抗在下臂电阻的 1 30 至 30 倍之外时 误差变大 19 Zx 在 30 倍与 1 30 倍之内 可按 300 字的精度测算精度 即 0 3 做为误差指标 最好留下余量 即 0 5 个人建议使用 1 因为采 用色环电阻 推荐精度是 1 这样取材最方便 1 精度电阻 经过 简单筛选 很容易达到 0 5 的精度 那么最终 LCR 表的精度会优于 1 如果不筛选 直接使用 1 精度电阻 将不易得到 1 精度的电 桥精度 要碰运气了 本电桥最小分辨阻抗是表头测定电压时的分辨力决定的 下臂按 300 字保守估计 那么上臂 1 字分辨力对应的阻抗是下臂电阻的 1 300 30 1 10000 20 欧档的最小分辨阻抗是 20 10000 2 毫欧 1k 欧档的最小分辨阻抗是 1000 10000 0 1 欧 同样道理 最大阻抗分辨力为量程电阻的 10000 倍 100k 欧档的最大分辨阻抗是 100k 10000 1G 欧左右 由于对电桥做了一些算法及电路参数的改进 实际上分辨力比上 述估计要好 3 至 5 倍 在距离平衡点 1 300 及 300 倍处 误差加大 10 倍 如果再超此 范围 直接采用零点非线性误差 1 至 2 字即可 1 字误差相当于满度 值的 1 300 30 1 10000 如 1k 欧档 固有常数误差是 1000 10000 0 1 欧 20 欧档为 20 10000 2 毫欧 电感分辨力约为 2 m 6 28 7 8kHz 0 04uH 频率 7 8kHz 时 电容分辨力约为 1 6 28 7 8kHz 1G 欧 0 02pF Q 值精度比较特殊 显示为 98 并不是说它的精度是 1 我们对它 20 取倒数后 保留到小数点以下第三位 变成 0 010 小数点以下第三 位就是误差位 约两三字误差 即 0 010 的误差可以达到 30 对应 的 Q 98 的误差也高达 30 Q 值的误差实际上是 X 和 R 二者中精度最低的那个 X 与 R 在 这个 LCR 表 是用同等增益系数放大器取得的 设 X 在某量程处取 得良好精度 对于 Q 100 R 将在 1 100 量程处取得结果 表头的平 均读值安 400 字计算 那么 1 100 量程处只有 4 字 此时 R 的误差 将高达 20 至 50 一到两字误差 这个 LCR 表的高 Q 值测定 与 Q 表比较 性能还有很大距离 Zx 高 Q 测量电阻分量误差大 测电抗分量误差小 反之 Zx 低 Q 测电阻分量误差小 电抗误差大 低 Q 时 电抗分量相对电阻分量 很小 当电阻分量满度时 电抗分量的读数很小 受表头分辨能力 正交分离度等影响 电抗分量测量精度下降 在 Q 值大于 0 1 时 且 Zx 远离测量极限状时 电抗测量仍有较高精度 测量电感量 如果与阻抗法测量比较 设频率为 f 时 一个 Q 0 1 的电感 用阻抗法测量电抗需要 30 倍 f 才能将这个电感测到同样的 精度 假设频率上升过程中 电阻分量保持不变 也就是说 电桥的 工作频率虽然只有 7 8kHz 但它相当于 100kHz 至 500kHz 频率下阻 抗法测电抗的效果 所以可以准确的测量小电感的电感量 小电感最小测量约 0 1uH 测量 0 5uH 电感 误差可达 5 至 10 测量 1uH 电感 误差小于 5 21 下表是洞洞板 LCR 表电阻测量精度实测 没有采用过采样算法 精度稍低一些 被测电阻档位100Hz1kHz7 8kHz 2 5m 20 欧2 2 m 3 1m 2 2 m 7m 20 欧7 m 7 m 7 m 14m 20 欧14 m 13 m 13 m 223 m 20 欧222 m 222 m 222 m 3 129 20 欧3 133 133 12 50 4620 欧50 7050 4850 65 50 461k 欧50 5050 3550 56 100 451k 欧100 4100 2100 3 301 31k 欧301 5301 6302 3 100 3k100k100 2k100 2k100 3k 2 210M100k 并2 213M2 205M2 187M 4 436M100k 并4 46M4 42M4 30M Zx 开路时 100k 档并联残余电阻是 2 4G 100Hz 2G 1kHz 127M 7 8kHz 使用并联法测量电阻 所得阻值实际上是残余电阻 与被测电阻的并联值 上表 2 21M 欧 7 8kHz 测量 并联值是 2 21 127 2 17M 欧 实际 显示为 2 19M 上表 4 44M 欧 7 8kHz 测量 并联值是 4 44 127 4 30M 欧 实际 22 显示为 4 30M 串联法测量高阻值电阻 在 7 8kHz 档 受残余导抗影响 测值 误差很大 因此 测量高阻值电阻 建议使用 1kHz 频率并联法测量 而不应使用串联法 也不要使用 7 8kHz L C 的测量精度 与 Q 和 X 的测量精度有关 当 Q 大于 1 时 测量精度可以参考电阻测量精度 当 Q 小于 1 时 L C 的测量精度 比纯电阻测量精度低 测量小电感时 由于频率过低 是不能完全反应高频状态的 例 如 用 5 米长 0 38mm 线径漆包线绕的空心线圈 10kHz 时的电感量 是 35 5uH 到了 1MHz 表现出来的电感量会比大于该值 即在 10kHz 与 1MHz 两个频率下表现出来的电抗是不同的 1MHz 频率下铜线的 趋肤深度是 0 066mm 10kHz 频率下趋肤深度是 0 66mm 在 10kHz 下 趋 肤深 度远 大于 这条 导线 半径 所 以导 线的 内自 感 是 0 05uH 5 0 25uH 当频率达到 1MHz 内自感变为 2 0 066 0 38 2 0 25uH 0 17uH 这就是说 低频测量多测出了 0 08uH 的内自感 线圈有分布电容及对地分布电容约 2pF 至 3pF 这会使它在 1MHz 时 表现出的感抗变大 0 5 的 频率高了 线圈中各点的电流不是同步 建立的 这些可以归算为分布电容的影响 电感绕线用的传导铜线的 长度大 容易受到各种因素影响 所以不必期望低频法测得的电感量 外推到高频还会有相同的精度 23 六 残余电容问题 数字电桥存在一些残余电容 残余电容是有损耗的 即含有电阻 分量 不同频率档位 残电容基本相同 但残余损耗电阻是不同的 1kHz 与 100Hz 残余并联损耗电阻是 G 欧级的 测量 10M 欧以下的 电阻 无需修正即可得到 1 的精度 7 8kHz 残余并联损耗约 150 兆欧 在 1kHz 时 残余损耗电阻相当于并联在被测 Zx 两端 因此 当我们测量一个电阻 如果试图修正结果 应使用并联原理修正 这 时 请使用并联法测量电阻 残余电容的容量 在 1kHz 和 7 8kHz 下 不管是串联还并联 容 量是相同的 这是因为残余电容的 Q 值较大 所以串或并联残余电 容相同 测量小电容时 应减去残余电容 才是真正的电容值 100Hz 下 通常无需考虑残余电容问题 七 DDS 信号发生器 这是本 LCR 表的使用的核心技术 利用它实现了精确的相位控 制 并输出正弦波 DDS 即 直接数字频率合成器 一般采用专用 DDS 芯片 以取得高性能 使用专用 DDS 如 AD9833 等芯片 价格贵 而且是 MSOP 封装 焊接不易 给 DIY 带来了一些障碍 此外 AD9833 与单片机结合 实现 0 度 90 度 180 度 270 度移相方波 也是比较麻烦的 现在的单片机 速度快 可以直接合成音频波形 同时精确输出 24 移相方波 单片机 DDS 算法原理 正弦函数 y sin x 其中相位量 x 与时间成正比 即相位 x 随时间增 加而线性增加 先产生随时间线性变化相位序列 x 同时利用查表法得到 sin x 的值 并利用 DAC 将 sin x 的值即时输出 在单片机中设置定时器 每隔 dT 时间 相位累加 dX 就得到 x x dX x 2dX x 3dX 的相位序列 每产生一个相位 同时输出 相应的 sin x 值 算法确定后 接下来就看硬件上是否支持以上算法 如果支持 写出相应程序即可 在单片机的内存中 存放了方波函数值查询表 正弦波函数值查 询表 dT 中断来到时 先输出 x 对应的正弦波数值 接着在另一个 端口马上输出 x 0 度 或 x 90 度 方波函数值 这样就得到了 LCR 电桥所需的两个信号源 当前输出方波是 x 0 度还是 x 90 度 dT 中 断期间 不要使用 if 语句来判断 而应写面 x 初相变量 的形式 初 相变量是事先设定好的 这样 x 0 度方波与 x 90 度方波之间的相 差就是严格的 90 度关系 为了使波形相位稳定 dT 的中断优先级须置为最高级别 STC12C5A60S2 内置了 DAC 并且 dT 可以设置得较小 八 焊接 双面 PCB 板孔洞疏通 电阻位置焊错了 得取出重重新焊接 25 取出后 焊盘被堵 可能造成其它元件 如集成电路 安装不了 这 时得疏通焊孔 可以使用 现场 工具来解决 平时剪下来的电阻引线 不要扔 在烙铁加热下 把电阻引线穿进洞中 控制好温度 同时让 电阻线只往一个方向运动 直到引线取出 这时孔内的焊锡就会被带 出来 焊接鳄鱼夹 把它夹在一个镊子上焊接 双面板拆集成 1 引脚集体加热 同时拆 2 烙铁功率小 集 体加热不灵 把引脚全部剪断 一脚一脚拆 这是万能的 不伤害 PCB 板的 集成电路一般不会焊错 电阻容易焊错 九 元件选配及调试 LCR1 0 PCB 板上有一个错误 从 PCB 板的背面看 没有标注元 件文字的那一面 7805 的输入端 引出了两条线 一条接到整流二 极管 另一条接到地线去了 长度约 0 5cm 显然发生了错误 请 把这条 0 5cm 的线割断 改接到 7805 的第二脚 首先安装调的元件是电源部分 而不是其它元件 电源不正常 如输出电压过高 很容易把单片机烧掉 到时就麻烦了 在双面板上 取下集成电路 不是很容易 所以 电源调试正常了 再安装其它元 件 变压器请使用小功率的 那么调试过程中 万一短路什么的 通 常不烧器件的 电路上的元件参数有改动 请按新版 PCB 的标注安装 机械开关 按下时启动 20 欧档输助功能 请注意安装方向 26 OP07 输出接了一个 2k 电阻 由于新版电路还利用 10 欧电阻加了偏 置电压 而 PCB 板是上星期制作的 没有偏置 建议这样解决问题 2k 电阻与 10 欧电阻串联后 变成一个直插元件 插入原来的 2k 电 阻孔 要注意方向 串联体的 2k 电阻引脚接电源端 10 欧电阻接 1N4148 端 再取 100k 电阻 从串联体电阻的中间连接头直接飞到 104 电容 与 104 电容连接的那个电阻孔可以利用 在 PCB 板正面飞 过去 注意 这个 100k 电阻两引脚的对地阻抗是不同的 接 104 电 容的那一脚对地是高阻抗的 所以引线要短一点 另一头是低阻抗的 长还是短无所谓 原 PCB 板上相应的 100k 电阻也标错了 在单片机 左边 被标注为 1k 欧 通过飞线安装 100k 电阻 PCB 板上当然就不 要再装这个 100k 电阻了 装完后 应检查 TL082 信号输出是否与设计值相同 偏小 10 是可以的 偏大 10 则不可以 菜单 7 直接采用负 2 0 即 2 0 的相反数 估计没有问题 电路中的电源滤波小电容 采用瓷片电容或独石电容 接 P1 0 口的那两个 104 电容 采用体积小的涤纶电容或独电容 最 好 测定一下它的漏电情况 测量方法是 电容一脚接到 5V 源 另 一脚接数字万用表电压档正极 万用表负极接地 数字万用表最终显 示的数值小于 1mV 说明它的漏电很小 几个 mV 漏电不要紧 其它的最好多使用涤纶电容 除电解电容外 LCR 表上的阻容元件的参数 几乎都不能做改 动 所有的电阻的阻值关系 不单单是 调试 出来的 它经过了理论 27 的计算与调试验证得到的 如果因为手上没有合适的阻值的元件 而 改动参数 多半会影响电桥的精度 一定要看明 PCB 板上各元件对应电路图中的哪个元件 才能明 白哪些电阻要求精确 电阻精度要求 电阻精度要求 1 除单片机部分 其它与交流信号有关的 须全部使用 1 金属膜电 阻 或精度更高的电阻 2 4 个下臂电阻 须筛选到 0 1 精度以上 3 10 倍增益切换运放的反馈电阻 2k 和 18k 两电阻 须是 9 000 倍 关系 即不要求电阻精确 要求比值精确 筛选到 0 05 精度是比较 容易的 4 3 倍增益切换运放的反馈电阻 1k 和 2k 两电阻 须是 2 000 倍关 系 即不要求电阻精确 要求比值精确 筛选到 0 05 精度是比较容 易的 5 5 倍增益运放的电阻 共有 8 个 四个 2k 和四个 10k 电阻 上臂的 2k 电阻 负输入 与下臂 2k 电阻 负输入 应严格相同 匹配 到 0 05 至 0 1 上臂的 10k 电阻 负反馈 与下臂 10k 电阻 负反馈 应严格相同 匹 配到 0 05 到 0 1 上臂的 2k 电阻 正输入 与下臂 2k 电阻 正输入 1 精度 此电阻精 度 影响共模抑制 对高频大电流很重要 上臂的 10k 电阻 正臂 与下臂 10k 电阻 正臂 1 精度 此电阻精度 28 影响共模抑制 对高频大电流很重要 十 元件列表十 元件列表 三运放仪放电路阻容 2k 4 个 10k 4 个 1M 4 个 1k 6k 104 独石 2 个 224 100V 涤纶电容 4 个 1N4148 4 个 上臂阻容 20 2 个 1k 1 10k 100k 5 1k 各 1 个 发光二极管 6 个 自锁小开关 1 个 下臂阻容等 20 100 1k 10k 100k 各 1 个 1N4148 2 个 可控增益运放的阻容 1M 2 个 2k 18k 各 1 个 29 1k 2k 10k 各 1 个 16k 5 个 27k 1 个 20k 1 个 1n 10n 100n 涤纶 各 2 个 104 独石 2 个 224 涤纶电容 1 个 检波器及直流放大 10 欧 1 个 2k 1 个 10k1 个 51k 4 个 100k 2 个 473 涤纶 2 个 104 涤纶 1 个 474 涤纶 1 个 104 独石 2 个 100uF 1 个 1N4148 3 个 DDS 滤波及信号输出 160 欧 1 个 1k 4 个 30 2 2k 1 个 5 1k 1 个 10k 1 个 4 7n 涤纶 1 个 47n 涤纶 2 个 22n 涤纶 1 个 10n 涤纶 4 个 10uF 电解 1 个 1N4148 2 个 单片机及电源 轻触小开关 8 个 32MHz 晶振 1 个 3V 峰鸣器 1 个 100 欧 1 个 2 2k 电阻 8 个 5 1k 电阻 2 个 LED 共阳 4 位 1 个 100uF 电解 3 个 10uF 电解 1 个 8050 三极管 2 个 8550 三极管 1 个 7805 三极管 1 个 31 7905 三极管 1 个 1000uF 2 个 1N4007 4 个 排针 40 针 3M 铜柱 5 套 集成电路 CD4052 CD4053 TL084 各 2 个 STC12C5A60S2 TL082 OP07 各 1 个 品牌四位半万用表 1 块 示波器一台 可选 32 手上没有四端测试夹 于是实验了一下短导线测试夹 效果良好 上图短导线及夹子 残余电感只有 0 13uH 夹子对夹测得 连同导线连同机芯的残余电容是 4 0pF 残余电阻 13 5 毫欧 夹子对夹测得 导线用线芯粗一点的 实测一个电感 0 5uH 基本不影响精度 测量这类电感时 注意 减小电感器与测试夹具导线之间的互感即可 即减小它们之间的交链 33 磁通 所以请注意放置好电压的方向 实测 7 毫欧电阻 因触点电阻影响 测值偏大 3 毫欧 这种方法 如果做成长导线测试夹 效果很差 电抗 X 和 R 显示到毫欧单位 L 显示到 uH 单位 C 显示到 pF 单位 表头主显示 3 字 扩展显示为 4 字 34 3 字显示时 电感只显示到 0 01uH 即两个 0 和一个 1 共 3 个字 按下 L 键 电抗 X 为负值时 显示电容量 X 为正时 显示电感量 当 X 处于零点上正负跳动 此时显示 L 或 C 跳变 C 会很大 L 会 很小 选择正确的档位 不会出现这个问题的 附录 LC1602 驱动程序 直接在这块单机上驱动 采用 7 条信号线驱动 如果有须要使用 LCD1602 的 可以直接使用这段程序 1 include 2 3 项目 LCD1602 四线驱动程序 4 设计要点 5 LCD1602 的运行速度慢 而单片机运行的速度快 因 此容易因为速度不 6 匹配造成调试失败 因此 调试之前应准确测试 lcd delay 延时函数 7 准确的延时量 如果不能满足注释中的要求 则应调整 循次数 每步操 8 作所需的延时量 按照数据手册指标指行 同时留下足 够的时间余量 35 9 硬件连接 10 至少需要9条线 电源线2条 7条信号线 信号线详见 程序中的接口定义 11 清注意对 LCD1602比对的调节 否则无显示 12 设计 许剑伟 于莆田 2010 12 13 14 define uchar unsigned char 15 define uintunsigned int 16 define ulongunsigned long 17sbit lcd RS P0 6 数据命令控制位 0命令1数据 18sbit lcd RW P0 5 读写位 0写1读 19sbit lcd EN P0 4 使能位 下降沿触发 20sbit lcd D4 P0 3 数据端口 D4 21sbit lcd D5 P0 2 数据端口 D5 22sbit lcd D6 P0 1 数据端口 D6 23sbit lcd D7 P0 0 数据端口 D7 24 25void lcd delay int n LCD 专用延时函数 36 26 32MHz 钟频下 约循环3000次延迟1毫秒 27int i j 28if n 1 for i 0 i 30 i return 10us 29if n 0 for i 0 i 150 i return 50us 30for i 0 i n i n 毫秒 31for j 0 j 3000 j 32 33 34void lcd B charf uchar c char t 控制四线式接口 LCD 的 7个脚 35 f 0写命令字 f 1写 RAM 数据 f 2读 RAM 数据 f 3读 RAM 数据 36lcd EN 0 37lcd RS f 2 38lcd RW f 2 39 移入高四位 40lcd D4 c 41lcd D5 c 42lcd D6 c 43lcd D7 c 37 44lcd EN 1 lcd delay 1 lcd EN 0 使能脉冲 45 lcd delay 0 46 移入低四位 47lcd D4 c 48lcd D5 c 49lcd D6 c 50lcd D7 c 51lcd EN 1 lcd delay 1 lcd EN 0 使能脉冲 52lcd delay t 不同的命令 响应时间不同 清零命令需要 2ms 53 54 55void lcd init LCD1602 初始化 56 启动四线模式须势行9个步骤 初始化所须耗时较长 约 65ms 时限不可减 57lcd delay 20 启动 lcd 之前须延时大于15ms 直到 VDD 大于4 5V 58lcd B 0 0 x30 9 置8线模式 须延时大于4 1ms 59lcd B 0 0 x30 5 置8线模式 须延时大于100us 60lcd B 0 0 x30 5 置8线模式 手册中未指定延时 38 61lcd B 0 0 x20 5 进入四线模式 62lcd B 0 0 x28 5 四线模式双行显示 63lcd B 0 0 x0C 5 打开显示器 关闭光标 64lcd B 0 0 x80 5 RAM 指针定位 65lcd B 0 0 x01 5 启动清屏命初始化 LCD 66 67 68 几个功能常用函 数 69void lcd cls lcd B 0 0 x01 2 清屏 70void lcd cur0 lcd B 0 0 x0C 0 隐藏光标 71void lcd goto1 uchar x lcd B 0 x 0 x80 0 设置 DDRAM 地址 第1行 x 位 72void lcd goto2 uchar x lcd B 0 x 0 xC0 0 设置 DDRAM 地址 第2行 x 位 73void lcd putc uchar d lcd B 1 d 0 字符输出 74void lcd puts uchar s for s s lcd B 1 s 0 字 串输出 75 39 76void main 77char i 78lcd init 初始化 LCD 79lcd cur0 隐藏光标 80while 1 81lcd cls 清屏 82lcd goto1 0 83for i 0 i 16 i lcd putc 238 i 字符输出测试 84lcd goto2 0 85lcd puts xjw01 PuTian 字串输出测试 86lcd delay 1000 87 88 89 40 下载下载 65 29 KB 41 如果改板的话 如改成小板子话 那几个要求高精度的电阻 建 议还是用直插的 这样电阻的精度容易控制 如果批量的话 单片机不要用 STC12C5A60S2 那是 64k 闪存 远远用不完 比较浪费 PCB 板文件与程序文件 至少保留一样不公开 如果这两个东 西全部公开 别人可以不费力气直接仿制 这样不小心会造成出套件 的人积货 用 4LED 还是 8LED 或是 LCD1602 这个最好再考虑一下 个人觉得 4LED 效果比 LCD1602 好 只是操作比较麻烦一点 用 LCD1602 如果程序再改进一下 也可以显示大部分内容 也比较直 观 这样 按键只需要 3 个或 5 个 机壳制作就更简洁 不易误操作 但显示效果不如 4LED 相位补偿原理 相位补偿原理 相位误差来源主要有两个方面 其一是分布参数 如虚地对信号源热 端的分布电容 TL082 内部分布电容耦合 前级 TL084 输入电容对 桥臂的影响 仪表三运放的共模抑制能力 信号源质量 引线电感等 影响最大的是分布电容耦合和引线电感 分布电容对高阻抗测量有影 响 引线电感对低阻测量有影响 其二放大器的移相造成的 测量上 下桥臂 如果放大器入于相同的增益档位 两组测量的移相是相同的 互相低消 可以忽略 如果两臂测量采用不同的增益测量 则移相不 可忽略 放大器移相引入的误差 对四个档位的测量都有影响 而不 42 单单是高阻抗与低阻抗两种特殊情况 这是因为放大器的移相存在 造成高 Q 的 CBB 电容的 Q 值根本无法测量 为了解决这个问题 须 提高 7 8kHz 下 Q 值的测量精度 理想的办法就是采用相位补偿 V I 变换器引入的相位误差有两方面 高频低阻大电流测量 相位误差主要是引线电感及仪表三运放的共模 抑制能力引起的 这方面无须软件修正 三运放的共模抑制良好 其 误差可忽略 引线电感可以采用相对值法消除 与万用表 200 欧档测 量电阻时 去除表笔电阻 得真值的原理差不多 高阻测量 V I 变换器的相位的误差就比较麻烦 最好采用软件修正 高阻相位误差来源可分两部分 高阻相位误差来源可分两部分 其一 分布电容引入的附加耦合 如虚地对信号源热端的分布电容 TL082 内部两运放的分布电容耦合 信号源质量等 都可能造成信号 耦合 因此上臂的电流实为被测 Zx 上的电流与附加耦合的电流之和 其二 来自下臂输出对虚地的耦合 也源于运放自身响应延迟问题 等效为下臂电阻上并联了一个分布电容 它造成下臂输出相位滞后 100k档相位误差最严重 而10k档相位误差按100k档相位误差的1 10 估算即可 从频域看 相当于下臂电压产生了小量顺时针旋转 滞后 而对幅值的影响基本可以忽略 以下建模计算分析 测试线分布参数属于被测电抗 X 的一部分 上臂限流电阻与下臂电阻等值 都是 100k 记作 R 运放响应延时 等效阻抗为 Z1 并联在下臂 R 上 LCR 表测得下 上桥臂阻抗比 43 为 k 无相位误差时 k 的理想值为 k U2 U1 R X 而实际存在如下关 系 R 是已知的 k 可以由 LCR 表直接测得 A 可以通过校准得到 当 B 也测得 那么就有 X k R A B 其中 Z0 与 Z1 只相当于几个皮法 电容的电抗 所以电抗很大 那么 应如何理解 A 和 B 呢 当 X 很小时 如 X 2k 欧或 5k 欧 B 是接近于 1 的 相位偏移量的附加量是 A 引起的 B 几乎不起作用 当 X 很大时 A 和 B 同时引起相位偏移 偏移量是 A B 的角度量 如果仅用 Z k R A 表示测量结果 那么 Z 实际上是 Z X B X 1 X Z0 R X Z0 R X Z0 R X Z0 R 高阻测量时 X 是被测电容与表笔分布参数的并联电抗 而且 Z0 R 与 X 并联 说明 最终得到的 Z 是 Z0 R 表笔电容 被测电抗者的并联值 44 综上 A 表示 V I 变换器的的附加相位偏移 B 则反应一个结论 用 Z k R A 作为结

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