基于虚拟仪器技术的LCR测试仪的设计

1、年月第期（总第期）广西轻工业机械与电气基于虚拟仪器技术的测试仪的设计徐玓，张银玲（解放军蚌埠坦克学院实验中心，安徽【摘蚌埠）要】本文首先分析了伏安法测量阻抗的原理，详细介绍了伏安法测阻抗的计算方法，以此为基础给出了一种基于的虚拟测试仪的设计方案，然后介绍了测试系统各个硬件部分的设计。该测试仪充分利用数据处理能力有效地实现了对阻抗的测量和分析。【关键词】虚拟仪器；阻抗【中图分类号】引言阻抗是电路研究中经常需要用到的参数，测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法三种。电桥法具有较高测量精度，其缺点在于需要进行反复电桥平衡调节，测量时间长，很难实现快速自动测量。谐振法要求有较高频率的激励信号，一般不易满

2、足高精度测量的要求，由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。伏安法是最经典的阻抗测量方法，但仪器必须能进行矢量测量及除法运算。图形化编程语言是美国公司推出的一种基于语言（，图形化编程语言）的虚拟仪器软件开发工具，能轻松方便地完成与各种软硬件的连接，设置数据处理、转换、存储的方式，并将结果显示给用户。除了具备其他语言所提供的常规函数功能外，还集成了大量的生成图形界面的模板，丰富的数值分析、数字信号处理功能以及多种硬件设备驱动程序。利用提供的强大数据处理能力来完成伏安法测量阻抗所需要的计算任务，我们研制了基于虚拟仪器技术的【文献标识码】【文章编号】（）精确相位差的相敏检波器基准信号，其缺点在于硬件

3、相敏检波器直接影响测量精度。为了避免此缺点，利用虚拟仪器技术改进传统自由轴法，简化硬件电路，以软件相关算法准确测量和矢量，提高测量精度。通过相关算法检测有效值、及相位差就可测量被测阻抗的虚实分量，这是研制基于虚拟仪器技术的阻抗测试仪的最基本思想。虚拟测试仪算法的实现基于虚拟仪器技术的测试仪特点在于软件替代硬件，改进传统测试方法。算法通过测量标准信号和待测信号之间的相位差和这两个信号的有效值来准确估计待测元件参量。相关法估计相位差及有效值算法原理现假设被测阻抗信号和同频标准阻抗参考信号分别为，周期为。它们的互相关函数为：（），（），相位差为（）!"（）（）（）（）" #$（）

4、由此可以得到：阻抗测试仪。虚拟测试仪的原理伏安法测量阻抗的原理基于欧姆定律，即阻抗可以表（）即（）式中，、分别为两路同频信号的幅度最大值。!（）述为：（）式中，为阻抗两端压降的有效值，为过流阻抗电流的有效值，为电压与电流的相位差。根据（）式可以得到式中，（）图正交法幅度测量算法原理图，为伏安法测量系统中同样我们可以用两路信号的自相关函数测量出、但是。实际工程环境中，存在随机噪声的干扰，数据采集获取的数据含有噪声，带噪信号自相关函数在主峰处误差极大，造成严重测量误差（互相关函数具有很强的噪声抑制能力），实际工程中有必要对自相关幅度测量进行改进。考虑到测试信号的频率是已知的，所以，可以拟合产生标准

5、正弦信号和余弦信号，待测信号分别和两路标准信号作互相关，准确检测幅度、，避开自相关运算，大大增强了噪声抑制能力。图所示即为如上所述的标准阻抗电压。传统设计方案有固定轴法和自由轴法之分，固定轴法的缺点在于为了固定坐标轴，确保参考信号与被测信号之间的精确相位关系，硬件电路要付出相当大的代价。自由轴法无须固定坐标轴，相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，是近年来智能阻抗测试仪大多选用的设计方案。自由轴法关键在于产生徐玓（），男，安徽寿县人，蚌埠坦克学院讲师，硕士。【作者简介】正交法幅度测量原理框图。设待测信号和正弦信号的互相关结果（）为：样存储电路、激励信号发生电路和通信模块四大模块。前端测试电路产

6、生两路同频信号，一路为待测元件上产生的信（）号，另一路为标准电阻上产生的信号。双通道同时采样电路对这两路信号同时采集，转化成数字信号。激励信号发生电路产生频率可变的激励信号。通信模块实现数据传输功能，将（）底层数据高速传输至上层，并控制各单元电路协调工作。系统框图如所示。（）测信号和余弦信号的互相关结果（）为：（）测信号和正弦信号相位差式中，为拟合信号幅值。式（）得出幅值为：因此，可有式（）、式中，为待测幅值，为正弦信号和余弦信号幅值，为待号有效值为：! （）（）（）综上，两信号有效值和相位差可以表述成（）、（）和（）。信! （）（）（）! （）（）（）图系统原理框图信号相位差为：（）&quo

7、t;（）式中，为拟合信号的幅值，、为待测信号和标准信号的有效值。采用正交法实现幅度测量增加了计算量，但是解决了自相关噪声误差，增强了噪声抑制能力，大大提高了测量精度。另外，由于阻抗测试的测试频率已知，拟合光滑正弦信号和余弦信号方便可行，突出体现了虚拟仪器技术的计算机优势。图虚拟阻抗测试仪界面前端测量电路设计前端测量电路的作用是分别测出流经被测元件的电压、代表恒定电流大小的基准电压。测试仪的前端测量电路由差分放大器、转换器和输入放大器三部分组成。和参量测试算法原理由伏安法测试原理可以得到如下表达式：（）信号通过差分放大器放大之后，分别送人程控放大器放大。放大器的增益通过微控制单元控制，程控放大器

8、的输出送入同时采集系统进行采集量化。式中，、为了测量信号的有效值，为标准电阻，为实部分量为：两信号的相位差。由（）可以得到虚、激励信号产生电路设计（）（）考虑到激励信号源对频率精度、频谱纯度和稳定度的要求，系统采用专用数字频率合成（）芯片公司提供的产生激励正弦信号。内部包括可编程系统、高性能及高速比较器，能产生频谱纯净、频率和相位都可编程的模拟正弦信号。在时钟下，输出频串分辨率达，并且在供电时功耗仅为。式中，、实部分量。分别为待测阻抗的虚、从理论上分析，待测阻抗的实部反映了测试元件的电阻性，虚部反映了测试元件的电容或者电感性。虚部为负，表明电压滞后电流，测试元件呈容性；虚部为正，表明电压超前电

9、流，测试元件呈感性；虚部为零，测试元件呈纯电阻性。测试仪利用同时采样系统获取两路带噪信号，通过正交法估计两路同频信号幅度有效值，获取幅度有效值后，采用互相关手段求解两路信号的相位差，最后根据、和计算公式求解待测参数。通过虚部和实部之间的关系可以确定待测元件的类型，实现自动识别、自动测量。双通道同时采样及存储电路设计双通道同时采样是系统设计关键，为了降低测量误差，必须保证信号通道特性的一致性，降低通道不对称导致的相位误差。基于此，我们的设计选用了美国德州仪器提供的双通道同时模数转换芯片。其最高采样率可达，并具有位的数据分辨率，推荐工作下功耗仅有，适合低功耗环境。系支持差分输入和单端输入两种模式。

10、统构成单端输入模式，其中共模信号端直接和内部基准源相连，使得输入信号动态范围在。采用串行数据总线接口，利用大规模可编程逻辑器件实现串测试仪硬件系统设计测试仪硬件系统分为前端测量电路、双通道同时采（下转第页）! （，）" ；如图所示。混（）! （，）"&(&(合矩阵以及分离矩阵为：#$%#$%图分离后信号从分离结果看，分离出来的信号只有相位和顺序与源信号稍有不同，分离效果良好。并且随着采样点数的增加，分离的效果会更好。本实验的采样点为。混合后的信号如图所示。分离后估计出的信号如图所示。结语本文先介绍了负熵的定义，接着提出了以负熵为非高斯性准则的独立分量分析算法

11、。克服了以峭度为准则的算法的缺陷，鲁棒性较好，且由于采用了简单的负熵估计方法，在一定程度上降低了计算的复杂度。实验结果表明分离效果良好。参考文献，图信号源，：，：，（）：，（）：图混合信号（上接第页）转并，并控制模数转换时序，将每次转换数据自动存入存储单元，提高了数据采集、存储效率。为了简化存储系统设计，存储单元采用实现。需要注意的是采用外部时钟输入方式，每个时钟周期转换一次，所以为了得到最大的数据转换速率，输入时钟应该设置为信号产生电路的控制。系统测试结果系统利用强大的实现基于互相关原理的、和参数检测，达到了比较满意的效果，和传统仪器相比有着更高的测量精度。基于平台的测试界面如图所示。参考文献徐爱钧著智能化测试仪表原理与设计北京：北京航空航天大学出版社，。在设计时，为了保证的工作性能，系统对模拟电源、数字电源分别用高频磁珠、滤波电容构成去耦电路，达到良好的高频去耦效果。通讯模块硬件的设计系