自由轴法的RLC测量仪表设计.doc

1、1基于自由轴法的 RLC 测量仪表设计技术要求：1)测量准确度： O.052)显示范围: :0.0001 mH- 99999HC: O.0001 pf-99999 R: O.0001 -99999k 主要参考文献：1、 童长飞 编著系列单片机开发与语言编程北京：北京航空航天大学出版社，年月2、赵茂泰 主编.智能仪器原理及应用.北京：电子工业出版社，2005 年 1 月.3、陈尚松 等编著.电子测量与仪器.北京：电子工业出版社，2007 年 2 月4、李腊元，官本云 编著.智能化仪器仪表.北京：科学出版社，1993 年5、阎石 主编.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998 年 11 月

2、6、周航慈 编著.智能仪器原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，2005 年 3 月课题内容及工作量：本课题研究了包括固定轴法在内的几种 RLC 的传统测量方法，并进行了优缺点的分析和论证，采用了较先进的自由轴法，给出了具体实现方案。本课题要求设计正弦信号源、基准相位发生器、积分式 A/D 转换器和微处理器控制电路，以及数字显示电路。要求对于自由轴法的计算方法进行严密推倒，分析电子线路实现时可能造成的误差，以及软件编程对本仪器精度的影响。整个设计要求设计并画出全部硬件电路图和详细的程序流程图，应着重描述清楚系统的程序流程和算法的程序设计要点。说明：为避免与其它（本届的电导率测量和上届的 R

3、LC 测量仪器）题目的实现方案重复，对于同一环节（例如积分式 A/D）的实现应不同。建议本题的双积分 A/D 采用运算放大器和比较器以及一些阻容元器件搭成，不采用专用 A/D 转换器（例如 ICL7135）。以下是老师给的资料：智能化 RLC测量仪原理摘自：赵茂泰 主编.智能仪器原理及应用（第 2版）.北京：电子工业出版社.2005 年,P178-193。RLC 参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法三种。电桥法具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。但电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。谐振法要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求。

4、由于测试频率不固定，测试速度2也很难提高。伏安法是最经典的方法，它的测量原理来源于阻抗的定义。即若已知流经被测阻抗的电流相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。显然，要实现这种方法，仪器必须能进行相量测量及除法运算。伏安法伏安法可用图 625 所示的原理电路来说明。图中 是已知的恒流源相量； 是已知的标准阻抗 (为计算方便一般选为实电阻 )；被测阻抗 与 串联。则分别测出 和 两端的电压相量 和 ，便可通过计算得到待测阻抗其中 的大小反映了流经被测阻抗 上电流相量 的大小。上述测量实际上是先分别测出各个电压相量的两个分量，然后再通过一系列运算得到被测值 的数值。图 6-

5、26 示出了采用了微处理器的 RLC 测试仪原理框图。伏安法有固定轴法和自由轴法两种实现方案，其区别在于图 626 中相敏检波器相位参考基准选取的不同。实际相敏检波器的相位参考基准代表着坐标轴的方向，相敏检波器的输出就是待测电压在坐标轴方向上的投影。图 625 伏安法测量原理图 6-26 RLC测试仪原理框图3固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与式(68) 分母位置上的相量一致，这样分母只有实部分量，使相量除法简化为两个标量除法运算。利用双积分式 A/D 转换器的比例除法特性即可实现这一目的，这种方法在计算机引入电子仪器之前被大量采用。这种方法的弱点在于：为了固定坐标轴，确保参考信号与

6、信号之间的精确相位关系，硬件电路要付出相当大的代价。自由轴法中相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，即 x，y 坐标轴可以任意选择，只要求保持两个坐标轴准确正交(相差 90 )，从而使硬件电路简化，准确度也得以提高。自由轴法的计算量比较大,近年来智能 RLC 电路大都采用这种方案。6.3.2 自由轴法测量原理（下文中有关“固定轴法” 摘自于：陈尚松 等编著.电子测量与仪器.北京：电子工业出版社，2007 年2 月，p302）采用相量电压一电流法，即将阻抗看成正弦交流电压与电流的复数比值，即这里是将一个标准阻抗 与被测阻抗 串联，如图 7.27 所示，则可得到这样，对阻抗 的测量变成了两个电压相

7、量之比的测量。完成两个电压相量的测量方法通常是，用一台电压表通过开关转换分时进行测量。实现两个相量除法运算有固定轴法和自由轴法，将相量除法转换成标量除法。早期产品采用的固定轴法如图 7.28(a)所示，因难在于保证两个相量相位严格一致，使硬件电路复杂，调试困难，可靠性低。现代产品中大多采用了自由轴法，如图 7.28(b)所示。自由轴法不是把复数阻抗坐标固定在某一指定的电压相量的方向上，坐标轴的选择可以是任意的，参考电压可以不与任何一个被测电压的方向相同，但应与被测电压之一保持固定的相位关系，如相差 ，且在整个测量过程中保持不变。由图 7.28(b)由此可得4式中，用标准电阻 代替 ，显然，只要

8、知道每个相量在直角坐标轴上的两个投影值，经过四则运算，即可求出结果。自由轴法的测量原理如图 7.29 所示，图中相敏检波器的参考电压受微处理器控制的自由轴坐标发生器提供，它是任意方向的精确的正交基准信号。相敏检波器通过开关选择 和 ，便可得到它们的投影分量，然后由 A/D 转换成数字量，经接口电路送到微处理器系统中存储，最后，CPU 对其进行计算得到待测数。交流电压 和 的测量包括幅度和相位，方法是采用相敏检波器对每个电压进行两次测量。在两次测量中，相敏检波器参考电压是正交的，应有精确的 的相位差关系。而对于参考电压与被测信号电压之间的相互关系只要求相对稳定，而不要求精确确定。自由轴法虽然采用

9、相量电流-电压法的基本原理，但由于其精确的正交坐标系主要靠软件来产生和保证，硬件电路大大简化，还消除了固定轴法难于克服的同相误差，提高了精确度。同时被测参数是通过计算机获得的，因而除了可以得到常用的 C、L、R 、损耗角正切值 D、品质因数 Q、等效串联电阻 ESR以外，还可方便地计算出其他多种阻抗参量，如阻抗模值 、导纳模值 、串联电抗 X、并联电纳B、并联电导 G、阻抗相角 等。目前智能化 LCR 测量仪仍在向宽量程、高准确度、智能化和兼有测量与分选两种功能方向发展。当前参数可测范围及准确度如下：5电阻 R：0.01 ，准确度0.001。电容 C： 20F，准确度 。电感 L：O.01nH

10、 20mH，准确度O.05。最后，通过表 7.5 归纳一下本章及下一章讨论的各种阻抗测量仪器的分类、采用的方法、优缺点及频率覆盖范围等，以加深对阻抗测量的系统认识。6自由轴法中 与 和坐标轴的关系可用图 6-27 显示。可见，只要分别测得 , 在直角坐标轴上的两个投影值，经过四则运算，即可求出最后的结果。图 6-27 自由轴法相量图自由轴法测量原理可用图 628 所示的方框图来表示。图中缓冲放大器通过开关 S 来选择 或，对每一个 和 都要分别进行测量，这两次测量的相位参考基准信号要求保持精确的 90 相位关系，以得到预期的诸投影分量，然后分别由 A/D 转换器变成数字量经接口电路送到微型计算

11、机系统中存储。最后由微处理器经数学计算得到待测参数。所谓投影分量，就是测量相量与相位参考基准信号在相敏检波器上相乘的结果，为了得到相应正交的两个分量以及建立起对应数学上的直角坐标系。对每一个 和 的两次测量必须保持精确的 90 ，这就要求电路能产生彼此相差 90 的方波控制信号作为相敏检波器的参考电压信号，这部分功能是由基准相位发生器来完成的。图 6-28 自由轴法 RLC测量原理框图以电容并联电路的测量为例，推导各被测参数的数学模型。在图 6-27 中式中 e A/D 转换器的刻度系数，即每个数字所代表的电压值；7 对应的数字量(i1，2，3，4)。则坐标系一旦设定，两相量之商即可表示为若

12、采用标准电阻 ，根据式(6.8)及式(6.9)，则有上式的负号由测量电路中的反相器引入。则其实部、虚部分别等于由 D 值的定义可求出用完全类似的方法，可以推导出表 66 所示的被测参数 R，L，C 的计算公式。（读者注：从以上分析可以看出，自由轴法与外加电源电压无关，意思是加在阻抗上的正弦电压可以随意选择为 12V左右均可，不要求准，但要求稳。）表 6-6被测参数的计算公式6.3.3 RLC测量仪电路分析由上述分析可知，采用自由轴法构成的 RLC 测试仪主要由正弦信号发生器、基准相位发生器、前端测量电路、相敏检波器等部分组成。8下面对其中主要的测试电路原理进行分析。一、正弦信号源与基准相位发生

13、器从自由轴法工作原理以及表 66 各被测参数计算公式可以看出，仪器的工作频率直接影响测量精度。因此要求测试信号源频率精确度高，并且频谱纯度和幅度稳定度也要高。除此之外，相敏检波系统还要求信号源频率和相敏检波器相位基准信号的频率严格同步，因此正弦信号源与基准相位发生器在电路上是密切相关的。下面给出常采用的两种方案：1）、方案一 图 629 所示的方案由晶体振荡器、分频器、滤波器、基准相位发生器等部分组成。晶体振荡器产生的 19.2MHz 频率的信号，经微型计算机控制的分频后得到 1kHz 或 100Hz 的方波，此方波经基准相位发生器电路产生 O 和 90 相位的参考电压信号，供相敏检波分离被测

14、电压的虚、实部用O 相位的方波再经低通滤波器变为正弦信号，该正弦信号经缓冲级去激励被测元件。在输入缓冲级上还加有 2V 的偏置电压电路，用于偏置被测试的电解电容器。图 6-29 正弦信号源与基准相位发生器基准相位发生器由双 D 触发器 74LS74 构成，实现了四分频，电路原理如图 6-30(a)所示。设初始是复零状态，即 与 为 O。则在第一个脉冲的上升沿， 为 1， 为 O；在第二个脉冲的上升沿，为 1， 为 1；在第三个脉冲的上升沿 为 0， 为 1余下类推，其波形如图 6-30(b)所示。由图可见： 为 ； 为 90 ； 为 180 ； 为 270 ，故得到所需参考相位且实现了 4 分

15、频。9图 6-30基准相位发生器电路及波形图1kHz 或 100Hz 滤波电路由 4 级二阶有源低通滤波电路组成。用于提高正弦信号源的频谱纯度。2） 方案二 图 631 所示的另一种信号源电路方案采用数字合成技术。用数字合成方法生成正弦信号，通常是在 ROM 中存储一个周期的正弦曲线样点表，每一个存储单元存储的样点数据与其地址之间的关系和正弦波的正弦幅值与时间轴的关系是一致的。这样，当按顺序逐单元读出 ROM 的样点数据时，就能得到量化了的正弦曲线，若周期地重复这一过程，并将数字经数/模转换与平滑滤波后输出，就得到了一个连续的正弦波信号。图中晶体振荡器产生的时钟频率为 18.432MHz，经分

16、频链 I 后信号频率变为256f (f 为选定的测试信号频率 100Hz 或 1kHz)。再经分频链一系列二分频后得到128f，64f，32f，f 共 8 个信号，用这 8 个信号作为 ROM 的地址输入线，就可以从 ROM 中逐点读出正弦曲线采样点数据，这些数据再经 8 位 D/A 转换器以及滤波和放大，就可以得到作为测试信号用的正弦波信号。由于数字合成信号源采用石英晶体振荡器，故信号的频率稳定度和精确度都较高，失真也非常小，根据周期波的沃尔什展开理论，可推出总失真系数为在此基础上再经滤波，失真的影响可减至忽略的程度。图 6-31 采用数字合成技术的信号源电路图 6-31 中的 8f，4f

17、，2f，f 四条线还用于基准相位发生器中的相位参考信号，基准相位发生器控制原10理图及其波形图见图 632 所示。图 6=32具有坐标轴旋转动能的基准相位发生器及波形图参考相位基准电压 的产生是通过对 8f，4f ，2f，f 四条地址信号进行监视来实现的。微处理器首先通过可编程并行口采集这些线上的逻辑电平值，然后再与一组和预定相位相对应的预置数进行比较(数字比较器) ，最后由输出口适时地输出相应的控制信号。这个信号经由 D 触发器中的 8f 信号同步后，即得相位精确预定的参考电压 。选定不同的预置数，可生成不同相位的基准信号，使坐标轴具有旋转的功能。在图 6-32(b)中，若我们预定在 处开始

18、输出 ，可确定 1110 为起点预选数。再令程序监视 8f 线上的逻辑电平，当发现其值为预选数 1110 时，则程序立即输出使 PB 线执行上述程序，呈高电平，之后经过 8f 同步，使 为高，于是就从 Q 端得到控制信号 。若令坐标轴在上述坐标轴基础上再旋转-90 时，则可确定 1101 为起点预选数，重新就可从 Q 端得到如图 6-32(b)中所示的控制信号 与相差恰好 90 ，于是通过改变预选数便可完成准确的坐标轴旋转功能。坐标轴旋转功能可以被用来对谐波误差进行校正。二、前端测量电路前端测量电路的作用是分别测出流经被测件的电压 及代表恒定电流大小的电压 。一个典型的 RLC 测试仪的前端电

19、路如图 633 所示，它由差分放大器 (A )、I/V 转换器(A )和输入放大器(A )三部分组成。11测量时，先通过程控使开关 置 1 端，使差分放大器测量 流过 上的电压 。为测出电流的大小，需先将其由 I/V 转换器转换为电压，其中标准电阻 , , 用来改变量程.这样，当通过程控使开关 置 2 端时，差分放大器 便可测出代表流过被测件上电流大小的电压 （读者注：图6-33 画错了，应将 的反相输入端和同相输入端对调）。, 分别被差分放大器放大之后，便经开关 送到输入放大器放大，放大器的增益可以通过开关 被置为 1 倍或 8 倍。开关 接地时，还可测出输入放大器以及相敏检波和 A/D 变

20、控器的总漂移，以修正测量结果。三、相敏检波和双积分 A/D 转换电路相敏检波原理可用图 634 所示的简图来说明，图中相敏检波器由模拟开关组成，控制模拟开关通断的 信号，即 O 或 90 基准相位信号。图 6-34相敏检波原理设被相敏检波输入信号为 ，因而有 和 ，如图634(b)所示。若 信号为 基准信号，则输出信号 为12(6.10)其平均值 为可见输出的平均值正比于分量 。若 信号为 90 基准信号，同理可得输出值的平均值 为可见 与 成正比。因而完成了对 两分量的分离。（注意：这里的 不是被测阻抗 的阻抗角，而是相量 与横轴的夹角）相敏检波和双积分 A/D 转换电路的作用是将 , 用不

21、同参考相位进行鉴相并将其平均值转换成相应的数字量。图 635，给出一个实际的电路简图及简化工作波形图。图 635 相敏检波和双积分 A/D转换电路原理图13图 6-35 中, 或 经电阻 馈入相敏检波器的输入端 P 点,同时,+3.3 V 直流偏压 经 产生的电流也迭加到 P 点，直流偏压的作用是使测量信号无论是正值或负值，输入到积分器的总电流永远是正值，保证双积分 A/D 转换过程中的定时积分阶段始终保持在同一方向上进行，从而简化了逻辑设计。+3.3 V 的影响在以后的计算中将被扣除掉。双积分 A/D 过程正向积分阶段: 由基准相位坐标发生器产生的参考电压信号 控制，在 接通时，正比于各待测

22、电压投影分量 (i1，2，3，4)以及直流信号加到积分器，使积分器输出负向斜变；而在 关断时，积分器输出电压保持恒定。积分器在一次正向积分阶段， 一直处于关断状态。积分器对若干次 接通所通过的信号的进行积分( 图 6-35 中为 3 次，实际为更多次，由积分时间和时钟频率决定 )，使输出电压达到一定的负值。反向定值积分: 正向积分阶段结束后， 关断 闭合，使负的基准电压 经由电阻 进入积分器，开始反向定值积分。同时，在微处理器的控制下启动计数器计数，当比较器检测到积分器输出为零时，关闭计数闸门关断 结束积分，同时闭合 使积分电容短路，直至下次积分为止。此时计数器中的数值( 经扣除+3.3V 叠

23、加部分 ) 正比于待测投影分量 ，即 。所得 值由接口电路输入到微型计算机系统中存储，供以后计算使用。电路中模拟开关 及其他逻辑电路都是在软件的支持下工作的。6.3.4 典型智能 RLC 测量仪介绍本节以国产 ED2814RLC 自动测量仪的分析为例，说明 RLC 自动测量仪的组成原理及设计要点。一、仪器概述14ED2814RLC 自动测量仪是以微处理器为基础的智能化仪器。它可以用来自动测量无源元件的各项基本参数，主参数用 5 位数字显示，副参数用 4 位数字显示。操作者可通过前面板的按键设定测试条件，测试条件符合 IEC 标准。当被测元件接人测试夹具之后，仪器能视测量对象不同，自动进入最佳工

24、作状态。该仪器主要技术参数如下：(1)测量范围R：2 2M ； Q：O.00019.999；C：0.2nF 2000 ； D：O.00019.999；L：O.2mH2000H； Q：O.019.999 。(2)基本精度主参数：读数的0.1；副参数：110 。(3)测量频率 1kHz ，100Hz 两种(4)误差分选挡D/Q 值 1 挡(第 0 挡)；RLC 值 8 挡( 第 18 挡)；超预置数 1 挡(第 9 挡)。ED2814RLC 自动测量仪整机原理框图见图 636 所示。晶振产生的方波经分频器，产生了供发生测试信号频率为 256 f 的信号( f 为测试频率)和供建立自由轴坐标用的 8

25、f，4f，2f，f 四种频率的参考信号。256 f 信号驱动正弦 ROM 得到频率为 f 的正弦测试信号 。测试信号经限流电阻 加到被测阻抗上。虚线框内是一个简化的前端电路，它输出的两个电压 相量和 相量，先后经开关 S 输入到相敏检波器。相敏检波器的参考信号来自基准相位发生器，后者在微处理器控制下产生任意方向的精确正交坐标系。于是，得到 和 坐标轴上的四个投影值 , , 和 ，然后再由双积分 A/D 转换器转换成相应的数字量 ， , 和 ，送到 RAM 中暂存。最后，微处理器根据操作者由键盘输入的信息，从表中选择适当的公式进行计算，得到被测参数并有显示器显示出来。15图 636 ED2814

26、RLC自动测量仪整机原理框图二、测量误差的分析与处理方法RLC 参数测量仪器引入计算机技术之后，不仅可以实现测量的自动化，而且还可以有效地处理各种误差，使测量精度大幅度提高。RLC 参数测量仪在测量中除含有随机误差外，还有内部固定偏移、输入端的各种杂散参数以及测试信号源中谐波分量等因素所引起的系统误差。下面分别讲述本仪器减弱上述误差所采用的办法。1随机误差的处理根据统计方法理论，随机误差可以通过多次重复测量的平均来予以削弱。本仪器设置了“平均工作方式，编程使仪器对被测参数连续测量 10 次，然后求其算术平均值作为最后的显示结果。2固定偏移的校正固定偏移主要由有源器件零漂引起，其结果是等效在待测

27、交流信号上叠加了某一固定的直流电压。从这个角度上看，本仪器在正向积分时人为叠加的+3.3V 直流电压也可看做是固定偏移的一部分。固定偏移可通过减法予以扣除。本仪器设定一次完整的测量共含 8 次测量。前 4 次测量结果如果在正 X 轴和正 Y 轴上取得，后 4 次测量结果则安排在坐标轴旋转 180 后取得。然后再把前 4 次测量结果与后 4 次测量结果相减。例如，若通道的偏移量为 ，则前 4 次测量值为 + ，后四次测量值是 + ，再次相减后得()- 然后再将各分量值除 2，于是偏移量被消除。3开路校准和短路校准RLC 参数测量仪器的测量端、测量馈线以及测量夹具总是存在残余阻抗和残余导纳，这些残

28、余量对小电容、小电感或高电阻的测量会造成较大的误差。传统的元件参数测量仪器在正式测量之前要进行人工校正工作，即在测试条件相对稳定之后，先测其残余量，再根据被测量的性质对实测量予以修正，这16项工作是烦琐而费时的。ED2814 RLC 自动测量仪通过软件引入自动的开路校准与短路校准，简化了上述修正手续，给使用带来很大的方便。校正的基本思想是先通过理论分析建立系统的误差模型，求出误差修正公式，然后通过简单的“开路”、“ 短路”等校准技术记录各误差因子，最后程序利用修正公式和误差因子自动计算修正结果。下面以串联等效电感为例进行说明。图 6-37 串联等效电感误差模型图 637 给出了进行电感器测量时

29、仪器前端的误差模型。图中， ， 分别代表实测电感器的电感量与等效串联电阻； ，R。分别代表等效的分布电容和漏电阻； L。， 分别代表等效的馈线电感及电阻。对于低阻抗测量，C 。，R 可视为开路，于是得显然根据 Q 值定义 以及式 (614)和式(6 15)，可得式(614)和式(6 16)便是电感串联等效模式的 Lx，Qx 测量的误差修正公式，式中的 L。， 即为误差因子，由于被测参数为小电感、小电阻，所以须施行短路校正。其校正的原理流程图示见图 638所示。4谐波误差的校正带有谐波的测试信号可以用下式表示：上式第一项为纯净的测试信号，第二项为各次谐波，式中 为各次谐波以 为参考基准的相位超1

30、7前角。本仪器的双积分 A/D 转换器的采样时间取被测信号周期的整数倍，则仪器所得的数字结果 N 应与鉴相后的一个测试信号周期的平均值成正比。设相敏检波器采用 0。基准信号，则当带谐波的测试信号通过相敏检波器及双积分 A/D 转换器后，其结果可进一步表示为图 6-38校正程序流程图上式表明，测试信号中的偶次谐波已被有效地抑制，但奇次谐波还存在。为了进一步消除测试信号中奇次谐波的影响，校正程序共安排了三次测量：第一次测量仍旧是测量矢量信号在原坐标轴方向的投影值No，由式(6.18) 得第二次测量选择超前原坐标轴方向 45 的坐标轴方向，可得测量矢量在新坐标轴上的投影值 为第三次测量选择滞后第一次

31、坐标轴方向 45 的坐标轴方向，同样可得最后将三次测量的结果按下式进行平均计算，得最后结果。18由上式可见，输出信号中仍含有奇次谐波，但第 3，5；11，13；19，21等谐波的影响均被消除，而对结果产生影响的最低谐波是 7 次谐波，其影响可以忽略。三、仪器的软件系统仪器软件在结构上分为 4 大部分：主程序、键盘分析程序、通用程序和 GP-IB 接口管理程序。下面侧重介绍前两部分。1主程序主程序流程简图如图 639 所示。开机后，程序首先对仪器的计算机部分进行自检，自检正常后，程序进行仪器初始化工作。初始化工作包括：设置中断及栈区、设置可编程 IO 接口芯片工作状态，赋予各标志以初始测量状态。

32、该仪器初始测量状态规定为：电容测量、测量信号频率为 1kHz、并联等效电路、慢速、连续测量方式。仪器在正常工作时，用户可以通过操作键盘随时改变测量条件，键盘分析程序采用中断方式，键盘程序在建立相应的条件标志后将再次返回主程序。接着，程序把相应初始化设定的标志或经键盘选择的标志输送到锁存器中，把相关的控制信号输出。完成了标志输出后，程序将要进行几次判断：如果显示方式选定为“预置“，这时主要工作均在键盘程序中进行，主程序只是把已经存放在显示缓冲区 RAM 中的数值取出进行显示或处理；如果测量方式选定为连续测量，程序就一次接一次地连续进行循环测量；如果测量方式选定为单次测量，程序就暂停，等待“启动命

33、令，启动命令一经实行，主程序就进行一次设定的测量，然后再等待下一次“启动” 命令。注意在一次测量途中，必须设置清除工作，否则单次测量就会和连续方式一样无休止地循环下去。下面，程序在测量中断服务程序的支持下开始进行 8 次 N。值的测量。这一部分是仪器测量工作的关键环节，其任务是在模拟电路的配合下精确地得到数学模型中需要的 Ni 值，以供下一步计算被测参数。计算被测参数是依据表 66 所提供的公式进行。注意，当测试速度选为慢速(约 1 次/秒)时，程序还将旋转坐标轴进行谐波校正工作。该仪器共有 3 个量程，并设置了“自动保持”按键，以使用户选择量程自动转换方式或量程保持方式。量程保持工作方式可以

34、固定量程，使操作者得到所需的单位量程。量程自动转换方式可以通过程序判断的方法选择出最佳量程，以使操作者得到高的测量精度。因此，在“换挡”这一步骤中，程序判断量程是否换挡，一方面取决于被测参数是否超出标准，另一方面还要看是否选择了“量程自动转换”方式。然后程序查询“平均” 标志，若操作者通过键盘建立了“ 平均 ”标志，则程序转入“ 平均测量方式”。这时程序进行重复测量并同时记录测量次数，当测量达到预定次数后，程序就把多次测量结果进行平均计算。显然，平均测量方式的测量速度要比一般方式下慢得多。19图 6-39主程序流程简图在“分布参数校正” 这一步骤中，程序将根据“ 开路校正“ 和“短路校正”所建

35、立的校正条件，选择合适的误差公式进行修正计算。“开路校正”和“ 短路校正”工作是通过按动“ 开路校正”键和“短路校正”键后进行的，应该注意的是，校准是在特定条件下进行的(如特定量程、特定等效电路、特定夹具，等等) ，所以“开路校正”或“短路校正” 的测量，一定要在与校正时完全相同的条件下进行。否则，不会得到良好的结果。程序最后一步是决定显示方式。若仪器处于元件分选状态，程序的任务是将测量计算出的元件值与人工预置的分挡标准进行比较，以决定被测元件所属挡序号，并把相应的挡序号写入显示区，同时向机20械接口输出一个相应的位选通信号。若仪器处于元件测量状态，程序将根据测量数据的大小和单位量纲，正确选择

36、小数点位置。最后程序把应该显示的数都放在显示区，调用输出子程序，把数值显示出来。至此程序完成了一次完整的测量过程，然后重新返回总入口处开始新的循环。2键盘分析程序键盘扫描采用了键盘中断方式，即中断申请信号是由键盘中任一键的闭合引起。 该仪器键盘共有 27键，其中 11 键是“ 功能键” ，按一键一义定义，因此键盘分析宜采用直接分析法。其余 l 6 个键组成用于分选的“数据输入 ”键盘，使用时须按一定顺序按下多个按键才能构成一个确切的意义，因此键盘分析宜采用状态分析法。键盘程序在确定有键按下之后，应先求出键值，然后根据键值将单义键和多义键区分开，最后再分别转入各自的分析处理程序。(1)功能键分析

37、程序由于 11 个功能键都是单义键，因此分析程序只需识别出某个键的闭合，求出键值，然后根据其键盘直接转移到相应的动作程序中去。分析程序中使用的转移表如表 67 所示。其键分析程序图如图 640所示。表 67 转移表(2)“数据输入”键盘分析程序21图 6-40功能键分析程序流程图“数据输入” 键盘专职元件参数误差分选测量之用，其键盘排列参见图 641 所示。用户通过键盘输入被测元件参数的标称值、各分挡的序号以及各挡次的极限值，以便实现对量程范围内任意阻抗值的误差分挡。图 6-41、“数据输入”键盘排列图“数据输入”键盘分析采用状态分析法，状态图如图 642 所示，对应的状态表见表 68 所示。

38、对应的分析程序流程图如图 643 所示。这样，每当一个按键被按下时，分析程序就根据现行状态和按键的键码找出对应的子程序序号和应变迁的下一状态，并用下态的编号代替现态的内容，然后转向对应的动作程序。从状态表到形成键盘分析程序，还需要给各按键赋予键码和键号；还需要把表 68 形成的状态表按适当形式进行编码并固化在仪器的 ROM 中。其具体实现方法参见 3.1.3 节。22Z L5智能化 LCR测量仪摘自：李腊元，官本云.智能化仪器仪表.北京：科学出版社，1993 年，p183-1861主要技术指标及功能 基本测量准确度： O.05测试电压：5mV1.275V 可编程选择测试频率: 12Hz100k

39、Hz 可编程选择测量速率: 112 次/秒显示范围: :0.00001 mH- 99999HC: O.00001 pf-99999 R: O.00001 -99999k 。:O.00001 -99999k D 或 Q: 0.00019999:-90.00 +90.00 接口：GP-IB 接口与分选接口。料斗：014直流偏压：内接 2V，外接小于 50V、200mA功 能： 自动调零、量程自动选择或设定，参数自动选择或设定、量程扩展、平均值测量、中间值测量、消隐低位数字显示和键盘锁定等。2工作原理及特点ZL5 的 GP-IB 接口和分选接口 (任选件)可使仪器响应其他设备的远控命令，工作于自动测

40、试系统中具有开机自诊断功能，并应用了自校准技术，使用户对维修和调整 ZL5 提供了极大的方便ZL5 没有采用古典电桥的测量原理，而是采用了一种新的测量技术，并用微机进行计算、控制来获得各种阻抗值等这些测量包括了标准电阻 R，和被测件 Z，两端的一组相量电压，通过快速的鉴相器和A/D 转换器测量得到鉴相器采用四种参考信号，以数字电路形成的这四种信号与测试信号频率精度一样高，而且每部分之间以精确的 90 分隔开，因此 ZL5 不需要高精度的模拟移相器或波形整形电路基于测量技术和电路原理，ZL5 唯一需要调整的部件是一只电位器，通过它调整测试信号电平值ZL5 的精密元件是四只标准电阻和一个石英晶体振

41、荡器，没有采用标准的电抗元件。ZL5 是通过微机从一组已测到的电压、已设定的频率和标准电阻已校准的值来计算出被测件的主量和副量(例如被测电容的 C 和 D 值)每一个内部标准电阻的阻抗值贮存在 ZL5 的 RAM 内，阻抗值在校准频率下(1kHz)是已知的，供微机23计算被测参数使用ZL5 采用了“自校准” 技术来修正内部标准电阻的阻抗，在“自校准” 时只需把四只标准电阻当作被测件进行测量，再适当编些程序输入 ZL5 即可。ZL5 的 RAM 还贮存晶体振荡器的频率偏差(修正误差值达 10 )，以提高测量阻抗元件的计算精度。微机通过键盘输入或 GP-IB 接口总线上的远控输入来选择使用 ROM

42、 内的程序，以。控制测量顺序。ZL5 通常自动寻找正确的量程，在键盘控制下，操作者可选择并固定四个量程中的任意一个，每一量程具有 16：1 宽的基本测量范围，并且有向上或向下的量程扩展，但是测量精度相应降低。ZL5 的原理框图如图 6.19 所示。(1) 测量原理与方框图联系起来看，图 6.20 可说明 ZL5 的测量原理。正弦波发生器输出的驱动电流 流过串接的被测 和标准电阻 ，两个具有相同增益 K 的差分放大器输出电压 和 ，通过简单的运算，即可导出被测件阻抗的表达式：这种比例是一个复数，微机根据 、测试频率及其他信息自动计算所需要的数据并提供显示(2) 频率和定时源保证测量精度所必需的一

43、个标准是测试信号的频率、鉴相器的参考信号和微机的时钟信号同样重要。测试频率和所需要的定时信号是通过一个相当精确的振荡器分频后得到的，振荡器的工作频率为38.4MHz。数字驱动电路和逻辑电路提供了许多时钟信号和触发信号，同样也驱动正弦波发生器。24图 6.19 ZL-5原理框图图 6.20 测量原理框图(3)正弦波发生器(图 6.21)图 6.21 正弦波发生器测试信号源已选的 64 倍测试信频奉的驱动信号由数字电路提供，分频器从 64，开始倒计数， 输出32f，16f，8f ， 4f，2f，f 六种信号作为正弦表 ROM 的地址，取出 ROM 内贮存的准正弦波的 64 级内容，再控制 DA 转

44、换器输出准正弦波，经过滤波器平滑处理后的正弦波就是测试信号源鉴相器的参考信号源25假定正弦波产生的初相位为 O ，在微机的控制下，对分频器输出的 2f 和 4f 这两根信号线适当进行相位转换，即改变正弦表 ROM 初始地址的选取就可以对输出的准正弦波移相，从而得到四种(O ，90 ，180 或 270 )相位的准正弦波 (频率不变)来作为鉴相器的参考信号源(4) 鉴相器和双斜 AD 转换器。电路鉴相和 A/D 转换电路由输出是直流电压的乘法器、双斜积分器和以数字形式描述测量电压值的计数器组成。乘法器的作用是在一个 D/A 转换器内把被测信号与相位可控的参考信号相乘，输出的直流电压值与这二种输入

45、电压相位角差的余弦成比例。双斜 A/D 转换器包括三级电路。双斜积分器、比较器和计数器( 全部由微机通过 PIA 控制)。获得数据的时间获得数据的时间包括用于同步的等待时间和若干个积分周期的时间获得数据的时间与多种因素有关。测试频率的选择，测量速率的选择，积分时间系数的选择和用于同步的等待时间等等。3程序结构由于采用了微机及 GPIB 接口(IEEE 一 488)，仪器功能齐全、自动化程度高，还具、很强的元件分选功能，体现了智能仪器的特点仪器的程序结构由主程序( 见图 6.22)、键盘程序和子程序三部分组成，从流程图上也可以体现出仪器的自动选档、多次测量取平均值、对分布参数校正、对元件分选时数

46、据输入和自动元件分选等多种功能262711.3 智能数TRLC 测量仪周航慈.智能仪器原理于设计.北京：北京航空航天大学出版社，2005 年 3 月1131 概 述智能数字 RLC 测量仪就是在单片机控制下实现对电阻、电容和电感参数的数字化测量。RLC 测量仪主要有电桥测量法、谐振测量法和伏安测量法 3 种。(1)电桥法将被测参数与其他精密器件组成电桥，调节电桥器件的参数值，使电桥平衡，实现 RLC测量的目的。这种方法测量精确度较高，但需要反复调节电桥平衡，测量时间长，因而很难实现快速的自动测量。(2)谐振法是在激励信号的作用下使电路形成谐振点，测量出参数值。这种方法要求激励信号的频率高，频率

47、范围宽，一般不容易实现高精度测量；而且测试频率不固定，调节测试频率时间长，测试速度也较慢。(3)伏安法是最经典的方法，其测量原理是采用阻抗定义，即先测量流过 RLC 的相量电流，并测得RLC 阻抗两端的电压，再计算其比率便可得到被测阻抗的相量。显然，要实现这种测量方法，仪器必须能进行相量测量及相量除法运算。只有采用计算机技术才能实现这种测量方法。采用计算机实现 RLC 测量的电路测量原理如图 1116 所示。设计一个开关 S 进行切换，分别测量出 , 阻抗两端的电压，再由计算机迅速计算出结果，实现自动快速测量。图 1116伏安法测量原理框图假设 是已知恒流源， 为标准阻抗， 为被测阻抗，通过测

48、量分别测出 、 两端的电压相量值 、 ，通过阻抗电压比就可以计算出被测阻抗值 ，其计算公式为采用伏安法测量 RLC 参数时，必须选择好相位坐标轴的参考方向，这样相敏检波器的输出就是被测电压相量在坐标轴上的投影分量。对相位参考基准的选取方法，可以有固定轴法和自由轴法两种。固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与式(116)中分母位置上的相量一致，这样分母只有实部分量，相量除法简化为两个标量除法运算，为此利用双积分式 AD 转换器的比例除法特性即可实现。但这种方法必须坐标铀固定，才能确保参考 信号与被测信号之间精确的相位关系，硬件电路实现比较困难。28自由轴法必须严格保证被测参数相量在 z、y

49、 两个坐标轴上投影能准确正交，相敏检波器的相位参考基准(z、 y 坐标轴 )可以任意选择，这样，只要分别测量出 、 在直角坐标 z、y 轴上的分量( 或投影)， 经过四则运算，即可求出最后的结果。自由轴法测量相量图如图 1117 所示。下面以测量电容为例，建立推导出测量 RLC 参数的数学模型：式中：e 为 A/D 转换器的刻度系数，即每个数字所代表的电压值； 是 对应的数字量(i =1， 2，3，4)。因此坐标系一旦确定，两个相量之商即可表示为若 采用标准电阻 ，则有将式(117)代人式(118)得：被测参数的实部和虚部分别为由此可计算出斜率相位角 Dx为采用自由轴法对 、 在坐标轴上的分量要分别进行两次测量，这两次测量的 z、y 轴相位参考基准信号要求保持 90 的相位关系，这样测量出的分量分别输入到 AD 转换器转换成数字量，再经接口电