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文檔簡介
1、基于DDS的寄生電感測量儀設(shè)計 中心議題: · 基于DDS的寄生電感測量儀的測量原理 · 寄生電感測量儀的掃頻發(fā)生器設(shè)計 · 寄生電感測量儀的諧振點檢測電路分析 · 寄生電感測量儀的主要軟件流程設(shè)計解決方案: · 基于DDS的寄生電感測量儀的設(shè)計
2、160; · 采用網(wǎng)絡(luò)分析儀檢測寄生電感測量儀的測量結(jié)果精確的測量寄生電感, 對于電容的合理應(yīng)用具有十分重要的意義。本文介紹了一種利用LC 諧振原理測量電容自身寄生電感的方法。利用直接數(shù)字合成器產(chǎn)生可編程的掃頻信號激勵含有寄生電感的電容,同時采用對數(shù)檢波器對經(jīng)過待測網(wǎng)絡(luò)后的信號進行檢波,在利用AD 轉(zhuǎn)換器采集檢波器輸出的直流信號。利用特定的程序算法比較連續(xù)的頻率點的輸出電平,最終找出諧振點頻率,求出電容的自身寄生電感。該方案由于采用了不同于常規(guī)LCR 電橋的原理,非常適合微小電感的測量,即使對于射頻領(lǐng)域使用的微小電感也可以精確測量。其測試結(jié)果與采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試的結(jié)果十分接
3、近,基本可以滿足大多數(shù)應(yīng)用場合。0 引言實際的電容元件存在著分布參數(shù),其中對電容本身特性影響最大的是寄生電感,這些寄生電感與電容本身構(gòu)成諧振回路,使電容在使用時有了一定的局限性,因此,能夠測量出電容本身寄生電感的大小,可以在使用時更合理的選擇電容元件。由于寄生電感的電感量很小,多為nH 級別,導(dǎo)致絕大部分LCR 電橋無法測量電容本身的寄生電感。為了準確的測量寄生電感,文中描述了一種利用自諧振原理的測量方法,結(jié)合DDS 掃頻技術(shù)可以快速完成寄生電感的測量,其測量方法簡單精確,將能夠滿足大多數(shù)場合的應(yīng)用。1 測量原理實際電容由于制造的工藝導(dǎo)致本身存在
4、寄生電感和寄生電阻, 其等效電路模型如圖1 所示。圖1 實際電容等效電路模型其中C 為實際電容本身的標稱電容, L 是其寄生電感, Rp是其并聯(lián)等效電阻, Rs 是其串聯(lián)等效電阻。寄生電阻會對經(jīng)過電容的信號造成衰減, 但不會影響電容本身的頻率特性。寄生電感會與電容構(gòu)成串聯(lián)諧振回路, 會使實際的電容在某個頻率上發(fā)生諧振, 這種現(xiàn)象稱為電容的自諧振 。實際電容的阻抗和頻率特性曲線如圖2 所示。圖2 實際電容頻率特性曲線圖2 中的f 0 是電容與其寄生電感構(gòu)成的諧振回路的諧振頻率, 稱之為自諧振頻率, 實線部分為實際的電容頻率特性曲線, 虛線為理想無寄生電感的電容
5、特性曲線??梢姡?在低于自諧振頻率時, 電容呈現(xiàn)容性, 阻抗隨頻率增高而減??; 然而當頻率超過自諧振頻率時, 電容表現(xiàn)出阻抗隨頻率增高而上升的趨勢, 這恰好是電感的特性。該曲線表明實際的電容僅能工作于自諧振頻率以下, 高于自諧振頻率時, 電容則表現(xiàn)為感性, 無法再繼續(xù)作為電容使用了。可見, 準確的測得電容的自諧振頻率, 求出其寄生電感, 對于電容的正確使用有著非常重要的意義。然而該電感往往非常小, 通常為nH 級別, 一般的LCR 電橋無法測量這種微小的電感。因此就需要一種不同于電橋法的測量這種微小電感的方法。由電感和電容構(gòu)成的LC 串聯(lián)回路的諧振頻率為:同時諧振發(fā)生時整個LC 回路表現(xiàn)出的阻
6、抗為純阻性, 即感抗和容抗之和為零。利用這個原理, 使用一個掃頻信號激勵待測電容, 測量出諧振頻率, 再結(jié)合式(1) 即可測出寄生電感的大小 。根據(jù)該原理, 設(shè)計1 個掃頻發(fā)生器產(chǎn)生掃頻信號激勵待測電容, 然后找出諧振點, 讀出諧振頻率即可求出電容的寄生電感。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。其中最核心的部分就是掃頻發(fā)生器和諧振點檢測電路。圖3 寄生電感測試裝置功能2 掃頻發(fā)生器掃頻發(fā)生器在本系統(tǒng)中產(chǎn)生寬頻帶掃頻信號以激勵待測電容, 當電容較大時,以常見的電解電容為例,假設(shè)電容為1 000 F, 其寄生電感為100 nH, 則按照式(1)可計算出其
7、自諧振頻率為15. 9 kHz, 諧振頻率較低;另以瓷片電容為例, 假設(shè)其電容值為10 pF, 寄生電感約為10 nH, 則其自諧振頻率為500 MHz 這兩個信號頻率相差了4 個數(shù)量級, 這就需要1 個寬帶的信號發(fā)生器, 這也是本部分的設(shè)計難點所在。若采用傳統(tǒng)的模擬信號發(fā)生的方法, 為了實現(xiàn)信號頻率的可調(diào), 一般會采用變?nèi)荻O管構(gòu)成的LC 振蕩器, 然而在信號頻率較低時, 所需要的變?nèi)荻O管的電容量會很大,而傳統(tǒng)的變?nèi)荻O管電容值一般只是幾個pF 至幾百pF ,很難滿足低頻振蕩要求。為了簡化掃頻電路, 以及實現(xiàn)數(shù)字化控制, 這里采用DDS 技術(shù)產(chǎn)生寬帶信號。DDS 采用的是DA 轉(zhuǎn)換器的原理
8、, 通過計數(shù)器累加實現(xiàn)的連續(xù)波形輸出 , 而DDS 芯片外圍電路簡單, 通過寫它的寄存器便可實現(xiàn)信號頻率的調(diào)節(jié), 同時產(chǎn)生的信號頻率分辨率高,一般可以達到0. 01 Hz 級別, 信號頻率的跨度大, 可以實現(xiàn)從幾Hz 到幾百MHz 的連續(xù)信號, 非常適合做掃頻發(fā)生器。這里采用了AD9854 這款DDS 芯片, 它在300 MHz 時鐘驅(qū)動下, 按照乃奎斯特采樣定律可以產(chǎn)生最高150 MHz 的信號,為了得到信號較好的頻率則一般只得到最高100 MHz 的信號。若要得到高于100 MHz 的信號, 則可采用其高次諧波得到?;贏D9854 的信號發(fā)生電路如圖4 所示。限于篇幅,僅畫出了關(guān)鍵的輸出
9、部分和電流設(shè)置部分。AD9854 內(nèi)置4 12 倍頻的時鐘倍頻器, 因此可以外加1 個較低頻率的時鐘,通過倍頻器倍頻至300 MHz, 這樣可以極大的降低高速片外時鐘對系統(tǒng)造成的電磁兼容性問題。AD9854 內(nèi)部有1個頻率控制字寄存器,通過寫該寄存器的值便可以改變輸出信號的頻率, 非常適合數(shù)字控制。同時由于時鐘采用的時晶體振蕩器,因此輸出頻率的穩(wěn)定度和分辨率都非常高, 一般為10- 6數(shù)量級。圖4 AD9854 信號發(fā)生電路3 諧振點檢測電路諧振點檢測電路主要由檢波器和AD 轉(zhuǎn)換器組成, 其中常用的檢波器有峰值檢波器、有效值檢波器和對數(shù)檢波器。由
10、于這里的檢波只是為了檢測出諧振點, 因此對檢波器的種類沒有特殊要求, 這里采用AD8307 這款寬帶對數(shù)檢波器。A D8307 可以實現(xiàn)DC 500 MH z 頻率范圍內(nèi)的對數(shù)檢波器, 其輸出為直流電壓, 輸出與輸入功率( 以dBm為單位) 呈線性關(guān)系。由于該檢測電路只是檢測出諧振點,即圖2 中的最低點, 只是一個比較關(guān)系, 并未對檢測到的最低點的電平精度有很高要求, 因此對采樣電路的精度要求不高,又因為對數(shù)檢波器的輸出是直流信號, 所以常見的大多數(shù)低速AD 轉(zhuǎn)換器都可以滿足要求。這里采用串行8 位的AD 轉(zhuǎn)換器TLC549。TL549 采用三線制串行控制方法, 很方便與單片機控制器接口。該檢
11、測電路的原理圖如圖5 所示。圖5 諧振點檢測電路4 主要軟件流程設(shè)計單片機采用Atmeg16, 分別控制DDS 和AD 轉(zhuǎn)換器,同時負責對計算結(jié)果進行分析。單片機每次控制DDS輸出1 個信號,同時采集這個信號經(jīng)過待測電路后的響應(yīng)結(jié)果,這樣的動作每重復(fù)3 次就進行一次比較,因為諧振點的電平是最低的,因此如果采集的3 次數(shù)據(jù)中的中間一次數(shù)值最小,則該數(shù)值就是諧振點處的電平值,記下此時的頻率f , 利用式(1) 可知:從而由式(2) 求出L 值。主要程序的流程圖如圖6所示。圖6 主要程序流程5 實驗數(shù)據(jù)分析采用網(wǎng)絡(luò)分析儀來檢驗所設(shè)計的測試儀
12、的測試結(jié)果。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量寄生電感的方法為: 測量待測電容并聯(lián)情況下的正向傳輸曲線, 得到如圖1 所示的曲線, 讀出陷波點頻率, 并根據(jù)式(1) 計算出寄生電感值。表1 顯示了使用文中描述的測試儀測量的3 種數(shù)量級的電容器寄生電感的結(jié)果與采用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量結(jié)果的對比情況, 表1中所示結(jié)果為多次測量取平均值之后的最終結(jié)果。表1 寄生測試結(jié)果由表1 可見, 對于這3 種數(shù)量級的電容, 其測試結(jié)果誤差均在9%以內(nèi), 基本可以滿足大多數(shù)場合的應(yīng)用要求。由表1 還可看出測量誤差會隨電容值的減小而增大, 這種現(xiàn)象是由于掃頻信號的分辨率低造成的, 提高掃頻信號的分辨率可以進一步降低該誤差。另外, 該儀器對于小于100 pF 的電容無法測量其寄生電感, 因為所需的激勵信號頻率已經(jīng)超出A D9854
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