基于DDS的寄生電感測量儀設(shè)計

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(dāng)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?？梢?， 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(dāng)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。基于AD9854 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(zé)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