基于虛擬儀器技術的LCR測試儀的設計

1、年月第期（總第期）廣西輕工業(yè)機械與電氣基于虛擬儀器技術的測試儀的設計徐玓，張銀玲（解放軍蚌埠坦克學院實驗中心，安徽【摘蚌埠）要】本文首先分析了伏安法測量阻抗的原理，詳細介紹了伏安法測阻抗的計算方法，以此為基礎給出了一種基于的虛擬測試儀的設計方案，然后介紹了測試系統(tǒng)各個硬件部分的設計。該測試儀充分利用數據處理能力有效地實現(xiàn)了對阻抗的測量和分析?！娟P鍵詞】虛擬儀器；阻抗【中圖分類號】引言阻抗是電路研究中經常需要用到的參數，測量方法主要有電橋法、諧振法和伏安法三種。電橋法具有較高測量精度，其缺點在于需要進行反復電橋平衡調節(jié)，測量時間長，很難實現(xiàn)快速自動測量。諧振法要求有較高頻率的激勵信號，一般不易滿

2、足高精度測量的要求，由于測試頻率不固定，測試速度也很難提高。伏安法是最經典的阻抗測量方法，但儀器必須能進行矢量測量及除法運算。圖形化編程語言是美國公司推出的一種基于語言（，圖形化編程語言）的虛擬儀器軟件開發(fā)工具，能輕松方便地完成與各種軟硬件的連接，設置數據處理、轉換、存儲的方式，并將結果顯示給用戶。除了具備其他語言所提供的常規(guī)函數功能外，還集成了大量的生成圖形界面的模板，豐富的數值分析、數字信號處理功能以及多種硬件設備驅動程序。利用提供的強大數據處理能力來完成伏安法測量阻抗所需要的計算任務，我們研制了基于虛擬儀器技術的【文獻標識碼】【文章編號】（）精確相位差的相敏檢波器基準信號，其缺點在于硬件

3、相敏檢波器直接影響測量精度。為了避免此缺點，利用虛擬儀器技術改進傳統(tǒng)自由軸法，簡化硬件電路，以軟件相關算法準確測量和矢量，提高測量精度。通過相關算法檢測有效值、及相位差就可測量被測阻抗的虛實分量，這是研制基于虛擬儀器技術的阻抗測試儀的最基本思想。虛擬測試儀算法的實現(xiàn)基于虛擬儀器技術的測試儀特點在于軟件替代硬件，改進傳統(tǒng)測試方法。算法通過測量標準信號和待測信號之間的相位差和這兩個信號的有效值來準確估計待測元件參量。相關法估計相位差及有效值算法原理現(xiàn)假設被測阻抗信號和同頻標準阻抗參考信號分別為，周期為。它們的互相關函數為：（），（），相位差為（）!"（）（）（）（）" #$（）

4、由此可以得到：阻抗測試儀。虛擬測試儀的原理伏安法測量阻抗的原理基于歐姆定律，即阻抗可以表（）即（）式中，、分別為兩路同頻信號的幅度最大值。!（）述為：（）式中，為阻抗兩端壓降的有效值，為過流阻抗電流的有效值，為電壓與電流的相位差。根據（）式可以得到式中，（）圖正交法幅度測量算法原理圖，為伏安法測量系統(tǒng)中同樣我們可以用兩路信號的自相關函數測量出、但是。實際工程環(huán)境中，存在隨機噪聲的干擾，數據采集獲取的數據含有噪聲，帶噪信號自相關函數在主峰處誤差極大，造成嚴重測量誤差（互相關函數具有很強的噪聲抑制能力），實際工程中有必要對自相關幅度測量進行改進。考慮到測試信號的頻率是已知的，所以，可以擬合產生標準

5、正弦信號和余弦信號，待測信號分別和兩路標準信號作互相關，準確檢測幅度、，避開自相關運算，大大增強了噪聲抑制能力。圖所示即為如上所述的標準阻抗電壓。傳統(tǒng)設計方案有固定軸法和自由軸法之分，固定軸法的缺點在于為了固定坐標軸，確保參考信號與被測信號之間的精確相位關系，硬件電路要付出相當大的代價。自由軸法無須固定坐標軸，相敏檢波器的相位參考基準可以任意選擇，是近年來智能阻抗測試儀大多選用的設計方案。自由軸法關鍵在于產生徐玓（），男，安徽壽縣人，蚌埠坦克學院講師，碩士?！咀髡吆喗椤空环ǚ葴y量原理框圖。設待測信號和正弦信號的互相關結果（）為：樣存儲電路、激勵信號發(fā)生電路和通信模塊四大模塊。前端測試電路產

6、生兩路同頻信號，一路為待測元件上產生的信（）號，另一路為標準電阻上產生的信號。雙通道同時采樣電路對這兩路信號同時采集，轉化成數字信號。激勵信號發(fā)生電路產生頻率可變的激勵信號。通信模塊實現(xiàn)數據傳輸功能，將（）底層數據高速傳輸至上層，并控制各單元電路協(xié)調工作。系統(tǒng)框圖如所示。（）測信號和余弦信號的互相關結果（）為：（）測信號和正弦信號相位差式中，為擬合信號幅值。式（）得出幅值為：因此，可有式（）、式中，為待測幅值，為正弦信號和余弦信號幅值，為待號有效值為：! （）（）（）綜上，兩信號有效值和相位差可以表述成（）、（）和（）。信! （）（）（）! （）（）（）圖系統(tǒng)原理框圖信號相位差為：（）&quo

7、t;（）式中，為擬合信號的幅值，、為待測信號和標準信號的有效值。采用正交法實現(xiàn)幅度測量增加了計算量，但是解決了自相關噪聲誤差，增強了噪聲抑制能力，大大提高了測量精度。另外，由于阻抗測試的測試頻率已知，擬合光滑正弦信號和余弦信號方便可行，突出體現(xiàn)了虛擬儀器技術的計算機優(yōu)勢。圖虛擬阻抗測試儀界面前端測量電路設計前端測量電路的作用是分別測出流經被測元件的電壓、代表恒定電流大小的基準電壓。測試儀的前端測量電路由差分放大器、轉換器和輸入放大器三部分組成。和參量測試算法原理由伏安法測試原理可以得到如下表達式：（）信號通過差分放大器放大之后，分別送人程控放大器放大。放大器的增益通過微控制單元控制，程控放大器

8、的輸出送入同時采集系統(tǒng)進行采集量化。式中，、為了測量信號的有效值，為標準電阻，為實部分量為：兩信號的相位差。由（）可以得到虛、激勵信號產生電路設計（）（）考慮到激勵信號源對頻率精度、頻譜純度和穩(wěn)定度的要求，系統(tǒng)采用專用數字頻率合成（）芯片公司提供的產生激勵正弦信號。內部包括可編程系統(tǒng)、高性能及高速比較器，能產生頻譜純凈、頻率和相位都可編程的模擬正弦信號。在時鐘下，輸出頻串分辨率達，并且在供電時功耗僅為。式中，、實部分量。分別為待測阻抗的虛、從理論上分析，待測阻抗的實部反映了測試元件的電阻性，虛部反映了測試元件的電容或者電感性。虛部為負，表明電壓滯后電流，測試元件呈容性；虛部為正，表明電壓超前電

9、流，測試元件呈感性；虛部為零，測試元件呈純電阻性。測試儀利用同時采樣系統(tǒng)獲取兩路帶噪信號，通過正交法估計兩路同頻信號幅度有效值，獲取幅度有效值后，采用互相關手段求解兩路信號的相位差，最后根據、和計算公式求解待測參數。通過虛部和實部之間的關系可以確定待測元件的類型，實現(xiàn)自動識別、自動測量。雙通道同時采樣及存儲電路設計雙通道同時采樣是系統(tǒng)設計關鍵，為了降低測量誤差，必須保證信號通道特性的一致性，降低通道不對稱導致的相位誤差?；诖?，我們的設計選用了美國德州儀器提供的雙通道同時模數轉換芯片。其最高采樣率可達，并具有位的數據分辨率，推薦工作下功耗僅有，適合低功耗環(huán)境。系支持差分輸入和單端輸入兩種模式。

10、統(tǒng)構成單端輸入模式，其中共模信號端直接和內部基準源相連，使得輸入信號動態(tài)范圍在。采用串行數據總線接口，利用大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷崿F(xiàn)串測試儀硬件系統(tǒng)設計測試儀硬件系統(tǒng)分為前端測量電路、雙通道同時采（下轉第頁）! （，）" ；如圖所示?；欤ǎ? （，）"&(&(合矩陣以及分離矩陣為：#$%#$%圖分離后信號從分離結果看，分離出來的信號只有相位和順序與源信號稍有不同，分離效果良好。并且隨著采樣點數的增加，分離的效果會更好。本實驗的采樣點為?；旌虾蟮男盘柸鐖D所示。分離后估計出的信號如圖所示。結語本文先介紹了負熵的定義，接著提出了以負熵為非高斯性準則的獨立分量分析算法

11、?？朔艘郧投葹闇蕜t的算法的缺陷，魯棒性較好，且由于采用了簡單的負熵估計方法，在一定程度上降低了計算的復雜度。實驗結果表明分離效果良好。參考文獻，圖信號源，：，：，（）：，（）：圖混合信號（上接第頁）轉并，并控制模數轉換時序，將每次轉換數據自動存入存儲單元，提高了數據采集、存儲效率。為了簡化存儲系統(tǒng)設計，存儲單元采用實現(xiàn)。需要注意的是采用外部時鐘輸入方式，每個時鐘周期轉換一次，所以為了得到最大的數據轉換速率，輸入時鐘應該設置為信號產生電路的控制。系統(tǒng)測試結果系統(tǒng)利用強大的實現(xiàn)基于互相關原理的、和參數檢測，達到了比較滿意的效果，和傳統(tǒng)儀器相比有著更高的測量精度?；谄脚_的測試界面如圖所示。參考文獻徐愛鈞著智能化測試儀表原理與設計北京：北京航空航天大學出版社，。在設計時，為了保證的工作性能，系統(tǒng)對模擬電源、數字電源分別用高頻磁珠、濾波電容構成去耦電路，達到良好的高頻去耦效果。通訊模塊硬件的設計系