虚拟lcr测试仪的研究与设计文档格式.docx
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中文摘要
近年来出现的虚拟仪器突破了传统仪器的束缚,是仪器发展史上的一次革命。
本文研究并设计了基于虚拟仪器技术的LCR测试仪,并以LabVIEW为软件平台,开发了相应的控制界面。
该LCR测试仪采用经典的阻抗测量方法——自由轴法,实现对被测参数的测量。
系统由软硬件两部分组成。
硬件部分通过FPGA制作的地址译码器锁存电路实现与单片机的通信;
通过FPGA制作的数字波形ROM,实现正弦波激励源及四路基准相位信号的发生;
采用模拟乘法器芯片AD5428实现全波鉴相;
采用A/D转换芯片ADS1232实现模数转换功能。
软件部分采用虚拟仪器软件平台LabVIEW开发应用程序,实现数据的处理与操作界面的设计。
LCR测试仪通过计算机串口实现与计算机的通信。
设计的基于虚拟仪器技术的LCR测试仪工作稳定,取得了良好效果。
关键词LCR测试串行通信FPGALabVIEW
外文摘要
TitleResearchandDevelopmentofVirtualLCRInstrument
Abstract
Inrecentyears,theemergenceofthevirtualinstrumentisarevolutioninthehistoryofthedevelopment.Itbreakstheshacklesofthetraditionalinstruments,representingthelatestdevelopmenttrendoftheinstrument.Inthisresearch,thestructureanddesignofvirtualLCRtesterwhichisbasedonvirtualinstrumenttechnologyarestudied.Theconstructionprocessisalsodescribedandintroduced.AndthesoftwareplatformadoptsgraphicvirtualinstrumentsoftwareLabVIEWtodevelopmentthecontrolinterface.ThedesignoftheLCRtestboardbasedonthefree-axismeasurement,oneofthetraditionalmethodofmeasuringthemostclassicvoltammetry.TheresearchdescribestheLCRtestersystemfromtworespects,oneisthehardwareandtheotheristhesoftware.Inthehardwaresystem,useFPGAchipsin-houseproductionofaddressdecoderandlatchcircuittoachievecommunicationswithSingle-ChipMicrocomputer.UseFPGAchipsin-houseproductionofdigitalwaveformROMtoachievethefront-endexcitationsignalandthefour-wayreferencesignal.Twogroupofdiscretedigitalwaveformarecontrolledbythesameaddressaccumulatorandprogrammableclockcontrol,thereforeexcitationsignalandreferencesignalmayguaranteethesamefrequencystrictly.Selectanalogmultiplierphase-sensitivedetectorAD5428coreandusefront-endsinusoidalsignalasareferencesignal,toachievefull-wavephase.UsetheADS1232coretorealizetheanalog-to-digitalconversion..Inthesoftwaresystem,choosetheVirtualinstrumentsoftwareplatformLabVIEWtodevelopapplications,inordertorealizethedataprocessinganduserinterface.TheuniquegraphiclanguageofLabVIEWisapplicabletotheproductionofinstrument’sfrontpaneltoachievethevisualizationofmeasurementresults.LabVIEWprovidesalargenumberofVISAI/Olibrary,torealizewithGPIB,VXIortheserialportcomponent’sinterfacecorrespondence.ThehardwareoftheLCRtestercommunicatewiththecomputethroughthecomputerserial.LCRtesterdesignedbasedonvirtualinstrumenttechnologyworksstability,achievinggoodresults.
KeywordsLCRtestingserialcommunicationFPGALabVIEW
1引言
1.1论文研究背景
随着计算机技术和软件技术的发展,新的测量方法以及新的仪器结构不断出现。
近年来出现的虚拟仪器是仪器发展史上的一次革命,代表着仪器发展的最新方向和潮流。
虚拟仪器(VirtualInstrumentation)是指,在以通用计算机为核心的硬件平台上,由用户自己设计定义,具有虚拟的操作面板,测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。
它通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来,用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机,就像在操作自己定义、自己设计的一台仪器一样,从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等功能。
吉林大学虚拟仪器实验室成功的将虚拟仪器技术引入实验室,构建了集信号发生、数据采集、分析处理于一体的可重构实验系统VIETS(虚拟仪器实验教学系统)总线系统。
VIETS系统具有低成本、可重构等特点,它可以实现一套系统替代多种仪器设备的目的,从而提高了实验教学的效率与质量。
VIETS测试系统采用模块化的设计思想,将一些通用的测试仪器模块化,并按照一定的规范集成到一个机箱中。
系统硬件平台采用“一个控制器+多个功能模块”的结构,通过控制器模块控制各功能模块的工作。
系统软件平台采用图形化语言LabVIEW开发应用程序。
总体机构如图1-1所示,体系结构如图1-1所示。
预计模块化仪器包括:
任意波形发生器、数字存储示波器、多通道同步采集卡、LCR测试仪、频率计/计数器、矩阵开关、数字I/O和程控直流电源等。
图1-1VIETS测试系统体系结构
1.2论文研究意义
在电子产品中,电感(L)、电容(C)和电阻(R)是构成我们所有电子设备最基本的元器件,其特性直接关系到产品的性能质量,甚至所设计产品的成功与否。
在充满激烈竞争的电子行业中,要求电子产品必须具有越来越高的性能、质量及性价比,从而对所使用的元器件提出了更高、更严格的要求。
元器件在不同的信号频率、不同的信号电平下,其性能和技术指标会发生变化。
尤其在高频段,元器件参数以及元器件所表现出的特性变化更大。
所以,元器件虽然能满足出厂时的技术指标,但装入实际电路中会表现出不同的特性。
正如我们实际使用的电阻、电容、电感并不是理想的元件,而是存在着寄生电容、寄生电感和损耗。
因此,了解元器件在实际工作条件下的性能特性,有助于设计出高质量的电路,提高产品的性能和可靠性。
目前市面上的LCR测试仪,硬件电路往往比较复杂,体积比较庞大,不便携带。
而LCR测试仪性能的实现基本上都是依赖于硬件,要达到智能化就一定要采用更高性能的硬件电路,这样的代价是价格的昂贵与更新速度的缓慢。
虚拟LCR测试仪是以软件为核心的,其结合了计算机强大的信息处理能力,将一部分硬件所难以达到的功能交予软件来实现,使设计的投资小,更新速度快。
利用虚拟仪器技术研制具有较高稳定性和精密度的LCR测试仪是非常必要的。
该LCR测试仪板卡可以实现在工作中方便快捷的对所需要的无源器件,电感(L)、电容(C)和电阻(R)进行测量,从而了解元器件在实际工作条件中的特性。
另外LCR测试仪的开发可以丰富VIETS系统,使其更广泛的应用在实验教学当中。
1.3论文的主要内容
本文的第一章是引言部分,介绍了本题目的研究背景和研究意义。
在第二章中,首先对LCR参数的测量方法:
电桥法、谐振法、和伏安法,做了详细的研究和比较。
确定了本次设计进行测量的基本原理—伏安法中的自由轴法。
另外给出了系统的整体设计方案,分析了系统设计过程中的难点和关键技术。
在第三章中,给出了LCR测试仪硬件部分总体实现方案及具体实现方式。
文中分四个部分对系统硬件进行探讨。
第一部分为接口通信模块的设计与实现。
这部分是计算机与硬件板卡信息交流的通道,因此对该部分作了详细的论述。
第二部分为信号源的发生。
第三部分为相敏检波模块。
第四部分为A/D转换模块。
这部分对利用FPGA控制A/D转换的时序作了详细的介绍。
在第四章中,介绍了LCR测试仪软件部分。
给出了利用LabVIEW8.6开发系统应用程序的过程,并介绍了利用LabVIEW8.6设计的上层控制界面。
在第五章中,对系统的硬件部分、软件部分以及整体进行了测试,并给出了相应的测试数据和波形。
然后根据测试结果对系统误差进行了分析。
2系统测试原理与总体方案设计
2.1LCR测试原理的研究与选择
LCR参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法。
其中伏安法又分为固定轴法和自由轴法。
2.1.1平衡电桥法
电桥法实际上是一种比较测量法,即把被测量与同类性质的已知标准量进行比较,从而确定被测量的大小。
电桥有直流电桥和交流电桥之分。
直流电桥只能测量电阻,要同时测量L、C、R必须采用交流电桥,原理如图2-1所示。
其中
、
组成电桥的四个桥臂,G为检流计,
一般为输出幅度稳定的正弦信号,频率和输出阻抗可调以适应不同负载。
如果调节桥臂使流过检流计的电流
=0,则电桥平衡,有下式成立:
,即
。
(2-1)
图2-1
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- 关 键 词:
- 虚拟 lcr 测试仪 研究 设计