基于正交采樣算法的RLC智能測量儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳正振

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧　530023)

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基于正交采樣算法的RLC智能測量儀設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

陳正振

(廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧530023)

摘要：為解決對電阻、電容、電感等阻抗元件的智能識別和高精度測量等關(guān)鍵技術(shù)問題，以單片機(jī)為核心控制器采集測量數(shù)據(jù)，并通過正交采樣算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，智能識別待測元件種類，精確測量元件參數(shù)，并實(shí)現(xiàn)在線測量、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、快速測量、數(shù)字化顯示等功能.測試結(jié)果表明，該智能測量儀具有測量精度高、測量范圍廣、使用操作便捷、智能化集成度高等優(yōu)勢，符合智能電子測量儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢和實(shí)際應(yīng)用需要.

關(guān)鍵詞：正交采樣算法；智能識別；高精度測量；單片機(jī)技術(shù)

0引言

進(jìn)入21世紀(jì)以來，應(yīng)用電子技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)日新月異發(fā)展，對各類電子測量儀器設(shè)備的參數(shù)性能也提出了更高的要求.以單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)為核心控制器，數(shù)字化、智能化、高精度、高可靠性成為新一代智能電子測量儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢.在實(shí)際的應(yīng)用電路中，電阻(R)、電感(L)、電容(C)是最基礎(chǔ)，也是應(yīng)用最廣泛的電子元器件，利用RLC測量儀合理的選擇電子元器件，并精確的測量其參數(shù)是確保整個(gè)電路系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的重要保證.

傳統(tǒng)的RLC測量儀器主要采用伏安法、電橋法和諧振法等技術(shù)原理，普遍存在測量范圍較窄、測量精度不足、智能化程度不高、操作使用煩瑣、測量結(jié)果讀取不直觀等問題.經(jīng)理論研究和實(shí)踐測試，基于正交采樣算法，并以單片機(jī)為核心控制器的RLC智能測量儀可以實(shí)現(xiàn)元器件在線測量和智能識別、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換、快速測量、數(shù)字化顯示等多種功能，較傳統(tǒng)的測量儀具有測量精度高、測量范圍廣、使用操作便捷、智能化集成度高等優(yōu)勢，符合智能電子測量儀器設(shè)備的發(fā)展趨勢和實(shí)際應(yīng)用需求，在工業(yè)測控技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、數(shù)碼電子產(chǎn)品維修等領(lǐng)域中將具有較為廣闊的應(yīng)用前景.

1系統(tǒng)原理分析

在正弦交流電路中，電阻、電容、電感這三種阻抗元件相量形式的伏安關(guān)系各不相同，為正交采樣提供了可行性.

1.1元件阻抗特性分析

在正弦交流電路中，電阻的伏安關(guān)系為：

u=R×i

(1)

其中u和i分別代表交流電壓和交流電流，可以把公式(1)以交流形式表示為：

Ucos(wt+θ1)=RIcos(wt+θ2)

(2)

將公式(2)化簡后可以得到：

U=R×I

(3)

因此，在正弦交流電中，電阻元件的電壓與電流相位相同，即：

θ1=θ2

(4)

相量圖如圖1所示.

圖1　電阻相量圖

在正弦交流電路中，電容的伏安關(guān)系為：

i=C(du/dt)

(5)

其中u和i分別代表交流電壓和交流電流，可以把公式(5)以交流形式表示為：

Icos(wt+θ2)=C{d[Ucos(wt+θ1)]/dt}

(6)

將公式(6)化簡后可以得到：

I=wCU

(7)

因此，在正弦交流電中，電容元件的電流相位超前電壓相位90°，即：

θ1=θ2-90°

(8)

相量圖如圖2所示.

圖2　電容相量圖

同理，在正弦交流電路中，電感的伏安關(guān)系為：

u=L(di/dt)

(9)

將公式(9)化簡后可以得到：

I=wCU

(10)

因此，在正弦交流電中，電感元件的電流相位滯后電壓相位90°，即：

θ1=θ2+90°

(11)

相量圖如圖3所示.

圖3　電感相量圖

1.2正交采樣原理分析

正交采樣可對中頻信號進(jìn)行采樣，并將采樣結(jié)果進(jìn)行數(shù)字信號處理，形成同相信號I(In-phase)和正交信號Q(Quadrature)，再通過正交相干檢波，從而得到一致性好、精度高的正交信號，以提高系統(tǒng)的性能.

根據(jù)電阻、電容、電感的阻抗特性分析結(jié)果，假設(shè)將電阻和電容串聯(lián)，并在串聯(lián)電路兩端加載正弦交流電壓，因?yàn)樵诖?lián)電路中電流的幅度和相位都是相同的，所以加載在電阻上的電壓比加載在電容上的電壓超前90°.同理，假設(shè)將電阻和電感串聯(lián)，則加載在電阻上的電壓比加載在電感上的電壓滯后90°.又根據(jù)阻抗Z的計(jì)算公式：

Z=R+jX

(12)

可知在交流電路中實(shí)部與虛部之間的相位差也為90°.因此，所謂正交采樣法是指在采樣交流信號時(shí)，只要在任一時(shí)刻采樣一次得到交流電V1，然后相移90°再采樣一次得到交流電V3，那么用V1和V3就可以完整的表示該交流電信號如下式：

(13)

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

RLC智能測量儀采用微芯公司的高速、高性能的單片機(jī)PIC16F877為核心控制器，整個(gè)系統(tǒng)主要由基準(zhǔn)信號發(fā)生電路、高精度儀用差分式放大電路、電位提升電路、量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路等主要部分組成.系統(tǒng)框圖如圖4所示.

首先，由晶振、多諧振蕩器、分頻器和積分電路構(gòu)成的基準(zhǔn)信號發(fā)生電路產(chǎn)生頻率為1 KHz的正弦交流電基準(zhǔn)信號，并將基準(zhǔn)信號加載至由待測元件與基準(zhǔn)電阻構(gòu)成的分壓電路中.

其次，由高精度儀用差分式放大電路對經(jīng)過分壓電路的交流電壓進(jìn)行放大，并將放大后的交流信號通過電位提升電路.因?yàn)樵诮涣餍盘栔须妷核矔r(shí)值是周期性變化的，在負(fù)半周期時(shí)交流電壓瞬時(shí)值可能為負(fù)值，而負(fù)值電壓不便于進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換.所以通過電位提升電路將信號整體提高2.5 V的直流分量，以確保交流電壓在整個(gè)周期中瞬時(shí)值均為正值.

然后，通過高速A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)時(shí)采集正弦交流信號的電壓瞬時(shí)值，并將采集結(jié)果送至單片機(jī).單片機(jī)根據(jù)采樣結(jié)果控制量程自動(dòng)轉(zhuǎn)換電路選擇合適的量程檔位，以實(shí)現(xiàn)差分式放大電路的自動(dòng)增益控制.

最后，單片機(jī)通過正交采樣算法對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，并顯示測量結(jié)果.

圖4　RLC智能測量儀系統(tǒng)框圖

2.1硬件電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在RLC智能測量儀的硬件電路中高精度儀用差分式放大電路是核心模塊.因?yàn)椴罘质椒糯箅娐肥菍蓚€(gè)輸入端之間的差值進(jìn)行放大，從而對外界干擾輸入的共模信號有很強(qiáng)的抑制作用，所以，儀用差分式放大電路可以有效地提高測量精度和測量儀的抗干擾性.儀用差分式放大電路如圖5所示.

圖5　儀用差分式放大電路

在圖5中，ZX為待測元件，R為基準(zhǔn)電阻，輸入電壓分別為X、Y輸入儀用差分式放大電路.根據(jù)理想運(yùn)放的“虛短”概念，電阻R1兩端的電壓為：

VR1=VX-VY

(14)

又因?yàn)椋?/p>

VR1/R3=(VA2-VA3)/(2×R2+R1)

(15)

VO=(R4/R3)(VA2-VA3)

(16)

所以：

VO=-R4/R3(1+2×R2/R1)(VX-VY)

(17)

2.2軟件程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

RLC智能測量儀的軟件程序主要由量程選擇、A/D采集、運(yùn)算處理、元件識別等子程序組成.軟件程序流程圖如圖6所示.

圖6　軟件程序流程圖

當(dāng)待測元件接入測量電路后，單片機(jī)首先對串聯(lián)分壓電路的交流電壓進(jìn)行一次采集，并根據(jù)采集得到的電壓瞬時(shí)值，驅(qū)動(dòng)模擬開關(guān)選擇適當(dāng)?shù)幕鶞?zhǔn)電阻接入分壓電路，實(shí)現(xiàn)量程自動(dòng)切換的功能，以確保測量的精確性.

選擇合適的量程后，進(jìn)入到A/D采集程序.為提高測量精度，程序進(jìn)行六次循環(huán)正交采樣，并將六次采樣得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行升序排列，去掉一個(gè)最大值，一個(gè)最小值，剩余的四個(gè)數(shù)據(jù)取平均值，以濾除外界干擾對測量結(jié)果的影響.

最后，將采樣得到的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理，從而實(shí)現(xiàn)元件類型智能識別的功能，并顯示測量的結(jié)果.

3正交采樣算法及智能識別

(18)

3.1正交采樣算法

根據(jù)正交采樣原理，只需要在一個(gè)任意正交坐標(biāo)系中實(shí)時(shí)采樣到兩個(gè)相位相差90°的電壓分量V1和V3就可以完整的表示該交流電信號.

(19)

(20)

將公式(19)、(20)代入(18)，得：

(21)

令：

A=V1·V2+V3·V4

B=V2·V3-V1·V4

則公式(20)可化簡為：

(22)

再令：

則：

ZX=RX+jX

(23)

其中，RX、X分別表示待測元件阻抗值ZX的電阻部分和電抗部分.

3.2元件智能識別

根據(jù)以上正交采樣算法的相關(guān)公式，將正交采樣值V1、V2、V3、V4代入后，可以求出待測元件的電抗值X.根據(jù)電抗值X的計(jì)算公式：

X=wL-1/wC

(24)

可以得出結(jié)論，當(dāng)X=0時(shí)，則可判定待測元件為電阻，當(dāng)X<0時(shí),則可判定待測元件為電容；當(dāng)X>0時(shí),則可判定待測元件為電感.所以，通過單片機(jī)軟件程序分辨待測元件的電抗值X的符號，便可以實(shí)現(xiàn)智能識別待測元件種類的功能.

4測試結(jié)果分析

為實(shí)際檢驗(yàn)系統(tǒng)的智能識別功能和測量精度，對多個(gè)待測元件進(jìn)行實(shí)際測試.測量相對誤差r=(X1-X0)/X0，其中，X1為實(shí)際測量值，X0為待測元件標(biāo)稱值.具體測試數(shù)據(jù)如表1所示.

表1　測試數(shù)據(jù)表

根據(jù)實(shí)際測量結(jié)果表明， RLC智能測量儀可以對電阻、電容、電感等待測元件進(jìn)行智能識別和測量，其中，電阻測量范圍：0.1Ω～10 MΩ，測量精度±1%；電容測量范圍：1 pF～10000 uF，測量精度±5%；電感測量范圍：10 uH～10000 uF，測量精度±5%.

5結(jié)語

經(jīng)過測試，基于正交采樣技術(shù)，以單片機(jī)為核心控制器的RLC智能測量儀各項(xiàng)功能和參數(shù)指標(biāo)都已經(jīng)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，具備在線測量、智能識別待測元件、高速高精度測量和數(shù)字化顯示等功能.具有性能穩(wěn)定、攜帶方便、操作靈活的特點(diǎn)，可以有效提高測量儀的工作效率，在工業(yè)測控、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)碼電子產(chǎn)品維修等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景.

[參考文獻(xiàn)]

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[責(zé)任編輯蘇琴]

[責(zé)任校對黃招揚(yáng)]

Design and Implementation of RLC Intelligent Measuring Instrument Based on Quadrature Sampling Algorithm

CHEN Zheng-zhen

(GuangxiVocationalandTechnicalCollegeof

Communications，Nanning530023，China)

Abstract:In order to solve the key technical problems of intelligent recognition and high precision measurement for the impedance element such as resistors, capacitors, inductors and so on, based on orthogonal sampling algorithm for data analysis and processing, the intelligent measuring instrument discerns the recognition of the measured elements automatically and achieves on. line measurement, automatic conversion range, rapid measurement, digital display and so on by using single-chip microcomputer as the core controller to collect measurement data. The Test results show that the intelligent measuring instrument has advantages such as high measurement precision, wide measurement range, operation convenient and intelligent integration which are conformed to the needs of the development trend and the actual applications for intelligent electronic measuring instruments and equipment.

Key Words:Quadrature Sampling Algorithm； Intelligence Identification； High precision measurement；Single chip technology

中圖分類號：TM932

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1673-8462(2016)01-0086-05

作者簡介：陳正振(1983-)，男，廣西柳州人，碩士，廣西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院講師，工程師.研究方向：電子信息工程技術(shù).

基金項(xiàng)目：廣西高校科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目資助(2013YB308).

收稿日期：2015-12-20.