基于虛擬儀器的阻抗參數(shù)測量系統(tǒng)的研究

李鳳婷， 李 冶， 孟兆海， 劉名揚

(吉林大學 a. 儀器科學與電氣工程學院， 長春 130026; b. 地球科學學院， 長春 130061)

基于虛擬儀器的阻抗參數(shù)測量系統(tǒng)的研究

李鳳婷a， 李 冶a， 孟兆海b， 劉名揚b

(吉林大學 a. 儀器科學與電氣工程學院， 長春 130026; b. 地球科學學院， 長春 130061)

設(shè)計了一種基于FPGA和虛擬儀器技術(shù)的阻抗測量系統(tǒng)。其原理為利用DDS直接數(shù)字頻率合成技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)系統(tǒng)的激勵信號與基準信號，通過V-I法將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓進行測量，利用相敏檢波器濾除交流信號，便于對電壓進行采集，再通過A/D進行轉(zhuǎn)換，并通過總線實現(xiàn)系統(tǒng)與微處理器的數(shù)據(jù)通信，最后以LabVIEW軟件進行數(shù)據(jù)處理，通過軟件界面進行數(shù)據(jù)顯示和系統(tǒng)控制，從而實現(xiàn)對各個參數(shù)的測量和顯示。系統(tǒng)采用虛擬儀器與計算機相結(jié)合的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不僅操作簡單方便，而且便于控制。另外，該系統(tǒng)具有測量精度高，容易實現(xiàn)的特點，并且廣泛適用于實驗研究與工業(yè)測控等相關(guān)領(lǐng)域。

現(xiàn)場可編程門陣列; 直接數(shù)字合成器; 虛擬儀器; 阻抗測量; 高精度

0 引 言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，對電子產(chǎn)品的精度要求越來越高。電子產(chǎn)品最常用的元器件為電阻、電容、電感。其中，阻抗是元器件固有的最基本的特性，因此在提高電子產(chǎn)品精度的過程中阻抗的測量就顯得尤為重要。目前，能夠?qū)M成電路的元器件參數(shù)進行測量的儀器有很多，它們的測量方法也各不相同，但隨著對電子產(chǎn)品精度要求的提高，它們的弊端也逐漸顯露出來[1]。虛擬儀器技術(shù)的發(fā)展，為我們提供了一種靈活、高效的解決方案，它改變了傳統(tǒng)儀器的測量模式，使原本松散結(jié)合且不兼容的測量系統(tǒng)發(fā)展成緊密結(jié)合的虛擬測量系統(tǒng)[2]。虛擬儀器的出現(xiàn)開辟了儀器技術(shù)的新紀元，它是多門技術(shù)與計算機技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其基本思想是利用計算機來管理儀器、組織儀器系統(tǒng)[3]，將傳統(tǒng)儀器中部分硬件電路用軟件來設(shè)計實現(xiàn)[4]。基于上述特征，本文研究并設(shè)計了一種新的虛擬阻抗測量系統(tǒng)，有機地將虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器結(jié)合起來，具有精度高，測量簡便且容易實現(xiàn)的特點。

1 測量原理

目前，對元器件的參數(shù)測量方法主要有電橋法、I-V法、RFV-I法和網(wǎng)絡(luò)分析法4種。電橋法因測量精度高被廣泛應用，但在測量的過程中也存在著測量時間長、橋路復雜不易實現(xiàn)、價格昂貴等問題[5]。RFV-I法與網(wǎng)絡(luò)分析法則適用于射頻、微波頻段的阻抗測量，雖然具有較高的測量精度，價格十分昂貴[6]。在本系統(tǒng)中選用V-I法來實現(xiàn)對阻抗的測量，測量原理如圖1所示。

該方法源于阻抗的定義，通過歐姆定律實現(xiàn)對參數(shù)的測量，通過對圖1的分析可以得出：

(1)

式中：Zx為被測阻抗，Zs為標準阻抗，Zx、Zs兩端的矢量電壓分別為Ux與Us，通過Zx與Zs的電流相同。根據(jù)矢量的不同表示法，式(1)還可以用下式表示：

(2)

式中：U1、U2分別為Ux的實部分量和虛部分量，U3、U4分別為Us的實部分量和虛部分量。只需測量Ux與Us的實部與虛部分量，并進行矢量除法運算就可以得到被測阻抗Zx[7]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

本系統(tǒng)主要由硬件設(shè)計與軟件處理兩部分組成：硬件部分主要包括激勵信號模塊、測量電路模塊和數(shù)據(jù)處理模塊等；軟件部分主要包括軟件界面設(shè)計和數(shù)據(jù)處理。其總體方案設(shè)計如圖2所示。

系統(tǒng)的信號源是由FPGA和D/A轉(zhuǎn)換芯片進行DDS合成設(shè)計實現(xiàn)，并通過濾波處理得到頻譜純凈的正弦波。其產(chǎn)生的信號頻率為0.1～50 kHz，幅度為0.005～1.5 V，能夠滿足系統(tǒng)的測量要求。測量電路中采用端對結(jié)構(gòu)引入被測元件，可以降低外界干擾，提高測量精度。相敏檢波器通過全波鑒相來分離測量電壓的實部和虛部，降低矢量除法的計算難度。再通過A/D轉(zhuǎn)換電路將獲得的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，并將數(shù)據(jù)上傳到上層軟件。最后利用LabVIEW圖像化軟件編程，實現(xiàn)界面顯示、控制與數(shù)據(jù)處理。

3 硬件設(shè)計

3.1 信號發(fā)生器模塊

對于系統(tǒng)的信號源，采用直接數(shù)字頻率合成DDS(Direct Digital Synthesizer)技術(shù)實現(xiàn)，其原理框圖如圖3所示[8]。

DDS技術(shù)的關(guān)鍵是相位累加器，它由一個加法器和一個N位相位寄存器組成。每來一個時鐘信號，相位寄存器就會增加M。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，并輸入到正弦查詢表地址上。通過查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，經(jīng)過D/A變換，輸出模擬信號。相位寄存器每經(jīng)過N/M個時鐘后回到初始狀態(tài)，相應的正弦查詢表則剛好經(jīng)過一個循環(huán)回到初始位置，系統(tǒng)輸出一個完整的正弦波[9]。輸出的正弦波信號的頻率為:

(3)

由于該系統(tǒng)的測量電路中存在著阻抗到矢量電壓的轉(zhuǎn)換，除了需要正弦激勵信號，相敏檢波模塊還需要一路正弦基準信號。在FPGA中設(shè)計的激勵信號與基準信號產(chǎn)生電路如圖4所示。正弦波形數(shù)據(jù)是在內(nèi)存初始化文件(.mif文件)中編寫的，共有256個點的數(shù)據(jù)，波形存儲器通過加載內(nèi)存初始化文件的方式將正弦波形存儲起來。8 bit計數(shù)器尋址讀出存儲器中的正弦波形數(shù)據(jù)，正弦波形輸出的頻率由計數(shù)器的可編程時鐘控制，依據(jù)DDS原理，通過控制32 bit累加器的頻率控制字，選取累加結(jié)果的最高位作為可編程時鐘控制計數(shù)器計數(shù)的速度，也就是尋址速度。

圖4 信號發(fā)生器電路圖

另外，從波形存儲器中輸出的激勵信號與基準信號的正弦數(shù)字波形需要通過D/A轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為連續(xù)的正弦波，這里采用多路并行轉(zhuǎn)換芯片AD5428設(shè)計的D/A轉(zhuǎn)換器實現(xiàn)，通過控制AD5428還可以將激勵信號與基準信號分時復用轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)的整體測試條件。

3.2 測量電路模塊

3.3 相敏檢波模塊

為了測量矢量電壓Us和Ux的實部和虛部分量，需要采用模擬乘法器型相敏檢波器對矢量電壓進行全波鑒相，相敏檢波器主要由鑒相器和積分器兩部分構(gòu)成[10],其原理如圖6所示。

圖6 相敏檢波原理框圖

假設(shè)

U0(t)=Uscos(ωt+θ)，U1(t)=Urcos(ωt)

鑒相器的輸出為：

U(t)=U0(t)·U1(t)=Uscos(ωt+θ)·Urcos(ωt)= 0.5UsUrcosθ+0.5UsUrcos(2ωt+θ)

在經(jīng)過低通濾波器后，高頻成分被濾除，只留下直流分量Ux=0.5UsUrcosθ。同理，當參考信號為U1(t)=Urcos(ωt+π/2)時，經(jīng)過低通濾波器后的直流分量為：Ux=0.5UsUrsinθ。作為參考信號Ur為常量，當以0°相位作為參考信號時，輸出的直流分量相當于被測量在X軸上的投影分量，即被測信號的實部分量，也是電阻R；當以90°以相位作為參考信號時，輸出的直流分量相當于被測量在Y軸上的投影分量，即被測信號的虛部分量，也是電抗[11]。這里選擇0°、90°、180°、270°相位作為參考信號，是為了測量出兩組數(shù)據(jù)取平均值，從而提高測量精度，其電路原理圖如圖7所示。

圖7 相敏檢波模塊電路原理圖

3.4 A/D轉(zhuǎn)換模塊

相敏檢波器輸出的直流信號需要進行A/D轉(zhuǎn)換才能將模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，便于上層軟件的數(shù)據(jù)處理與顯示。本系統(tǒng)選用的是高精度的24位A/D轉(zhuǎn)換器ADS1232，其接口電路如圖8所示。通過控制ADS1232的SPEED引腳，就可以選擇芯片進行轉(zhuǎn)換的速率，GAIN0和GAIN1引腳用來控制增益，A0控制通道選擇。電路圖中芯片已被配置成單端輸入模式，基準電壓5V，ADS1232允許輸入電壓的范圍為0～2.5 V，在進行A/D轉(zhuǎn)換之前需要進行信號調(diào)理，將被測信號調(diào)理到A/D轉(zhuǎn)換所允許的范圍之內(nèi)[12]。

4 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分主要是將微處理和FPGA采集到的數(shù)據(jù)通過USB總線上傳到上層軟件LabVIEW，并進行數(shù)據(jù)處理和界面顯示、控制的設(shè)計。LabVIEW是由美國NI公司推出的一款圖形化軟件，它主要由前面板圖形控制界面、后面板程序框圖和圖標接線端口三部分構(gòu)成。另外，LabVIEW有著大量的VISA I/O庫，可以通過CLF節(jié)點調(diào)用動態(tài)連接庫的方式實現(xiàn)和底層硬件的通信[13]。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計主要包括LabVIEW前面板和后面板程序框圖兩部分。前面板用于控件的定義、界面設(shè)計及數(shù)據(jù)顯示，程序框圖用來進行數(shù)據(jù)的處理、數(shù)據(jù)流的控制[14]。

(1) 子VI程序設(shè)計。儀器的軟件設(shè)計部分采用模塊化的設(shè)計方式，通過各個子VI分別實現(xiàn)各個功能，完成整體測量。在對系統(tǒng)進行激勵源與其他參數(shù)的設(shè)置后，首先要進行的就是儀器的初始化，經(jīng)過儀器的初始化，確認硬件連接正確后就可以進行測量，儀器初始化程序框圖如圖9。如果連接不正確，會返回錯誤的函數(shù)值，可以通過函數(shù)值快速查找并解決問題。

對于參數(shù)的測量，采用單次測量的方式來選擇合適的標準電阻、放大的倍數(shù)及參數(shù)計算公式，以便于得到更加準確的結(jié)果。對電阻進行測量時，數(shù)據(jù)處理的程序框圖如圖10所示。

圖8 A/D轉(zhuǎn)換接口電路圖

圖9 儀器初始化程序框圖

圖10 電阻測量程序框圖

(2) 軟件界面設(shè)計。虛擬阻抗測試儀的軟件界面設(shè)計如圖11所示。

圖11 虛擬阻抗測試儀的軟件界面圖

5 測試結(jié)果及誤差分析

采用LW-2811C數(shù)字電橋與本系統(tǒng)的測量結(jié)果進行對比和分析，將被測元件連接在測試端口，設(shè)置激勵信號頻率、標準電阻，并進行儀器初始化。對電阻測量結(jié)果見表1，系統(tǒng)的測量方式為手動測量。

表1 測試結(jié)果

由表1可見，用LW-2811C數(shù)字電橋和本儀器對R、C、L元件參數(shù)的測量結(jié)果和誤差對比，由于被測元件的制造精度的問題，其標定值與真實值存在一定的差異。選用LW-2811C數(shù)字電橋的測量值作為參考，并計算本儀器與數(shù)字電橋的測量的偏差，來判斷該系統(tǒng)的誤差。LW-2811C數(shù)字電橋的測量精度為±0.25%，從表1的測量結(jié)果可以判斷本儀器的測量誤差可以達到±0.5%。另外，由圖11可見，該系統(tǒng)還能對被測元件的品質(zhì)因數(shù)、損耗因數(shù)、阻抗模值、阻抗相角等參數(shù)的測量，完全可以滿足實驗教學的應用。

6 結(jié) 語

本文介紹了一種將虛擬儀器技術(shù)與現(xiàn)代傳統(tǒng)儀器相結(jié)合的阻抗測量系統(tǒng)，它利用軟件設(shè)計代替了復雜的硬件處理，增強了測量的可視化。在降低設(shè)計成本的同時又具有較高的測量精度，能夠快速進行電阻、電容、電感等參數(shù)的測量，具有較強的實用性，符合目前工業(yè)領(lǐng)域和實驗室教學的測量需求。但該設(shè)計還略嫌不足，由于測量過程中需要對標準電阻進行選擇，故對于測量方式和精度還有待于進一步提高。

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Research of an Impedance Parameters Measuring System Based on Virtual Instrument

LIFengtinga,LIYea,MENGZhaohaib,LIUMingyangb

(a. College of Instrumentation & Electrical Engineering, Changchun 130026, China; b. College of Earth Sciences, Jilin University, Changchun 130061, China)

In this paper we designed a kind of impedance measuring system based on FPGA and virtual instrument, the DDS direct digital frequency synthesis technology was used to design the excitation signal of the system and the base signal. Through the method of V-I the measurement of impedance was converted into voltage. Phase-sensitive detector was used to filter out the AC signal and made it easy to collect the voltage. Then through the A/D conversion, the bus was used to realize the system data communication with the microprocessor. Finally, we used the software LabVIEW to analyze the data and realize the measurement of various parameters, and display. The system makes a combination of virtual instrument and computer instead of the traditional instrument. The operation of the system is simple and easy to control. In addition this system features as high accuracy and convenience, can be widely used in the industrial field and the lab research.

field programmable gate array (FPGA); direct digital synthesizen (DDS); virtual instrument; impedance measurement; high accuracy

2016-08-10

李鳳婷(1991-)，女，吉林長春人，碩士，主要研究方向：虛擬儀器。

Tel.:15143083624; E-mail：lifengting0405@126.com

李 冶(1958-)，男，吉林省長春人，教授，主要研究方向：虛擬儀器、嵌入式系統(tǒng)。

E-mail：lye@jlu.edu.cn

TM 932

A

1006-7167(2017)04-0141-05