自由轴法的RLC测量仪表方案设计书(00001).docVIP

基于自由轴法的RLC测量仪表设计技术要求：1)测量准确度：??O.05％．2)显示范围: :0.0001 mH--- 99999H．? ?? ?? ?? ? C: O.0001 pf---99999 ．? ?? ?? ?? ? R: O.0001 ---99999k 主要参考文献：1、??童长飞　编著．Ｃ８０５１Ｆ系列单片机开发与Ｃ语言编程．北京：北京航空航天大学出版社，２００５年２月．2、赵茂泰 主编.智能仪器原理及应用.北京：电子工业出版社，2005年1月.3、陈尚松 等编著.电子测量与仪器.北京：电子工业出版社，2007年2月4、李腊元，官本云 编著.智能化仪器仪表.北京：科学出版社，1993年5、阎石 主编.数字电子技术基础.北京：高等教育出版社，1998年11月6、周航慈 编著.智能仪器原理与设计.北京：北京航空航天大学出版社，2005年3月课题内容及工作量：本课题研究了包括固定轴法在内的几种RLC的传统测量方法，并进行了优缺点的分析和论证，采用了较先进的自由轴法，给出了具体实现方案。本课题要求设计正弦信号源、基准相位发生器、积分式A/D转换器和微处理器控制电路，以及数字显示电路。要求对于自由轴法的计算方法进行严密推倒，分析电子线路实现时可能造成的误差，以及软件编程对本仪器精度的影响。整个设计要求设计并画出全部硬件电路图和详细的程序流程图，应着重描述清楚系统的程序流程和算法的程序设计要点。说明：为避免与其它（本届的电导率测量和上届的RLC测量仪器）题目的实现方案重复，对于同一环节（例如积分式A/D）的实现应不同。建议本题的双积分A/D采用运算放大器和比较器以及一些阻容元器件搭成，不采用专用A/D转换器（例如ICL7135）。以下是老师给的资料：智能化RLC测量仪原理摘自：赵茂泰 主编.智能仪器原理及应用（第2版）.北京：电子工业出版社.2005年,P178--193。RLC参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法三种。电桥法具有较高的测量精度，被广泛采用，现已派生出许多类型。但电桥法测量需要反复进行平衡调节，测量时间长，很难实现快速的自动测量。谐振法要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求。由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。伏安法是最经典的方法，它的测量原理来源于阻抗的定义。即若已知流经被测阻抗的电流相量并测得被测阻抗两端的电压，则通过比率便可得到被测阻抗的相量。显然，要实现这种方法，仪器必须能进行相量测量及除法运算。伏安法伏安法可用图6—25所示的原理电路来说明。图中 是已知的恒流源相量； 是已知的标准阻抗 (为计算方便一般选为实电阻)；被测阻抗 与 串联。则分别测出 和 两端的电压相量 和 ，便可通过计算得到待测阻抗 其中 的大小反映了流经被测阻抗 上电流相量 的大小。上述测量实际上是先分别测出各个电压相量的两个分量，然后再通过一系列运算得到被测值 的数值。图6-26示出了采用了微处理器的RLC测试仪原理框图。伏安法有固定轴法和自由轴法两种实现方案，其区别在于图6—26中相敏检波器相位参考基准选取的不同。实际相敏检波器的相位参考基准代表着坐标轴的方向，相敏检波器的输出就是待测电压在坐标轴方向上的投影。 图6—25 伏安法测量原理 图6-26 RLC测试仪原理框图固定轴法要求相敏检波器的相位参考基准严格地与式(6．8)分母位置上的相量一致，这样分母只有实部分量，使相量除法简化为两个标量除法运算。利用双积分式A/D转换器的比例除法特性即可实现这一目的，这种方法在计算机引入电子仪器之前被大量采用。这种方法的弱点在于：为了固定坐标轴，确保参考信号与信号之间的精确相位关系，硬件电路要付出相当大的代价。自由轴法中相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，即x，y坐标轴可以任意选择，只要求保持两个坐标轴准确正交(相差90 )，从而使硬件电路简化，准确度也得以提高。自由轴法的计算量比较大,近年来智能RLC电路大都采用这种方案。6.3.2? ?? ???自由轴法测量原理（下文中有关“固定轴法”摘自于：陈尚松 等编著.电子测量与仪器.北京：电子工业出版社，2007年2月，p302）采用相量电压一电流法，即将阻抗看成正弦交流电压与电流的复数比值，即 这里是将一个标准阻抗 与被测阻抗 串联，如图7.27所示，则可得到 这样，对阻抗 的测量变成了两个电压相量之比的测量。完成两个电压相量的测量方法通常是，用一台电压表通过开关转换分时进行测量。实现两个相量除法运算有固定轴法和自由轴法，将相量除法转换成标量除法。早期产品采用的固定轴法如图7.28(a)所示，因难在于保证两个相量相位严格一致，使硬件电路复杂，调试困难，可靠性低。现代产品中大多采用了自由轴法，如图7.28(b)所示。自由轴法不是把复数阻抗坐标固定在某一指定的电压相量