基於自由轴法的RLC测量仪表设计技术要求1测量准确度O05.DOC

基於自由軸法的RLC測量儀錶設計 技術要求： 1)測量準確度：??O.05％． 2)顯示範圍: :0.0001 mH--- 99999H． ? ?? ?? ?? ? C: O.0001 pf---99999 ． ? ?? ?? ?? ? R: O.0001 ---99999k 主要參考文獻： 1、??童長飛　編著．Ｃ８０５１Ｆ系列單片機開發與Ｃ語言編程．北京：北京航空航太大學出版社，２００５年２月． 2、趙茂泰 主編.智慧型儀器器原理及應用.北京：電子工業出版社，2005年1月. 3、陳尚松 等編著.電子測量與儀器.北京：電子工業出版社，2007年2月 4、李臘元，官本雲 編著.智慧化儀器儀錶.北京：科學出版社，1993年 5、閻石 主編.數位電子技術基礎.北京：高等教育出版社，1998年11月 6、周航慈 編著.智慧型儀器器原理與設計.北京：北京航空航太大學出版社，2005年3月 課題內容及工作量： 本課題研究了包括固定軸法在內的幾種RLC的傳統測量方法，並進行了優缺點的分析和論證，採用了較先進的自由軸法，給出了具體實現方案。 本課題要求設計正弦信號源、基準相位發生器、積分式A/D轉換器和微處理器控制電路，以及數位顯示電路。要求對於自由軸法的計算方法進行嚴密推倒，分析電子線路實現時可能造成的誤差，以及軟體編程對本儀器精度的影響。 整個設計要求設計並畫出全部硬體電路圖和詳細的程式流程圖，應著重描述清楚系統的程式流程和演算法的程式設計要點。 說明：為避免與其他（本屆的電導率測量和上屆的RLC測量儀器）題目的實現方案重複，對於同一環節（例如積分式A/D）的實現應不同。建議本題的雙積分A/D採用運算放大器和比較器以及一些阻容元器件搭成，不採用專用A/D轉換器（例如ICL7135）。 以下是老師給的資料： 智慧化RLC測量儀原理 摘自：趙茂泰 主編.智慧型儀器器原理及應用（第2版）.北京：電子工業出版社.2005年,P178--193。 RLC參數的測量方法主要有電橋法、諧振法和伏安法三種。電橋法具有較高的測量精度，被廣泛採用，現已派生出許多類型。但電橋法測量需要反復進行平衡調節，測量時間長，很難實現快速的自動測量。 諧振法要求較高頻率的激勵信號，一般不容易滿足高精度的要求。由於測試頻率不固定，測試速度也很難提高。 伏安法是最經典的方法，它的測量原理來源於阻抗的定義。即若已知流經被測阻抗的電流相量並測得被測阻抗兩端的電壓，則通過比率便可得到被測阻抗的相量。顯然，要實現這種方法，儀器必須能進行相量測量及除法運算。 伏安法 伏安法可用圖6—25所示的原理電路來說明。圖中 是已知的恒流源相量； 是已知的標準阻抗 (為計算方便一般選為實電阻)；被測阻抗 與 串聯。則分別測出 和 兩端的電壓相量 和 ，便可通過計算得到待測阻抗 其中 的大小反映了流經被測阻抗 上電流相量 的大小。 上述測量實際上是先分別測出各個電壓相量的兩個分量，然後再通過一系列運算得到被測值 的數值。圖6-26示出了採用了微處理器的RLC測試儀原理框圖。 伏安法有固定軸法和自由軸法兩種實現方案，其區別在於圖6—26中相敏檢波器相位參考基準選取的不同。實際相敏檢波器的相位參考基準代表著坐標軸的方向，相敏檢波器的輸出就是待測電壓在坐標軸方向上的投影。 圖6—25 伏安法測量原理 圖6-26 RLC測試儀原理框圖 固定軸法要求相敏檢波器的相位參考基準嚴格地與式(6．8)分母位置上的相量一致，這樣分母只有實部分量，使相量除法簡化為兩個標量除法運算。利用雙積分式A/D轉換器的比例除法特性即可實現這一目的，這種方法在電腦引入電子儀器之前被大量採用。這種方法的弱點在於：為了固定坐標軸，確保參考信號與信號之間的精確相位關係，硬體電路要付出相當大的代價。 自由軸法中相敏檢波器的相位參考基準可以任意選擇，即x，y坐標軸可以任意選擇，只要求保持兩個坐標軸準確正交(相差90 )，從而使硬體電路簡化，準確度也得以提高。自由軸法的計算量比較大,近年來智慧RLC電路大都採用這種方案。 6.3.2? ?? ???自由軸法測量原理 （下文中有關“固定軸法”摘自於：陳尚松 等編著.電子測量與儀器.北京：電子工業出版社，2007年2月，p302） 採用相量電壓一電流法，即將阻抗看成正弦交流電壓與電流的複數比值，即 這裏是將一個標準阻抗 與被測阻抗 串聯，如圖7.27所示，則可得到 這樣，對阻抗 的測量變成了兩個電壓相量之比的測量。完成兩個電壓相量的測量方法通常是，用一台電壓表通過開關轉換分時進行測量。實現兩個相量除法運算有固定軸法和自由軸法，將相量除法轉換成標量除法。早期產品採用的固定軸法如圖7.28(a)所示，因難在於保證兩個相量相位嚴格一致，使硬體電路複雜，調試困難，可靠性低。現代產品中大多採用了自由軸法，