基于LabVIEW和FPGA的LCR測試儀的設計

母亞敏，李 冶，柏 荷

(吉林大學 儀器科學與電氣工程學院，吉林 長春130026)

本文瞄準國際測試測量和自動化領域的前沿，設計了一套集信號發(fā)生、數據采集、分析處理于一體的LCR測試系統(tǒng)，應用于實驗教學、工業(yè)測控等相關領域。該系統(tǒng)包括硬件平臺和軟件平臺。硬件平臺采用模塊化的設計思想將一些通用的測量儀器進行模塊化，將其集成在虛擬電子測量儀器集成系統(tǒng)平臺上，增強了儀器的可重構性；軟件平臺采用圖形化虛擬儀器軟件LabVIEW開發(fā)。該軟件開放、靈活，與計算機技術保持同步發(fā)展?；赩IIS-EM平臺的LCR測試系統(tǒng)集成了儀器技術、總線技術、計算機技術、軟件技術、可測性設計技術等，是儀器發(fā)展的趨勢[1-2]。

本文詳細闡述了一種以Altera公司EP1C3T144C8型號FPGA為硬件基礎,以LabVIEW為軟件核心的LCR測試儀的設計理念及實施方案，重點論述系統(tǒng)硬件電路設計和軟件數據分析處理方法。

1 LCR測試原理

諧振法、電橋法和伏安法是測量阻抗等元件參數的三種主要方法。諧振法要求有較高頻率的激勵信號，一般不容易滿足高精度測量的要求。電橋法雖然具有較高的測量精度，但需要進行反復調節(jié)，測量時間長，很難實現快速自動測量。伏安法有固定軸法與自由軸法兩種。固定軸法為了實現坐標軸固定，需要許多專門的硬件電路，如鎖相、鑒相等，因此，硬件電路復雜，且存在同相誤差。自由軸法采用微處理器直接進行矢量運算，可省去有關硬件電路，因此不存在坐標軸與矢量電壓不同相產生的誤差，測試精度高、速度快[3]。本設計采用此種方法，既充分利用了現代計算機技術，又體現了虛擬儀器的優(yōu)勢。自由軸法測量LCR原理如圖1所示。MCU和FPGA通過多路選擇開關控制采集被測信號和標準信號，將采集到的數據送入緩沖放大以及一系列硬件電路，最終傳給上層軟件LabVIEW處理顯示。

圖1 自由軸法LCR測量原理框圖

2 系統(tǒng)總體設計方案

信號源產生激勵信號和基準信號兩路正弦波信號。信號發(fā)生器產生頻率 100 Hz～50 kHz、幅度5 mV～1.5 V的測量信號，用來激勵被測對象。為模擬實際電路條件，偏置電源可以對被測元件加上一定的直流偏壓。輸入電路部分用四端對結構引入被測元器件，有效降低因輸入被測元件引起的系統(tǒng)誤差。相敏檢波把前端采集到的被測信號與基準信號的四路基準信號分別相乘，將矢量電壓分離成投影在 0°和 90°或 180°和 270°坐標軸上的量。A/D轉換電路把相敏檢波的結果從模擬量變?yōu)閿底至?。LabVIEW軟件通過前面版分析處理被測件對象Zx的阻抗值，以進行顯示。系統(tǒng)圖如圖2所示。

圖2 LCR系統(tǒng)圖

3 LCR系統(tǒng)設計中的難點和關鍵技術

前端激勵源的實現、前端電路的設計、相敏檢波的實現和系統(tǒng)軟件設計是本設計中的難點和創(chuàng)新點。

3.1 激勵源

前端激勵源的實現利用DDS數字合成技術設計。激勵源的頻譜純度、信噪比的高低直接影響到系統(tǒng)的測試測量精度。常用的DDS數字合成系統(tǒng)如圖3所示。該DDS系統(tǒng)的核心是相位累加器,它由一個加法器和一個N位相位寄存器組成，N一般為24～32 bit。每來一個時鐘，相位寄存器以步長M增加。相位寄存器的輸出與相位控制字相加，然后輸入到正弦查詢表地址上。正弦查詢表包含一個周期正弦波的數字幅度信息，每個地址對應正弦波中 0°～360°范圍的一個相位點。查詢表把輸入的地址相位信息映射成正弦波幅度信號，經過D/A變換，輸出模擬信號。相位寄存器每經過N/M個時鐘后回到初始狀態(tài)，相應地正弦查詢表經過一個循環(huán)回到初始位置，系統(tǒng)輸出一個正弦波。輸出的正弦波頻率為：

本設計中利用FPGA芯片與D/A轉換器進行DDS數字合成,則具有輸出頻率寬、精度高、轉換速度快、硬件電路簡單靈活、價格相對便宜等優(yōu)點。電路如圖4所示。

3.2 前端電路

前端電路主要是實現I-V的變換，將標準電阻的電壓降和被測元件的電壓降進行分離，送后級調理單元處理。I-V變換模塊部分，大多采用自動平衡電橋的方法實現。其具有穩(wěn)定性好、測量精度高等優(yōu)點。

在普通的終端方式中,互感、干擾和一些未知因素將對測量結果產生很大的影響,特別是在高頻情況下更是如此。為了提高測量精度，本測試系統(tǒng)采用4端對結構來消除上述因素的影響。電路如圖5所示。

自動平衡電橋法測量阻抗有很寬的動態(tài)范圍，這是因為圖5所示的電橋電路中,標準電阻Zr的取值可以有許多檔。本次設計設置了20 Ω、2 kΩ、50 kΩ三檔標準量程電阻，并用繼電器進行標準電阻的切換。這樣無論阻抗高低,電橋都能平衡，采集到的電壓值都在合適的范圍內，可以進行準確的阻抗測量，只要保證了電壓測量的準確度，也就保證了阻抗測量的準確度。

3.3 相敏檢波

相敏檢波的實現，是硬件電路最關鍵的部分，也是系統(tǒng)設計的難點所在，該部分采用全波乘法器，取其有效直流分量。

電路參考圖4。ROM1和ROM2共用地址線和時鐘線，保證了激勵源和參考信號同頻率。地址累加器的初始值通過 sel[1..0]選擇,與4個初相位相對應。波形 ROM2與4個初相位分別相加，即可輸出4組與激勵信號源同頻率的彼此相位差 90°的正弦參考信號幅度控制字。ROM2輸出的8位數據信號送到8位乘法型D/A轉換器AD5428的輸入，待檢測信號加到參考電壓端。這樣，在AD5428內部對基準相位信號與被測信號相乘，實現了數字全波鑒相。

設被測信號 x(t)=Vscos(ωt+θ)，參考輸入 r(t)=Vrcos(ωt)，則相敏檢波器的輸出為：

第一項為乘積的差頻分量，第二項為和頻分量。結果表明，經過相敏檢波后，原來頻率為ω的信號頻率遷移了，頻譜遷移后保持原譜形狀，幅度取決于被測信號的幅度Vs和參考信號的幅度Vr。相敏檢波器的輸出通過巴特沃斯低通濾波器來消除和頻分量，只留下直流分量 ux=0.5VsVr。 同理，當參考輸入為 r(t)=Vrcos(ωt+π/2)時，濾波器的輸出為ux=0.5VsVrsinθ。由于單次測量過程中參考信號的幅度Vr是固定的，則顯然有結論：當用 0°相位參考信號時，輸出的結果正比于被測信號在x軸的投影分量(實部)；當用 90°相位參考信號時，輸出的結果正比于被測信號在y軸的投影分量（虛部）。低通濾波器的輸出通過Σ-△型 A/D轉換器ADS1232對直流分量進行模數轉換。

4 系統(tǒng)軟件設計

微處理和FPGA將硬件采集到的數據經過USB總線上傳給系統(tǒng)上位機，由LabVIEW進行數據接收、處理及顯示。LCR測試儀軟件設計主要包括LabVIEW前面板和后面板程序框圖兩部分。前面板即用戶界面，定義各種控件，設置儀器參數和顯示被測數據。程序框圖用以控制數據流，并對上傳數據進行運算處理。

4.1 底層數據處理

應用程序采用模塊化的設計思想，將各部分功能模塊化并封裝成子VI。在自動測量子VI時，微處理器根據前端反饋數據自動選擇一組最優(yōu)參數 (如標準電阻、放大倍數)，以使得測量結果不致有太大偏差。通過依次調用自動選擇標準電阻、自動調節(jié)放大倍數、單次測量以及計算各參數測量結果的4個函數來實現。單次自動測量后面板程序如圖6。該設計連續(xù)調用動態(tài)鏈接庫，其基本動作操作和數據處理均在VC中編程實現。

圖6 自動測量后面板程序

4.2 上層數據測試

前面板是程序的界面，有控制量和顯示量兩類對象。在前面板中，控制量模擬了儀器的輸入裝置并把數據提供給VI的框圖程序；顯示量是模擬了儀器的輸出裝置并顯示由框圖程序獲得或產生的數據。將測試頻率設為 1 000 Hz，標準電阻 5 00 Ω，信號幅度 100 mV，偏置電壓0 V，手動選擇單次測量一個標稱值是560 Ω的電阻。最后測得兩種模式下的測量結果，串聯(lián)模式下：555.99 Ω；并聯(lián)模式下:555.99 Ω，測量參數 R指示燈高亮。同時參數可連續(xù)手動設置，亦可自動選擇一組最優(yōu)參數，對被測對象進行測量。

4.3 實測對比

本儀器與安捷倫LCR測試儀 E4980A型號相比，L、C、R測試結果如表1所示。

參照儀器為安捷倫LCR測試儀E4980A；參數設置1.28 V正弦信號，100 Hz～100 kHz測試頻率，測量設置為手動方式。由于E4980A型LCR測試儀的基本測量精度為±0.05%，而本測試儀的測試結果與其最大偏差小于0.20%，因此本設計的測量精度可達到±0.25%。

表1 L、C、R 測試結果

采用此種方式構建的LCR測試儀器簡化了部分電路硬件，提高了可靠性，節(jié)約了成本，縮短了開發(fā)周期，能夠對電阻、電感、電容以及關聯(lián)參數進行快速、準確檢測。以軟件替代傳統(tǒng)儀器的信號分析及顯示等硬件電路，增強了儀器的可操作性，并增加了用戶自定義功能。與傳統(tǒng)儀器相比，其價格低、可復用、可配置性強，具有一定的實用價值和推廣價值。其優(yōu)勢使得虛擬儀器逐步代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器成為測試領域發(fā)展的可能。該設計方案中的方法還存在一些不足，同時硬件電路中的精密電阻的精度會影響到測試儀的測量精度，有待進一步的提高。

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