基于虛擬儀器的阻抗參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的研究

李鳳婷， 李 冶， 孟兆海， 劉名揚(yáng)

(吉林大學(xué) a. 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130026; b. 地球科學(xué)學(xué)院， 長(zhǎng)春 130061)

基于虛擬儀器的阻抗參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)的研究

李鳳婷a， 李 冶a， 孟兆海b， 劉名揚(yáng)b

(吉林大學(xué) a. 儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院， 長(zhǎng)春 130026; b. 地球科學(xué)學(xué)院， 長(zhǎng)春 130061)

設(shè)計(jì)了一種基于FPGA和虛擬儀器技術(shù)的阻抗測(cè)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(jì)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的激勵(lì)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)，通過V-I法將阻抗轉(zhuǎn)換為電壓進(jìn)行測(cè)量，利用相敏檢波器濾除交流信號(hào)，便于對(duì)電壓進(jìn)行采集，再通過A/D進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并通過總線實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與微處理器的數(shù)據(jù)通信，最后以LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過軟件界面進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和系統(tǒng)控制，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)參數(shù)的測(cè)量和顯示。系統(tǒng)采用虛擬儀器與計(jì)算機(jī)相結(jié)合的方式代替?zhèn)鹘y(tǒng)儀器，不僅操作簡(jiǎn)單方便，而且便于控制。另外，該系統(tǒng)具有測(cè)量精度高，容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，并且廣泛適用于實(shí)驗(yàn)研究與工業(yè)測(cè)控等相關(guān)領(lǐng)域。

現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列; 直接數(shù)字合成器; 虛擬儀器; 阻抗測(cè)量; 高精度

0 引 言

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)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(cè)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(jìn)行測(cè)量的儀器有很多，它們的測(cè)量方法也各不相同，但隨著對(duì)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(cè)量模式，使原本松散結(jié)合且不兼容的測(cè)量系統(tǒng)發(fā)展成緊密結(jié)合的虛擬測(cè)量系統(tǒng)[2]。虛擬儀器的出現(xiàn)開辟了儀器技術(shù)的新紀(jì)元，它是多門技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)結(jié)合的產(chǎn)物，其基本思想是利用計(jì)算機(jī)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(jì)實(shí)現(xiàn)[4]?；谏鲜鎏卣?，本文研究并設(shè)計(jì)了一種新的虛擬阻抗測(cè)量系統(tǒng)，有機(jī)地將虛擬儀器與傳統(tǒng)儀器結(jié)合起來，具有精度高，測(cè)量簡(jiǎn)便且容易實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)。

1 測(cè)量原理

目前，對(duì)元器件的參數(shù)測(cè)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(cè)量精度高被廣泛應(yīng)用，但在測(cè)量的過程中也存在著測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)、橋路復(fù)雜不易實(shí)現(xiàn)、價(jià)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(cè)量，雖然具有較高的測(cè)量精度，價(jià)格十分昂貴[6]。在本系統(tǒng)中選用V-I法來實(shí)現(xiàn)對(duì)阻抗的測(cè)量，測(cè)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(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)的測(cè)量，通過對(duì)圖1的分析可以得出：

(1)

式中：Zx為被測(cè)阻抗，Zs為標(biāo)準(zhǔn)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(shí)部分量和虛部分量，U3、U4分別為Us的實(shí)部分量和虛部分量。只需測(cè)量Ux與Us的實(shí)部與虛部分量，并進(jìn)行矢量除法運(yùn)算就可以得到被測(cè)阻抗Zx[7]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本系統(tǒng)主要由硬件設(shè)計(jì)與軟件處理兩部分組成：硬件部分主要包括激勵(lì)信號(hào)模塊、測(cè)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(jì)和數(shù)據(jù)處理。其總體方案設(shè)計(jì)如圖2所示。

系統(tǒng)的信號(hào)源是由FPGA和D/A轉(zhuǎn)換芯片進(jìn)行DDS合成設(shè)計(jì)實(shí)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(hào)頻率為0.1～50 kHz，幅度為0.005～1.5 V，能夠滿足系統(tǒng)的測(cè)量要求。測(cè)量電路中采用端對(duì)結(jié)構(gòu)引入被測(cè)元件，可以降低外界干擾，提高測(cè)量精度。相敏檢波器通過全波鑒相來分離測(cè)量電壓的實(shí)部和虛部，降低矢量除法的計(jì)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(shí)現(xiàn)界面顯示、控制與數(shù)據(jù)處理。

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)發(fā)生器模塊

對(duì)于系統(tǒng)的信號(hào)源，采用直接數(shù)字頻率合成DDS(Direct Digital Synthesizer)技術(shù)實(shí)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(gè)加法器和一個(gè)N位相位寄存器組成。每來一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)，相位寄存器就會(huì)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(hào)，經(jīng)過D/A變換，輸出模擬信號(hào)。相位寄存器每經(jīng)過N/M個(gè)時(shí)鐘后回到初始狀態(tài)，相應(yīng)的正弦查詢表則剛好經(jīng)過一個(gè)循環(huán)回到初始位置，系統(tǒng)輸出一個(gè)完整的正弦波[9]。輸出的正弦波信號(hào)的頻率為:

(3)

由于該系統(tǒng)的測(cè)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(lì)信號(hào)，相敏檢波模塊還需要一路正弦基準(zhǔn)信號(hào)。在FPGA中設(shè)計(jì)的激勵(lì)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)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(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，波形存儲(chǔ)器通過加載內(nèi)存初始化文件的方式將正弦波形存儲(chǔ)起來。8 bit計(jì)數(shù)器尋址讀出存儲(chǔ)器中的正弦波形數(shù)據(jù)，正弦波形輸出的頻率由計(jì)數(shù)器的可編程時(shí)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(shí)鐘控制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的速度，也就是尋址速度。

圖4 信號(hào)發(fā)生器電路圖

另外，從波形存儲(chǔ)器中輸出的激勵(lì)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)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(jì)的D/A轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)，通過控制AD5428還可以將激勵(lì)信號(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)分時(shí)復(fù)用轉(zhuǎn)換，滿足系統(tǒng)的整體測(cè)試條件。

3.2 測(cè)量電路模塊

3.3 相敏檢波模塊

為了測(cè)量矢量電壓Us和Ux的實(shí)部和虛部分量，需要采用模擬乘法器型相敏檢波器對(duì)矢量電壓進(jìn)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(dāng)參考信號(hào)為U1(t)=Urcos(ωt+π/2)時(shí)，經(jīng)過低通濾波器后的直流分量為：Ux=0.5UsUrsinθ。作為參考信號(hào)Ur為常量，當(dāng)以0°相位作為參考信號(hào)時(shí)，輸出的直流分量相當(dāng)于被測(cè)量在X軸上的投影分量，即被測(cè)信號(hào)的實(shí)部分量，也是電阻R；當(dāng)以90°以相位作為參考信號(hào)時(shí)，輸出的直流分量相當(dāng)于被測(cè)量在Y軸上的投影分量，即被測(cè)信號(hào)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(hào)，是為了測(cè)量出兩組數(shù)據(jù)取平均值，從而提高測(cè)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(hào)需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換才能將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)，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(jìn)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(zhǔn)電壓5V，ADS1232允許輸入電壓的范圍為0～2.5 V，在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換之前需要進(jìn)行信號(hào)調(diào)理，將被測(cè)信號(hào)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(jì)

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(jìn)行數(shù)據(jù)處理和界面顯示、控制的設(shè)計(jì)。LabVIEW是由美國(guó)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(biāo)接線端口三部分構(gòu)成。另外，LabVIEW有著大量的VISA I/O庫(kù)，可以通過CLF節(jié)點(diǎn)調(diào)用動(dòng)態(tài)連接庫(kù)的方式實(shí)現(xiàn)和底層硬件的通信[13]。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)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(jì)及數(shù)據(jù)顯示，程序框圖用來進(jìn)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(jì)。儀器的軟件設(shè)計(jì)部分采用模塊化的設(shè)計(jì)方式，通過各個(gè)子VI分別實(shí)現(xiàn)各個(gè)功能，完成整體測(cè)量。在對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行激勵(lì)源與其他參數(shù)的設(shè)置后，首先要進(jìn)行的就是儀器的初始化，經(jīng)過儀器的初始化，確認(rèn)硬件連接正確后就可以進(jìn)行測(cè)量，儀器初始化程序框圖如圖9。如果連接不正確，會(huì)返回錯(cuò)誤的函數(shù)值，可以通過函數(shù)值快速查找并解決問題。

對(duì)于參數(shù)的測(cè)量，采用單次測(cè)量的方式來選擇合適的標(biāo)準(zhǔn)電阻、放大的倍數(shù)及參數(shù)計(jì)算公式，以便于得到更加準(zhǔn)確的結(jié)果。對(duì)電阻進(jìn)行測(cè)量時(shí)，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(cè)量程序框圖

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

圖11 虛擬阻抗測(cè)試儀的軟件界面圖

5 測(cè)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(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比和分析，將被測(cè)元件連接在測(cè)試端口，設(shè)置激勵(lì)信號(hào)頻率、標(biāo)準(zhǔn)電阻，并進(jìn)行儀器初始化。對(duì)電阻測(cè)量結(jié)果見表1，系統(tǒng)的測(cè)量方式為手動(dòng)測(cè)量。

表1 測(cè)試結(jié)果

由表1可見，用LW-2811C數(shù)字電橋和本儀器對(duì)R、C、L元件參數(shù)的測(cè)量結(jié)果和誤差對(duì)比，由于被測(cè)元件的制造精度的問題，其標(biāo)定值與真實(shí)值存在一定的差異。選用LW-2811C數(shù)字電橋的測(cè)量值作為參考，并計(jì)算本儀器與數(shù)字電橋的測(cè)量的偏差，來判斷該系統(tǒng)的誤差。LW-2811C數(shù)字電橋的測(cè)量精度為±0.25%，從表1的測(cè)量結(jié)果可以判斷本儀器的測(cè)量誤差可以達(dá)到±0.5%。另外，由圖11可見，該系統(tǒng)還能對(duì)被測(cè)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(cè)量，完全可以滿足實(shí)驗(yàn)教學(xué)的應(yīng)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(cè)量系統(tǒng)，它利用軟件設(shè)計(jì)代替了復(fù)雜的硬件處理，增強(qiáng)了測(cè)量的可視化。在降低設(shè)計(jì)成本的同時(shí)又具有較高的測(cè)量精度，能夠快速進(jìn)行電阻、電容、電感等參數(shù)的測(cè)量，具有較強(qiáng)的實(shí)用性，符合目前工業(yè)領(lǐng)域和實(shí)驗(yàn)室教學(xué)的測(cè)量需求。但該設(shè)計(jì)還略嫌不足，由于測(cè)量過程中需要對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行選擇，故對(duì)于測(cè)量方式和精度還有待于進(jìn)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(zhǎng)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(zhǎng)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