本文瞄準(zhǔn)國際測試測量和自動化領(lǐng)域的前沿,，設(shè)計了一套集信號發(fā)生,、數(shù)據(jù)采集、分析處理于一體的LCR測試系統(tǒng),，應(yīng)用于實驗教學(xué),、工業(yè)測控等相關(guān)領(lǐng)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(shè)計思想將一些通用的測量儀器進(jìn)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(qiáng)了儀器的可重構(gòu)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(jī)技術(shù)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(shù)、總線技術(shù),、計算機(jī)技術(shù),、軟件技術(shù)、可測性設(shè)計技術(shù)等,，是儀器發(fā)展的趨勢[1-2],。

    本文詳細(xì)闡述了一種以Altera公司EP1C3T144C8型號FPGA為硬件基礎(chǔ),以LabVIEW為軟件核心的LCR測試儀的設(shè)計理念及實施方案，重點論述系統(tǒng)硬件電路設(shè)計和軟件數(shù)據(jù)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(shù)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(jìn)行反復(fù)調(diào)節(jié),，測量時間長,，很難實現(xiàn)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(xiàn)坐標(biāo)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(fù)雜,，且存在同相誤差。自由軸法采用微處理器直接進(jìn)行矢量運算,，可省去有關(guān)硬件電路,，因此不存在坐標(biāo)軸與矢量電壓不同相產(chǎn)生的誤差，測試精度高,、速度快[3],。本設(shè)計采用此種方法,， 既充分利用了現(xiàn)代計算機(jī)技術(shù)，又體現(xiàn)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(guān)控制采集被測信號和標(biāo)準(zhǔn)信號，將采集到的數(shù)據(jù)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,。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案
    信號源產(chǎn)生激勵信號和基準(zhǔn)信號兩路正弦波信號。信號發(fā)生器產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(zhǔn)信號的四路基準(zhǔn)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(biāo)軸上的量。A/D轉(zhuǎn)換電路把相敏檢波的結(jié)果從模擬量變?yōu)閿?shù)字量,。LabVIEW軟件通過前面版分析處理被測件對象Zx 的阻抗值,，以進(jìn)行顯示。系統(tǒng)圖如圖2所示,。

3 LCR系統(tǒng)設(shè)計中的難點和關(guān)鍵技術(shù)
    前端激勵源的實現(xiàn),、前端電路的設(shè)計、相敏檢波的實現(xiàn)和系統(tǒng)軟件設(shè)計是本設(shè)計中的難點和創(chuàng)新點,。
3.1 激勵源
    前端激勵源的實現(xiàn)利用DDS數(shù)字合成技術(shù)設(shè)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(shù)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(shù)字幅度信息，每個地址對應(yīng)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(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(yīng)地正弦查詢表經(jīng)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(shè)計中利用FPGA芯片與D/A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行DDS數(shù)字合成,則具有輸出頻率寬,、精度高,、轉(zhuǎn)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(xiàn)I-V的變換,，將標(biāo)準(zhǔn)電阻的電壓降和被測元件的電壓降進(jìn)行分離,，送后級調(diào)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(xiàn),。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(jié)果產(chǎn)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(jié)構(gòu)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(biāo)準(zhǔn)電阻Zr的取值可以有許多檔,。本次設(shè)計設(shè)置了20 Ω、2 kΩ,、50 kΩ三檔標(biāo)準(zhǔn)量程電阻,，并用繼電器進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)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(nèi),，可以進(jìn)行準(zhǔn)確的阻抗測量，只要保證了電壓測量的準(zhǔn)確度,，也就保證了阻抗測量的準(zhǔn)確度,。
3.3 相敏檢波
    相敏檢波的實現(xiàn)，是硬件電路最關(guān)鍵的部分,，也是系統(tǒng)設(shè)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(yīng),。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(shù)據(jù)信號送到8位乘法型D/A轉(zhuǎn)換器AD5428的輸入,，待檢測信號加到參考電壓端。這樣,，在AD5428內(nèi)部對基準(zhǔn)相位信號與被測信號相乘,，實現(xiàn)了數(shù)字全波鑒相。

投影分量(實部),；當(dāng)用90°相位參考信號時,，輸出的結(jié)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(zhuǎn)換器ADS1232對直流分量進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    微處理和FPGA將硬件采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)過USB總線上傳給系統(tǒng)上位機(jī),，由LabVIEW進(jìn)行數(shù)據(jù)接收、處理及顯示,。LCR測試儀軟件設(shè)計主要包括LabVIEW前面板和后面板程序框圖兩部分,。前面板即用戶界面，定義各種控件,，設(shè)置儀器參數(shù)和顯示被測數(shù)據(jù),。程序框圖用以控制數(shù)據(jù)流，并對上傳數(shù)據(jù)進(jìn)行運算處理,。
4.1 底層數(shù)據(jù)處理
　    應(yīng)用程序采用模塊化的設(shè)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(jù)前端反饋數(shù)據(jù)自動選擇一組最優(yōu)參數(shù)(如標(biāo)準(zhǔn)電阻,、放大倍數(shù))，以使得測量結(jié)果不致有太大偏差,。通過依次調(diào)用自動選擇標(biāo)準(zhǔn)電阻,、自動調(diào)節(jié)放大倍數(shù)、單次測量以及計算各參數(shù)測量結(jié)果的4個函數(shù)來實現(xiàn),。單次自動測量后面板程序如圖6,。該設(shè)計連續(xù)調(diào)用動態(tài)鏈接庫，其基本動作操作和數(shù)據(jù)處理均在VC中編程實現(xiàn),。

4.2 上層數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(chǎn)生的數(shù)據(jù)。將測試頻率設(shè)為1 000 Hz,，標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)稱值是560 Ω的電阻,。最后測得兩種模式下的測量結(jié)果,，串聯(lián)模式下：555.99 Ω；并聯(lián)模式下:555.99 Ω,，測量參數(shù)R指示燈高亮,。同時參數(shù)可連續(xù)手動設(shè)置，亦可自動選擇一組最優(yōu)參數(shù),，對被測對象進(jìn)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(jié)果如表1所示。

    參照儀器為安捷倫LCR測試儀E4980A,；參數(shù)設(shè)置1.28 V正弦信號,，100 Hz~100 kHz測試頻率，測量設(shè)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(jié)果與其最大偏差小于0.20%，因此本設(shè)計的測量精度可達(dá)到±0.25%,。
    采用此種方式構(gòu)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?qū)﹄娮琛㈦姼?、電容以及關(guān)聯(lián)參數(shù)進(jìn)行快速,、準(zhǔn)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(qiáng)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(fù)用、可配置性強(qiáng),，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(lǐng)域發(fā)展的可能。該設(shè)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(jìn)一步的提高。
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