低频高精度LCR测量仪的设计

发布时间：2019-10-07 21:59

【摘要】：随着电子行业的迅猛发展,各种电子设备在市场竞争的压力下越发向着高精度、高响应速度以及低成本的方向不断更新换代。而电阻、电容和电感作为组成电路的基本元件,无疑使得用户对其精度有了更高的要求。因此,如何准确测量电子元件阻抗的具体参数具有十分重要的实际价值,而LCR测量仪正是目前主流的测量电阻、电容和电感阻抗参数的仪器设备。本文设计了一种精度较高并且电路结构简单、体积便携的LCR测量仪,该仪表的测量原理采用自由轴伏安法,与其他原理相比有实现方法简单、测量精度高的优点。测量系统主体由电源、微处理器控制单元、正弦波信号发生器、电桥电路、可控增益放大电路、开关式相敏检波器和A/D转换模块构成。其中,微处理器采用的32位单片机STM32F103C8T6,其支持多种外设、工作主频高达72MHz,满足设计要求且性价比极高。正弦信号发生电路主要通过单片机的PWM输出功能结合多阶低通滤波器模拟DAC,再应用直接数字频率合成的方式,产生频率精准、相位可调的正弦信号以及后级开关式相敏检波电路所需的两路相位相差90度的方波信号。这种方法与传统的应用DDS芯片或FPGA设计的正弦发生器等相比,极大的简化了电路结构,同时更为容易的保证鉴相所需的两路正交方波信号的相位严格相差90度。电桥电路为系统的主体部分,该电路可以严格保证待测元件与已知阻抗在测量时流过的电流相同。该电路中用于矢量电压分离的部分采用差动三运放结构,利用其较高的共模抑制能力,提高测量精度。A/D转换电路由于考虑到测量仪的精度需求,本文采用了分辨力高达16位的逐次逼近型差分模/数转换芯片AD7915,该芯片可以采集双极型的模拟电压信号,最大采集范围为?5V。相敏检波部分采用结构简单的开关式相敏检波电路,同时本文还对传统的开关式相敏检波器的输出进行了优化改进,通过从相敏检波器输入端引入了参考信号,消除了鉴相输出信号的主要干扰峰,大大抑制了输出信号的纹波,有效提升了系统的响应速度以及测量精度。本文所设计的LCR测量仪电路结构简单、体积便携,支持串联及并联等效测量,经调试后误差可缩小到1%以下,可灵活应用在常规测量当中。
【学位授予单位】：吉林大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TM934.7

【参考文献】