电阻电容电感测试仪的设计与制作
参赛院校：青岛大学自动化工程学院 参赛学生：焦安山 王俊林 刘斌
山东省二等奖
摘 要
以低功耗32位ARM单片机LPC1114为总控制核心，直接数字式频率合成器（DDS）AD9850搭配高速运放LM6172获取频率幅值连续可调的正弦波信号。
在正弦信号激励下，将测量对象L/C/R与标准电阻串联，以串联阻抗分压原理实现对L/C/R及特定频率下电感Q值的测量。以真有效值转换芯片AD637搭配LPC1114板载12位A/D转换器精确采集交流电压值。通过自动控制继电器分档选择标准电阻，实现高精度宽范围测量；
系统显示结果采用12864点阵液晶，显示信息齐备。测试对象，信号频率以按键方式可调。 经测试，本系统操作方便，性能稳定，测量精度高。
关键词：ARM; DDS;真有效值转换
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1 方案论证与比较
根据设计要求，系统硬件最核心部分为正弦信号产生电路和L/C/R测量电路。主控制芯片及外设电路则可灵活选取。
1.1 正弦信号产生电路
1.1.1 频率可调的正弦信号
正弦信号发生器是LCR测量仪的重要组成部分，在测量电容和电感时，正弦波的失真直接影响测量精度。
方案一∶采用振荡电路产生正弦波。由于振荡电路起振需满足较苛刻条件，要设计1Hz-1MHz范围内均可工作的正弦振荡电路几乎不可能。
方案二：采用压控振荡器产生方波信号后，经低通滤波器转换为正弦波。此方案频率稳定，成本低。缺点是正弦波的谐波分量很大，对于电感电容测量会带来很大的误差。
方案三：采用AD9850构成的DDS模块，直接输出频率可调正弦波。采用直接数字式频率合成的方法获取正弦波，频率极其稳定，而且所获得正弦波谐波含量小，是目前信号发生器电路的主流方案。
综合比较，为了达到1-1MHz完美正弦信号的要求，必须选择方案三。 1.1.2 正弦信号的调幅放大
方案一：直接在DDS编程时，改变正弦表参数，直接输出幅值可调的正弦波。此方法看似可以简化电路设计，但是这种方法达不到题目要求的幅值，而且还需要外加输出隔离电路以达到50欧的输出阻抗，仍然需要外接高速运放。
方案二：DDS只负责输出固定幅值正弦波，外接高速运放构成比例放大电路。运放不仅完成了幅值调节，而且可以满足50欧的输出阻抗要求。对于DDS来说，仅输出固定幅值有利于芯片的稳定工作。
综合对运放的选型，我们选择方案二，采用1片高速运放LM6172来达到要求。LM6172带宽为100M，开环输出阻抗14欧，完全满足需求。
1.2 LRC的测量
方案一：基于模拟振荡电路的测量仪。将待测L/C/R接入振荡电路中，通过测量RC或LC振荡频率来计算L/C/R值。此方案成本低，但是无法做到宽范围内振荡电路正常工作，远达不到题目的量程范围。
方案二：采用串联阻抗分压的方法。利用最基本的欧姆定律，在正弦交流电压下，把电容、电感、电阻的阻抗值和串联的标准电阻作分压。通过测量串联电路的电流（通过标准电阻的分压），和待测元件的电压，求的待测元件的阻抗，进而计算出电感或电容值。
方案二的自动化程度高，可实现宽范围的自动测量。选取足够档位的标准电阻，以及高精度的交流电压采集芯片，可以达到宽范围高精度测量。我们选择方案二，并使用控制继电器选择标准电阻档位，使用真有效值转换芯片AD637精确采集交流电压。使用拥有丰富外设的低功耗ARM处理器LPC1114为主控芯片，板载AD同时可采集模拟电压量。
2 理论分析与计算
2.1 宽频可调幅正弦信号发生器
通过单片机控制的DDS模块AD9850可以很容易产生一个频率可调的稳定的正弦信号，采用同向比例运算放大器，可以实现幅值调节。
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设定DDS模块产生的正弦信号的幅值为1V，根据题目要求的5V以上输出，根据
uo?(1?RfR)?uI，我们选择R=1.5k?， Rf使用10k?的电位器。
2.2 测试档位的分配
对不同量程选用不同标准电阻可以显著提高测量精度。对于未知的待测元件，我们采取的策略是，使用所有标准电阻测试一遍数据，将最“合理”的档位测试数据显示出来。档位“合理”的判断依据见表1-表2。举例说明，如果测得某电阻在ABCDE档测得电阻分别为4.7k?、4.8k?、5.1k?、5.2k?、4.6k?，那么根据表1，应取D档数据5.2K作为最终测试数据。 2.2.1 测试电阻
如图1所示，在测量待测电阻的阻值时，我们把选定的标准电阻和待测电阻串联，并在电路两端加直流电压，通过测试待测电阻两端的电压Rtest?Vtest?RREF，即分压法计算得出Rtest
Vcc?Vtest的值。通过在面包板上的试测，我们对标准电阻的“合理”档位进行了分类，结果如表1所示。
表1 电阻测试合理档位判断表 档位 标准电阻/? A 51 B 100 C 510 D 7.5k E 510k 待测阻抗值/? 1-10 10-100 100-1k 1k-50k 50k-5M 图1 电阻电压测试点
2.2.2 测试电容
如图2所示，在测量待测电容的值时，我们把选定的标准电阻和待测电容串联，并在电路两端加交流信号，有效值为V，频率为f，通过转换采集测量得电容两端电压的有效值Vtest，于是有ZC?1?1，推得
?C2?fCV2?Vtest （1） C?Vtest?2?f?Rref2在测量电容时，我们选择的标准电阻固定，我们通过改变所加交流信号的频率来改变电容的容抗，从而提高测试精度。电容测试合理档位判断表如表2所示。
表2 电容测试合理档位判断表 档位 测试频率/Hz A 1M B 100k C 10k D 1k E 100 F 10 图2 电容电压测试点
待测阻电容/F 10-100p 100-1000p 1-10n 10-100n 100-1000n 1-10u 2.2.3 测试电感
如图3所示，在测量待测电感的值时，我们把选定的标准电阻和待测电感串联，并在电路两端加有效值为V、频率为f的交流信号，通过转换采集测量电感两端电压的有效值Vtest，于是有ZL??L?2?f?L，推得
图3 测量电感
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