信尊父If7齐乏e话学（X毕业设计文献综述（2013 届）（简易RLC测量系统的设计）学生姓名李亚芳学 号0408090118系 别信息与电子系专业班级自动化0901指导教师庞章炯填写日期2012-11-3简易RLC测量系统的设计摘要本文简单的介绍了简易RLC测量系统的发展趋势，并旦系统性地分析和介 绍了目前常用的简易RLC测量系统的设计及其原理和控制方法。常用的有电桥 法、谐振法及伏安法三种测量方法。本文主要介绍-种基于以上方法创新的谐振 测量法。关键词简易RLC；测量；控制1简易RLC测量系统的发展智能化测量仪器的出现，极大地扩充了传统测量仪器的应用范围。智能仪器 凭借其体积小、功能强、功耗低等优势，迅速地在科研单位和工业企业中得到了 广泛的应用。而测量仪器的发展趋势是向着智能化，智能仪器是近年仪器科学发 展的一个重要分支。RLC测量仪是一种以单片机为基础的自动测量电阻R、电感 L、电容C等参数的智能元件参数测量仪器。电阻R、电容C、电感L是最常见的电子元器件，RLC参数是电子线路实验 室及其它电子电气类实验室经常处理的参数，RLC参数测量是常见的实验室操 作。RLC参数的高精度测量亦可广泛用于电阻、电感、电容的参数测量和元件筛 选，还可用于电路板分立元件在线参数测量与分析。随着工程技术要求的提 高，对RLC测量仪的测量精准度以及性能稳定性提出了更高的要求。2研究方向RLC是电子系统中的基本原件，其参数的精度影响了电路的性能及指标。目 前.测量电路参数R、L和C的仪表种类多种多样.其方法也不尽相同。这些方 法都有其实用性，但是随着工程技术要求的提高，它们的弊端也越来越明显。常见的RLC测量方法有电桥法、谐振法及伏安法。2. 1电桥法电桥法是能同时测量电器元件R、L、C最典型的方法。电阻R可用直流电桥 测量，电感、电容C可用交流电桥测量。通过调节阻抗使电桥平衡，根据平衡 条件及一些己知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法，参数的值还 要通过联立方程求解，调节电阻值一般只能手动，电桥平衡的判别亦难以用简单 的电路实现。这样，电桥法不易实现快速自动测量。而半平衡电桥法是指电桥不需完全调平衡，仅利用局部平衡就可快速测量复 阻抗中某一*分量的方法。(M)右RsZ(RLC) MDACZ(RLC)MDAC图1半平衡桥电路2. 1. 1电感测量(1f)K(imK图2电感测试向量图(1) 以Rs两端电压Vr为参考电压，调节抽头位置使得匕与?正交，此时 比例系数为m;(2) 以输入信号匚为参考电压，调节抽头位置使得V,与匕正交，此时比例 系数为n；测试电感各参量由以下三式给出：(m-凡)1n (1-m)2. 1.2电容测量(1) 以电容两端电压、为参考电压，调节抽头位置使得匕与*正交，此时 比例系数为Rio(2) 以输入信号为参考电压，调节抽头位置使得K与匕正交，此时比例系数为n；图3电容测试向量图测试电容各参量由以下三式给出：tan5 = mI -n n-m2. 1.3电阻测量对于电阻所有电压电流为同向或反向，此时只需测量几为0的时的比例系数E；图4电阻测试向量图 待测电阻值可由下式计算2. 2谐振法谐振法采用由了 RC振荡器和电容三点式振荡器。将待测参数信号转换为频 率信号的方法，便于单片机进行信号采集。同时频率信号不易受到环境温度的影 响。图5为谐振法测量RLC系统框图RC振藩电路图5系统框图2.2. 1电容C、电阻R测量方法对电容、电阻进行测量的基本原理是利用RC振荡，采用“脉冲计数法”，具 体做法是用电容三点式振荡电路与555电路构成多谐振荡电路，并产生一定的频 率，然后通过测量频率信号得出电容和电阻的信息。555接成多谐振荡器的形式，其振荡周期为7=22=(ln2W+R)xC+(ln2)&xC(1)1QR1OOQ：拨码开关 1、8 选通,选取：R = 40Q； C = 0. 5uF；凡二(2.885x1俨)/(2欢)-40/2；对应的频率范围为：11kHz儿W47 kHz；100。WRx10 kQ：拨码开关 2、7 选通，选取：R=330 Q ； 0=0. 2 u F； Rt=(6.55Sx(f)/(2xf33O/2;对应的频率范围为：320Hz比W11. 3 kHz；10kQWRlMQ：拨码开关 3、6 选通,选取:R=21kQ； C=3. 3nF；Kt= (4.372xIO8)/(2x/J-(2.1 x 10*)/2 ；对应频率范围为：215Hz9. 27 kHz；设置 R1=R2,得出A=143(ln2)/?!)xC ,即：G=l/3(ln2用成】。图6 (a)为电阻测量电路，图6(b)为电容测量电路。图6(a)电阻测量电路图6(b)电容测量电路2. 2. 2电感电感的测量是采用电容三点式振荡电路来实现的。三点式电路是指：LC回路 中与发射极相连的两个电抗元件必须是同性质的，另外一个电抗元件必须为异性 质的，而与发射极相连的两个电抗元件同为电容时的三点式电路，成为电容三点 式电路。f/2/LC )，即：厂1/(4”乂4宣班，0， 取C3=C4=1OO nF；/,户(5.O66X1O5)/：图7电感测量电路很多仪表都是把较难测量的物理量转变精度较高且较容易测量的物理量。基 于此思路，把电子元件的集中参数R、C、L转换成频率信号f,然后用单片机计 数后再运算求出R、C、L的值并显示，转换的原理分别是RC震荡和C三点式振 荡。其实，这种转换就是把模拟量近似转换为数字量，频率f是单片机很容易处 理的数字量，这种数值化处理一方面便于使仪表实现智能化，另-方面也避免了 由指针读数引起的误差，从而达到仪表的高可靠性、高精度和多功能。2. 3伏安法伏安法是测量电阻的最基本方法，分别用电流表和电压表测出通过电阻的电 流和电压，根据公式R二U/I求得电阻。这种测量方法要同时测出两个模拟量，不 易实现自动化。伏安法的测量原理源于阻抗的定义，若已知流经被测阻抗的矢量电流并测得 阻抗两端的矢量电压，通过比率便可得到被测阻抗，进而确定被测参数。伏安法 分为固定轴法和自由轴法。2.3. 1固定轴法固定一信号的坐标轴，并确保参考信号与信号之间精确的相位关系，硬件 电路复杂并且要求很高2.3.2自由轴法常见的自由轴法有2种鉴相方式，模拟鉴相法及准数字鉴相法。模拟鉴相法 灵敏度和准确度低；准数字鉴相法虽然精度有所提高，但鉴相过程中的窄脉冲干 扰无法完全消除。图8为自由轴RLC测量原理图。自由轴法中的坐标轴可以任意选择，但必须 保持两个坐标轴准确正交，故需在虚拟RLC测量仪器中设置频率精确的正弦信 号源、高精确差动放大器、精密检相电路、高精度A/D芯片等一系列高性能和高 成本的功能电路，这就会大大增加成本。图8白由轴法RLC测量原理图图8中,由于Ux=IoRx, Us=IoRs,因此被测阻抗为Zx =卷Rs设矢量Ux对应的数字矢量为Nx,矢量Us对应的数字矢量为Ns。Nx在直角 坐标系x、y轴上的投影值分别为nl、n4, Ns在z、Y轴上的投影值分别为n2、 n3,则以电感出联电路为例，推导被测参数的数学 模型。由上式，有Zx = Rx +以x = Rs （叩孕色+j判言3 ） H2 I十3 /被测电感为：r _ Rs y 2 刀4 ”1姣云X *房介质损耗电阻为：n _ p v “2 + 勿3Q值为：图9日由轴法数字矢量图Qx Rx -nn2+nzni=CdLx _ 刀 2 久 4 1 刀 33总结综合上文所述，简易RLC测量系统的设计方法分为三大类：电桥法、谐振 法和伏安法。三大方法各有利弊，电桥法是能同肘测量电器元件R、L、C最典 型的方法，精度高，但电路复杂且测量时还需要调节电桥平衡.不利于实现全自 动的智能化控制；伏安法则是测量电阻的最基本方法，它的缺点也是不易使用自 动化；谐振法要求有较高频率的信号源并且测量精度低，但是若把较难测量的物 理量转变精度较高且较容易测量的物理量，测量精度就会有所提高。参考文献.陈世夏，任秀芳，王翠珍.基于SPCE061A的RLC测试仪的设计J.仪表技术， 2012,2:12-15.王选民，张利川，黄利君.自由轴式RLC测量新方法及应用J.解放军理工大学学报: 自然科学版，2011, 12(6): 577-581.张秀梅.RLC器件数字测量仪设计与实现J.微计算机信息，2012,3:70-72.郑磊,何文斌.基于MSP430单片机半平衡桥RLC测量仪设计J.电子器件,2011, 34(4): 446-449.郎科伟，潘欣裕，董兴法.基于单片机的RLC智能测量仪的设计与实现J.苏州科技学 院学报:工程技术版,2010, 23 (4):77-80.李军骑，罗伟，郭佳平.基于MSP430F149的RLC、频率及相位差测量仪的设计J.电子 元器件应用,2010, 12(11):24-27.朱赣，徐云龙，李伟明.简易RLC电桥测试仪的设计J.九江职业技术学院学报, 2012, 1: 13-14.王贵恩，郭春香.采用单片机的便携式RLC参数测试仪J.国外电了测量技术， 2008, 27(10) : 63-66.刘芬，杨继生，宋延民.一种RLC参数测量新方法J.天津工程师范学院学 报,2007, 17(1): 31-33.赵茂泰.智能仪器原理及应用M .第3版.北京：电子工业出版社，2009.张大彪.电子测量技术与仪器M.北京：电子工业出版社，2011.张军，习友宝，石天祥，等.基于虚拟仪器的RLC参数测量J.仪器仪表学报，2006, 27(6)： 1799-1801.黄利君,何蓉.基于数字鉴相的自由轴法RLC测量J.现代电子技术，2009(15)： 112 114.郝绍杰，韩晓东.校准件不完善导致的矢量网络分析仪剩余误差分析J.国外电了测 量技术，2008(6)： 5456.赵茂泰.智能仪器原理及应用M.北京：电了工业出版社，2005