基于TDC芯片的LCR参数测量仪

2012-07-12李玲田书林戴志坚

电子测试 2012年1期

李玲, 田书林, 戴志坚

（电子科技大学自动化工程学院成都 611731）

0 引言

LCR参数的测量属于阻抗测量的范畴。阻抗测量一般是指电阻、电容、电感及相关Q值、损耗角、电导等参数的测量[1]。LCR参数的测量方法主要有电桥法、谐振法和矢量电流电压法3种[2]。矢量电流电压法即根据被测件两端的矢量电压和流过被测件的矢量电流计算出阻抗矢量[3]，如图1所示。目前大多采用两种方法来实现阻抗矢量虚实部的分离。一种是通过相敏检波器来实现，另一种是通过高速ADC采样信号，通过比较零点位置获取相位差信息来实现。相敏检波器相位参考基准的自由轴法和固定轴法中，固定轴法为了确保精确的相位关系，其硬件实现电路复杂，调试也困难；自由轴法主要靠软件来产生和保证精确的正交坐标系，简化硬件电路的同时提高了测量精度，但是大量使用软件替代硬件会使测量速度很难提高。而高速ADC成本又太高。因此，本文提出了一种在矢量电流电压法测阻抗基础上使用TDC（时间数字转换器）芯片实现虚实部分离的方法。

1 矢量电流电压法测阻抗的原理

通过电阻电感电容的电压信号只会产生幅度和相位的变化，频率不会改变，这是矢量电流电压法测阻抗的基本前提。根据欧姆定律，阻抗可以看成是电路中电压与电流之比，在正弦交流的情况下，电压和电流的比值是复数[1]，于是阻抗表示成：

图1 引入标准阻抗测试

用相量法分析以上正弦稳态电路，将(2)式代入(1)式可得：

其中，|Ux|，|Us|为正弦信号的有效值。将式（3）用由欧拉公式展开并令：

将（4）代入式（3）可得：

电感或电容都不是理想的，存在寄生电容、寄生电感和损耗。由电感电容电阻的串联并联等效电路和阻抗测量值的关系可以通过阻抗测量值计算出Ls、Lp、Cs、Cp、Rs、Rp、D、Q等参数。

2 LCR参数测量仪的硬件设计

LCR参数测量仪的硬件设计框图如图2所示。仪器的工作频率直接影响测量精度，因此要求测试信号源频率精确度和稳定度要高，因此为了产生稳定的测试激励信号，设计中采用DDS芯片AD9854。DDS输出频率的稳定度主要取决于时钟的稳定度[5]。而信号源输出的频率稳定与否又直接关系到相位差测量的精度。因此AD9854的晶振选择的是频率稳定度和准确度很高的石英晶体振荡器。测试的两路信号经过低通滤波器调理后分别测量其有效值和相位差信息。

图2 LCR参数测量仪硬件结构框图

TDC-GP2 是 ACAM 公司通用 TDC 系列的新一代产品。它具有更高的精度单次测量分辨率为 65ps，封装更小，功耗更低，尤其适合于低成本的工业应用领域[6]。由于测量信号的频率已知，所以测出两脉冲信号的时间间隔Δt以后，两信号之间的相位差信息也可以得到，

TDC-GP2测量的时间间隔必须是脉冲对之间的时间间隔，而s和都是正弦信号，因此需要将s和信号通过低延时宽频带的过零比较器ADCMP562来将正弦信号变换成同频率的方波信号如图2所示。与s相对应的转换后的方波信号接到TDC-GP2的Stop1端，与相对应的转换后的方波信号接到TDC-GP2的Stop2端，Start信号的脉冲由ARM控制FPGA在每次需要测量相位差时发出Start触发信号触发测量。输入信号Start，Stop1和Stop2都可以通过设置配置寄存器REG0的低三位来设置为上升沿触发，下降沿触发，或者上升沿和下降沿同时触发的触发方式。在配置寄存器REG1的bit16-bit23位设置Stop1和Stop2通道脉冲的个数。相应结果寄存器中的值即为Stop1信号和Stop2信号各个脉冲之间的时间间隔。设计中使用 32位的校准结果，也就是每次测量都对 TDC测量单元进行一次校准，这个功能通过设置REG0的自动校准位为 0来开启。测量范围1的测量时间间隔Time的计算公式为：

式中，N=1,2，4，是分频因子；RES_X表示结果寄存器的值；Tref是外部基准时钟 4 MHz[6]。

假定选择 ALU 空闲作为中断源（在 REG2的 EN_INT 位设置），只要结果寄存器中有可读的数据，中断标志位就会置位。然后输出寄存器的载入指针增 1，并指向下一个要存储的单元。因此，用ARM不断的读TDC的中断信号引脚INTN，若为低则判断寄存器是否溢出，无溢出则发读信号将TDC结果寄存器的测量数据读到FPGA中。在本设计中，时间间隔信息进行多次测量取平均值，这样可以大大消除量化误差和系统误差，从而提高测量精度。

3 LCR测试结果及误差分析

LCR测试的测量结果并不是被测件的实际值，还包含了很多误差。信号源的频率稳定度、ADC量化误差、TDC的量化误差、比较器等器件的固定系统误差，测量回路的分布参数、测试夹具的残差、测量时的接触电阻等都会引起测量误差。因此，仪器的校准补偿必不可少[8]。由于整个回路中分布参数的影响，在不同的测量条件下，线路产生的误差不同。因此每次更改测量条件后，尤其是更改测试频率后需要对系统测量线路进行校准然后再开始测量[9]。同时，等效电路对测量结果的影响也很大，因此根据不同的情况应选择不同的电路等效模型以减小测量误差[10]。表1～表3是不同条件下对精度为0.1%的标称电阻、电感、电容的测量结果。