一种高精度LCR测量仪的波形发生器设计

2013-01-16罗锦宏

常州信息职业技术学院学报 2013年3期

罗锦宏

(常州信息职业技术学院江苏常州 213164)

0 引言

LCR测量仪是一种测量电阻、电容及电感相关参数的仪器，仪器内部自主产生的交流信号经驱动后施加于被测器件两端，然后通过测量被测器件两端的电压Vx及电流Ix及两者之间的相位差从而得到一系列相关参数。本文涉及的这种波形发生器是LCR测量仪的重要组成部分，波形发生器可以产生出从50 Hz到200 kHz之间的约12 000个频率信号。LCR测量仪能否产生稳定的符合要求的正弦信号是影响LCR测量仪精度及线性度的关键因素。

1 波形发生器的原理

波形发生器的原理有很多种，常见的几种方法有以下几种:ROM查表法、级数逼近法、直接频率合成法等。

ROM查表法的基本工作原理是事先将模拟信号经采样量化后存入存储器的查找表中，工作时通过寻址查找表的输出波形数据，再经过D/A转换以及滤波便可得到所需波形。其特点是速度快、调频调相容易、精度高，但是占用的存储空间很大。

级数逼近法是通过利用台劳级数展开表达式及计算机的高速运算能力来还原波形的一种方法。级数逼近法的最大特点是灵敏度高，且没有误码差积累，数值精度完全可以由程序控制，且一个周期内计算的样值越多越精确。其缺点在于占用CPU资源过多且对CPU的运算速度要求较高。

直接频率合成法(DDS)［1］是一种新的波形产生法，随着EDA技术的发展，直接频率合成法日益显示出它的优越性，它具有频率分辨率高、频率切换速度快、频率切换相位连续、输出相位噪声低和可以产生任意波形等优点。

2 系统硬件设计

2.1 硬件总体设计

正弦波发生器以可编程逻辑器件CPLD为核心，其硬件结构比较简单。其由MCU控制器、CPLD地址信号发生器、FLASH存储器、DA转换芯片及程控有源滤波器组成。总体结构框图见图1。

图1 系统组成框图

如图1，本仪器中正弦波采用直接查表法得到。MCU输出控制信号协调电路按要求输出不同频率的正弦信号;CPLD接受来自MCU的控制信号并按要求输出查表用的地址信号，相邻两地址信号间的时间间隔决定了信号的频率，CPLD除输出查表用的地址信号外，还输出一些仪器工作所必需的控制信号(如有源滤波器的档位选择信号);FLASH存储器根据CPLD送来的地址信号输出预设的数值;DA芯片把FLASH输出的数字量转变成模拟量，此模拟量经程控滤波器［2］滤除高次谐波成分后得到仪器工作所需要的正弦信号源。

系统中选用晶振频率 Fosc为38.4 MHz，Fosc通过适当分频后即可产生查表所需的地址信号。正弦波发生器输出的正弦信号为LCR测试仪的测试信号源，LCR测试仪测量频率的覆盖范围从50 Hz一直到200 kHz。在这一频率范围内兼顾频点数及波形质量，正弦波发生器输出频率符合如下关系:

当50 Hz≤fx＜20 kHz时:fx=6 ×105/N(N为30～12 000之间的自然数);

当20 kHz≤fx＜100 kHz时:fx=1.2 × 106/N(N为12～60之间的自然数);

当50 Hz≤fx＜20 kHz时:fx=2.4 × 106/N(N为12～24之间的自然数);

为保障波形发生器所产生的各种频率在滤波后得到良好的效果，经实验确定:当50 Hz≤fx＜20 kHz时，每周期为64采样点;当20 kHz≤fx＜100 kHz时，每周期为 32 采样点［3］;当 100 kHz≤fx≤200 kHz时，每周期为16采样点;通上以上表达式可得出在有效频率范围内，仪器可产生约12 000个频率点(下式中N即为预分频数)。

2.2 CPLD接口及内部功能模块划分

本设计中CPLD选用ALTERA公司的EPM3064ALC44-4，其供电电压为 3.3 V，MCU 与FLASH芯片的接口电平均为5 V的CMOS电平。接口之间电平转换参数相互支持，可以进行直接连接。MCU通过串行接口把数据送至CPLD内部的15位移位寄存器，其中13位数据为预分频计数器的模，2位为频段选择位。CPLD内部功能模块如图2所示。

图2 CPLD内部功能模块

38.4 MHz的输入信号经过预分频电路分频后送到同步计数器，同步计数器的计数输出即为查表地址信号，在这里使用同步计数器的目的是确保地址信号之间没有过渡信号，从原理上排除波形出现畸变的情况。Flash存储器事先在对应的地址单元存放有一张正弦波表，它根据CPLD输出的地址信号把相应地址单元的数据从数据口输出给D/A转换电路，DA芯片则把输入的数字信号转变为相应的电压从输出端输出。DA芯片输出信号经过程控有源滤波电路进一步滤波，至此才能得到仪器所需的测试用正弦信号。

3 实验结果

根据上述方法，设计出了一种高精度LCR测量仪的波形发生器。经过实验测试，可以在50 Hz～200 kHz的频率范围内产生出约12 000种频点的正弦信号。通过实测频率准确度及稳定度均在0.05‰以内，能长时间稳定地输出正弦波，高精度的源信号保证了仪器的总体测量精度可以达到0.1%精度。正弦信号发生器输出典型信号如表1所示，经程控有源滤波器滤除高次谐波后其输出的信号波形如图3所示。