基于LabVIEW和FPGA的LCR测试仪的设计

母亚敏，李 冶，柏 荷

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春130026)

本文瞄准国际测试测量和自动化领域的前沿，设计了一套集信号发生、数据采集、分析处理于一体的LCR测试系统，应用于实验教学、工业测控等相关领域。该系统包括硬件平台和软件平台。硬件平台采用模块化的设计思想将一些通用的测量仪器进行模块化，将其集成在虚拟电子测量仪器集成系统平台上，增强了仪器的可重构性；软件平台采用图形化虚拟仪器软件LabVIEW开发。该软件开放、灵活，与计算机技术保持同步发展。基于VIIS-EM平台的LCR测试系统集成了仪器技术、总线技术、计算机技术、软件技术、可测性设计技术等，是仪器发展的趋势[1-2]。

本文详细阐述了一种以Altera公司EP1C3T144C8型号FPGA为硬件基础,以LabVIEW为软件核心的LCR测试仪的设计理念及实施方案，重点论述系统硬件电路设计和软件数据分析处理方法。

1 LCR测试原理

谐振法、电桥法和伏安法是测量阻抗等元件参数的三种主要方法。谐振法要求有较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度测量的要求。电桥法虽然具有较高的测量精度，但需要进行反复调节，测量时间长，很难实现快速自动测量。伏安法有固定轴法与自由轴法两种。固定轴法为了实现坐标轴固定，需要许多专门的硬件电路，如锁相、鉴相等，因此，硬件电路复杂，且存在同相误差。自由轴法采用微处理器直接进行矢量运算，可省去有关硬件电路，因此不存在坐标轴与矢量电压不同相产生的误差，测试精度高、速度快[3]。本设计采用此种方法，既充分利用了现代计算机技术，又体现了虚拟仪器的优势。自由轴法测量LCR原理如图1所示。MCU和FPGA通过多路选择开关控制采集被测信号和标准信号，将采集到的数据送入缓冲放大以及一系列硬件电路，最终传给上层软件LabVIEW处理显示。

图1 自由轴法LCR测量原理框图

2 系统总体设计方案

信号源产生激励信号和基准信号两路正弦波信号。信号发生器产生频率 100 Hz～50 kHz、幅度5 mV～1.5 V的测量信号，用来激励被测对象。为模拟实际电路条件，偏置电源可以对被测元件加上一定的直流偏压。输入电路部分用四端对结构引入被测元器件，有效降低因输入被测元件引起的系统误差。相敏检波把前端采集到的被测信号与基准信号的四路基准信号分别相乘，将矢量电压分离成投影在 0°和 90°或 180°和 270°坐标轴上的量。A/D转换电路把相敏检波的结果从模拟量变为数字量。LabVIEW软件通过前面版分析处理被测件对象Zx的阻抗值，以进行显示。系统图如图2所示。

图2 LCR系统图

3 LCR系统设计中的难点和关键技术

前端激励源的实现、前端电路的设计、相敏检波的实现和系统软件设计是本设计中的难点和创新点。

3.1 激励源

前端激励源的实现利用DDS数字合成技术设计。激励源的频谱纯度、信噪比的高低直接影响到系统的测试测量精度。常用的DDS数字合成系统如图3所示。该DDS系统的核心是相位累加器,它由一个加法器和一个N位相位寄存器组成，N一般为24～32 bit。每来一个时钟，相位寄存器以步长M增加。相位寄存器的输出与相位控制字相加，然后输入到正弦查询表地址上。正弦查询表包含一个周期正弦波的数字幅度信息，每个地址对应正弦波中 0°～360°范围的一个相位点。查询表把输入的地址相位信息映射成正弦波幅度信号，经过D/A变换，输出模拟信号。相位寄存器每经过N/M个时钟后回到初始状态，相应地正弦查询表经过一个循环回到初始位置，系统输出一个正弦波。输出的正弦波频率为：

本设计中利用FPGA芯片与D/A转换器进行DDS数字合成,则具有输出频率宽、精度高、转换速度快、硬件电路简单灵活、价格相对便宜等优点。电路如图4所示。

3.2 前端电路

前端电路主要是实现I-V的变换，将标准电阻的电压降和被测元件的电压降进行分离，送后级调理单元处理。I-V变换模块部分，大多采用自动平衡电桥的方法实现。其具有稳定性好、测量精度高等优点。

在普通的终端方式中,互感、干扰和一些未知因素将对测量结果产生很大的影响,特别是在高频情况下更是如此。为了提高测量精度，本测试系统采用4端对结构来消除上述因素的影响。电路如图5所示。

自动平衡电桥法测量阻抗有很宽的动态范围，这是因为图5所示的电桥电路中,标准电阻Zr的取值可以有许多档。本次设计设置了20 Ω、2 kΩ、50 kΩ三档标准量程电阻，并用继电器进行标准电阻的切换。这样无论阻抗高低,电桥都能平衡，采集到的电压值都在合适的范围内，可以进行准确的阻抗测量，只要保证了电压测量的准确度，也就保证了阻抗测量的准确度。

3.3 相敏检波

相敏检波的实现，是硬件电路最关键的部分，也是系统设计的难点所在，该部分采用全波乘法器，取其有效直流分量。

电路参考图4。ROM1和ROM2共用地址线和时钟线，保证了激励源和参考信号同频率。地址累加器的初始值通过 sel[1..0]选择,与4个初相位相对应。波形 ROM2与4个初相位分别相加，即可输出4组与激励信号源同频率的彼此相位差 90°的正弦参考信号幅度控制字。ROM2输出的8位数据信号送到8位乘法型D/A转换器AD5428的输入，待检测信号加到参考电压端。这样，在AD5428内部对基准相位信号与被测信号相乘，实现了数字全波鉴相。

设被测信号 x(t)=Vscos(ωt+θ)，参考输入 r(t)=Vrcos(ωt)，则相敏检波器的输出为：

第一项为乘积的差频分量，第二项为和频分量。结果表明，经过相敏检波后，原来频率为ω的信号频率迁移了，频谱迁移后保持原谱形状，幅度取决于被测信号的幅度Vs和参考信号的幅度Vr。相敏检波器的输出通过巴特沃斯低通滤波器来消除和频分量，只留下直流分量 ux=0.5VsVr。 同理，当参考输入为 r(t)=Vrcos(ωt+π/2)时，滤波器的输出为ux=0.5VsVrsinθ。由于单次测量过程中参考信号的幅度Vr是固定的，则显然有结论：当用 0°相位参考信号时，输出的结果正比于被测信号在x轴的投影分量(实部)；当用 90°相位参考信号时，输出的结果正比于被测信号在y轴的投影分量（虚部）。低通滤波器的输出通过Σ-△型 A/D转换器ADS1232对直流分量进行模数转换。

4 系统软件设计

微处理和FPGA将硬件采集到的数据经过USB总线上传给系统上位机，由LabVIEW进行数据接收、处理及显示。LCR测试仪软件设计主要包括LabVIEW前面板和后面板程序框图两部分。前面板即用户界面，定义各种控件，设置仪器参数和显示被测数据。程序框图用以控制数据流，并对上传数据进行运算处理。

4.1 底层数据处理

应用程序采用模块化的设计思想，将各部分功能模块化并封装成子VI。在自动测量子VI时，微处理器根据前端反馈数据自动选择一组最优参数 (如标准电阻、放大倍数)，以使得测量结果不致有太大偏差。通过依次调用自动选择标准电阻、自动调节放大倍数、单次测量以及计算各参数测量结果的4个函数来实现。单次自动测量后面板程序如图6。该设计连续调用动态链接库，其基本动作操作和数据处理均在VC中编程实现。

图6 自动测量后面板程序

4.2 上层数据测试

前面板是程序的界面，有控制量和显示量两类对象。在前面板中，控制量模拟了仪器的输入装置并把数据提供给VI的框图程序；显示量是模拟了仪器的输出装置并显示由框图程序获得或产生的数据。将测试频率设为 1 000 Hz，标准电阻 5 00 Ω，信号幅度 100 mV，偏置电压0 V，手动选择单次测量一个标称值是560 Ω的电阻。最后测得两种模式下的测量结果，串联模式下：555.99 Ω；并联模式下:555.99 Ω，测量参数 R指示灯高亮。同时参数可连续手动设置，亦可自动选择一组最优参数，对被测对象进行测量。

4.3 实测对比

本仪器与安捷伦LCR测试仪 E4980A型号相比，L、C、R测试结果如表1所示。

参照仪器为安捷伦LCR测试仪E4980A；参数设置1.28 V正弦信号，100 Hz～100 kHz测试频率，测量设置为手动方式。由于E4980A型LCR测试仪的基本测量精度为±0.05%，而本测试仪的测试结果与其最大偏差小于0.20%，因此本设计的测量精度可达到±0.25%。

表1 L、C、R 测试结果

采用此种方式构建的LCR测试仪器简化了部分电路硬件，提高了可靠性，节约了成本，缩短了开发周期，能够对电阻、电感、电容以及关联参数进行快速、准确检测。以软件替代传统仪器的信号分析及显示等硬件电路，增强了仪器的可操作性，并增加了用户自定义功能。与传统仪器相比，其价格低、可复用、可配置性强，具有一定的实用价值和推广价值。其优势使得虚拟仪器逐步代替传统仪器成为测试领域发展的可能。该设计方案中的方法还存在一些不足，同时硬件电路中的精密电阻的精度会影响到测试仪的测量精度，有待进一步的提高。

[1]张海平.分析LabVIEW控制下的数据采集系统[J].企业技术开发,2011,30(24):71.

[2]韦建荣.可重构测控系统的研究与设计[D].长春:吉林大学，2006.

[3]柏荷，林君，韦建荣.一种虚拟LCR测试仪的设计[J].长春理工大学学报(自然科学版)，2007，30(3)：37-39.

[4]阮奇桢.我和LabVIEW[M].北京：北京航空航天大学出版社，2009.

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