一种高精度LCR数字电桥测试仪

技术领域

本发明涉及电子测量仪器技术领域，尤其是指一种高精度LCR数字电桥测试仪。

背景技术

LCR数字电桥是自动判断阻抗类型并精确测量其阻抗值的仪器。在材料特性研究、元器件的筛选分类、工业自动化控制等方面具有重要应用。现有的数字电桥有台式和手持式。

台式的数字电桥精度较高但功耗高，不方便携带且价格昂贵。现有的手持式数字电桥一般测量速度较慢且测量流程繁琐；常见的手持式数字电桥或采用FPGA芯片，电路结构会较为复杂；或采用51单片机嵌入式平台，51单片机的低速会使测量性能受到限制；或采用MSP430单片机，强调低功耗，但该单片机完全受国外垄断控制。LCR数字电桥中还存在大量使用进口集成电路芯片构成辅助测量电路，不能实现自主可控。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高精度LCR数字电桥测试仪，其能够在提高测量速度的同时简化测量流程，提高微处理器模块AD采集速度，使得LCR数字电桥的测量精度更高。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种高精度LCR数字电桥测试仪，包括微处理器模块和LCR电桥控制模块；所述LCR电桥控制模块包括LCR电桥控制单元、电压差分放大单元和电桥信号处理单元；所述LCR电桥控制单元与微处理器模块连接以形成数字电桥；所述电压差分放大单元的输出端与微处理器模块的输入端连接，所述电压差分放大单元的输入端与所述LCR电桥控制单元的输出端连接以对所述数字电桥中上桥电压差和下桥电压差进行差分采样；所述电桥信号处理单元与所述微处理器模块和电压差分放大单元均连接以对所述数字电桥中的信号进行处理。

作为优选的，所述高精度LCR数字电桥测试仪还包括滤波模块，所述滤波模块的输入端与所述微处理器模块的输出端连接以使得所述微处理器中的SPWM波信号经由所述滤波模块转换成正弦波信号。

作为优选的，所述LCR电桥控制单元包括数字电桥电路和第一模拟开关电路；所述数字电桥电路通过第一模拟开关电路与微处理器模块连接；所述微处理器模块对数字电桥电路中的参数进行控制。

作为优选的，所述LCR电桥控制单元还包括与数字电桥电路连接的第一电压跟随电路，所述滤波模块的输出端与所述第一电压跟随电路的输入端连接，所述第一电压跟随电路将所述滤波模块中的正弦波信号进行稳定输出。

作为优选的，所述电压差分放大单元包括四路电压跟随电路和差分采样电路；所述四路电压跟随电路的输入端与所述LCR电桥控制单元的输出端连接以采集所述数字电桥电路中上桥和下桥的四路电压信号；所述微处理器模块与四路电压跟随电路连接，所述微处理器模块对四路电压信号进行处理，以输出上桥电压差和下桥电压差；所述差分采样电路与所述微处理器模块连接对上桥电压差和下桥电压差进行差分采样。

作为优选的，所述电桥信号处理单元包括第一电压比较器电路，第一电压比较器电路的输出端与微处理器模块连接以判断所述数字电桥电压是否超阈值。

作为优选的，所述电桥信号处理单元还包括四段程控放大电路和第二电压比较器电路；所述第一电压比较器电路与所述四段程控放大电路连接，所述第二电压比较器电路的输入端与所述四段程控放大电路的输出端连接以判断所述四段程控放大电路的增益溢出。

作为优选的，所述电桥信号处理单元还包括三阶低通滤波器电路和同相放大器电路；所述四段程控放大电路的输出端与所述三阶低通滤波器电路的输入端连接以消除高频噪声，提高微处理器模块的AD采样速度；所述三阶低通滤波器电路输出端与所述同相放大器电路的输入端连接，所述同相放大器的输出端与所述微处理器模块的输入端连接以将所述三阶低通滤波电路中的信号进行放大并传送给微处理器模块进行AD转换。

作为优选的，所述同相放大器电路包括运算放大器芯片SGM8551。

作为优选的，所述滤波模块包括六阶低通滤波器电路和一阶高通滤波器电路；所述六阶低通滤波器电路和一阶高通滤波器电路并联，所述微处理器中的SPWM波信号经由所述六阶低通滤波器电路和一阶高通滤波器电路转换成正弦波信号。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明包括微处理器模块和LCR电桥控制模块。采用模块化的设计，电路结构简单；内附微处理器模块，使得本发明体积更小易于携带且价格和功耗都更低。

2、本发明LCR电桥控制模块包括LCR电桥控制单元、电压差分放大单元和电桥信号处理单元；其能够提高数字电桥的测量速度，同时能够简化数字电桥的测量流程。

3、本发明的滤波模块能够将微处理器中生成的SPWM波经过滤波模块转换成正弦波信号，为LCR测量提供驱动信号。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：

图1为本发明的整体方案结构示意图；

图2为本发明的微处理器模块电路原理示意图；

图3为本发明的滤波模块的电路原理示意图；

图4为本发明的LCR电桥控制单元的电路原理示意图；

图5为本发明的电压差分放大单元的电路原理示意图；

图6为本发明的电桥信号处理单元的电路原理示意图；

图7为本发明微处理器模块的工作流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1-图7所示，本发明公开了一种高精度LCR数字电桥测试仪，其用于对待测阻抗Zx进行检测，包括：

微处理器模块、滤波模块和LCR电桥控制模块。

具体的，上述微处理器模块以微处理器为核心构成微处理器电路，上述微处理器优选为ARM 32位单片机GD32F103C8T6。上述微处理器的PA2引脚能够生成SPWM波，与微处理器的PC13引脚协同控制LCR鉴相信号。上述微处理器的TXD引脚和RXD引脚能够用于串口液晶屏通讯，显示测量结果。

上述滤波模块的输入端与微处理器模块的输出端连接。

参照图3所示，其中，滤波模块包括多个依次并联的电容C22、电容C21、电容C20、电容C19、电容C18、电容C23和电阻RDS1。上述电容C22和电容C21之间连接有电阻R46，上述电阻R46与一电阻R47的其中一端连接，电阻R47的另外一端与微处理器的PA2引脚连接。上述电容C21与电阻R46之间的连接结点与微处理器的PA6引脚连接。电容C21和电容C20之间连接有电阻R45，电容C20与电容C19之间连接有电阻R44，电容C19和电容C18之间连接有电阻R43，电容C18和电容C23之间连接有电阻R42，电容C23和电阻RDS1之间连接有电容CDS1。

上述电阻R47、电容C22、电阻R46、电容C21、电阻R45、电容C20、电阻R44、电容C19、电阻R43、电容C18、电阻R42和电容C23构成六阶低通滤波器电路。上述电容C23和电阻RDS1构成一阶高通滤波器，以去除直流分量。上述微处理器的PA2引脚生成的SPWM波经过上述六阶低通滤波器电路和一阶高通滤波器获得正弦信号，为LCR测量提供驱动信号。上述微处理器的PA6引脚能够控制正弦信号的幅度。

参照图4所示，上述LCR电桥控制模块包括LCR电桥控制单元，电压差分放大单元和电桥信号处理单元。

优选的，上述LCR电桥控制单元与处理器单元连接。上述LCR电桥控制单元中以运算放大器SGM8552为核心，上述运算放大器SGM8552包括第一放大器UBA和第二放大器UBB。上述第一放大器UBA形成第一电压跟随电路，上述滤波模块的输出端与第一电压跟随电路的输入端连接，第一电压跟随电路将滤波模块中的正弦波信号进行稳定输出。上述第二放大器UBB形成数字电桥电路，上述第一电压跟随电路与数字电桥电路连接。上述LCR电桥控制单元还包括第一模拟开关电路，数字电桥电路通过第一模拟开关电路与微处理器模块连接，微处理器模块对数字电桥电路中的参数进行控制。

具体的，上述第一放大器UBA的输出端与限流电阻R52的其中一端连接，上述限流电阻R52的另外一端与待测阻抗Zx的其中一端连接，上述限流电阻R52和待测阻抗Zx的其中一端之间短接有电阻R17，上述第一放大器UBA的反相输入端与输出端相连以增强驱动能力，上述第一放大器UBA的同相输入端与滤波模块连接。

上述第二放大器UBB的反相输入端与待测阻抗Zx的另外一端连接，上述待测阻抗Zx的另外一端与第二放大器UBB的反相输入端之间短接有电阻R18。上述第二放大器UBB的反相输入端并联有电阻Ra1、电阻Ra2、电阻Ra3和电阻Ra4。

优选的，上述电阻Ra1、电阻Ra2、电阻Ra3和电阻Ra4组成下桥电路，上述Zx为上桥，上述第二放大器UBB的输出端与下桥电路连接；通过设置上述电阻R17和电阻R18能够保证待测阻抗Zx断开时数字电桥电路中仍然有输入信号。

进一步的，上述第一模拟开关电路中包括模拟开关芯片74HC4052。上述模拟开关芯片与上述下桥电路连接，上述模拟开关芯片与微处理器模块的PB0引脚和PB1引脚连接，通过上述PB0引脚和PB1引脚能够控制电阻Ra1、电阻Ra2、电阻Ra3和电阻Ra4的选择。

参照图5所示，电压差分放大单元与上述LCR电桥控制单元连接。具体的，上述电压差分放大单元包括由第二运算放大器构成的四路电压跟随电路、第二模拟开关电路和差分采样电路。其中，上述四路电压跟随电路的输入端与LCR电桥控制单元的输出端连接以采集数字电桥电路中上桥和下桥的四路电压信号。微处理器模块与四路电压跟随电路连接，上述微处理器模块对四路电压信号进行处理，以输出上桥电压差和下桥电压差，上述差分采样电路与微处理器模块连接对上桥电压差和下桥电压差进行差分采样。

优选的，上述第二运算放大器的型号为SGM8554，上述第二模拟开关电路包括模拟开关芯片74HC4052。上述第二运算放大器与LCR电桥控制单元中的运算放大器SGM8552连接，实现采集数字电桥电路中的上桥和下桥的四路电压信号。上述第二运算放大器与上述模拟开关芯片74HC4052连接，上述模拟开关芯片74HC4052与微处理器的引脚PB12连接，通过上述引脚PB12能够切换输出数字电桥电路中的上桥电压差和下桥电压差。

上述差分采样电路包括仪表放大器芯片SGM620，上述仪表放大器芯片SGM620与模拟开关芯片74HC4053连接，其能够对数字电桥电路中的上桥电压差和下桥电压差进行差分采样，消除模拟开关电阻的影响，保证电压采样的精度。

进一步的，上述电桥信号处理单元与LCR电桥控制单元和电压差分放大单元均连接以对数字电桥中的信号进行处理和输出。电桥信号处理单元包括第一电压比较器电路，第一电压比较器电路的输出端与微处理器模块连接以判断数字电桥电压是否超阈值，电桥信号处理单元还包括四段程控放大电路和第二电压比较器电路。第一电压比较器电路与四段程控放大电路连接，第二电压比较器电路的输入端与四段程控放大电路的输出端连接以判断四段程控放大电路的增益溢出。

具体的，参照图6所示，其中，电桥信号处理单元以运算放大器SGM8554为核心，上述电桥信号处理单元中的运算放大器SGM8554包括放大器UOP2B、放大器UOP2C、放大器UOP2D和放大器UOP2A。上述电桥信号处理单元还包括模拟开关芯片74HC4053。上述放大器UOP2B构成第一电压比较器电路。上述模拟开关芯片74HC4053、放大器UOP2C和放大器UOP2D构成四段程控放大电路。上述放大器UOP2A构成第二电压比较器电路。

电阻RM3、电阻RM4、电容CM3和电容CM4构成二阶低通滤波器电路，上述二阶低通滤波器电路接到放大器UOP2B的同相端。上述数字电桥电路的差分信号经过电阻RM6、电阻RM7、电容CM6和电容CM7构成的带通滤波器电路接到放大器UOP2B的反相端。上述放大器UOP2B的输出信号经过电阻RM5和电容CM5构成的低通滤波器电路接到微处理器的PA0中断引脚处理，用于数字电桥电路中电压超过阈值的快速处理。

上述放大器UOP2A的反相端接上述四段程控放大电路的输出，用于快速判断四段程控放大电路的增益溢出。

进一步的，电桥信号处理单元还包括三阶低通滤波器电路和同相放大器电路。四段程控放大电路的输出端与三阶低通滤波器电路的输入端连接以消除高频噪声，提高微处理器模块的AD采样速度。三阶低通滤波器电路输出端与同相放大器电路的输入端连接，同相放大器的输出端与微处理器模块的输入端连接以将三阶低通滤波电路中的信号进行放大并传送给微处理器模块进行AD转换。

具体的，电阻R33、电阻R34、电阻R40、电容C11、电容C12和电容C14构成截止频率1KHZ的三阶低通滤波器电路，上述三阶低通滤波器电路与四段程控放大电路连接以消除高频噪声，并结合微处理器的数字滤波提高AD采样速度。

上述放大器UOP3为运算放大芯片SGM8551，其能够构成同相放大器电路，上述同相放大器电路与微处理器模块连接以对经过上述三阶低通滤波器电路的直流信号进行放大并传送给微处理器模块的PA5引脚进行AD转换。

参照图7所示为微处理器模块的逻辑控制示意图，其能够对LCR的复阻抗进行测量并显示。

本方案的LCR数字电桥，简化了测量控制电路，并且全部采用国产芯片，实现了完全自主可控。以ARM 32位单片机GD32F103C8T6为嵌入式平台，使用单片机的PWM引脚配置阈值电压，实现数字电桥的下桥的快速选择和四段程控放大器的溢出监控，提高测量速度的同时简化了测量流程，结合截止频率1KHZ的三阶低通滤波器电路和数字滤波提高测量速度，实现0.1％测量精度。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。