一种电容电感测量仪方案设计

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1、一种电容电感测量仪方案设计　　摘要：本文主要介绍一种以FPGA为核心控制器的用于测量电容电感的测试仪系统方案，与传统电容电感测试仪相比，明显提高了测量值的精确度，希望通过本文的方案设计对加快电子产品的发展具有一定帮助。关键词：电容电感，测量仪，设计Abstract:ThispaperintroducesaFPGAasthecorecontrollerfortestingsystemofmeasuringmethodofcapacitanceandinductance,comparedwiththetraditionalcapacitanc

2、eandinductancetester,obviouslyimprovestheaccuracyofmeasurement,hopethatthroughthispaperdesigntofasterdevelopmentofelectronicproductshavesomehelp.Keywords:capacitanceandinductance,measuringinstrument,design中图分类号：S611文献标识码：A文章编号：一、引言7目前国内外的电容电感测量仪，往往硬件设计庞大复杂，功能众多，操作复杂且价格昂贵。

3、本文正是应此发展需求，设计开发一种体积小可便携、测量精度高、操作简单但功能强大的电容电感测量仪。系统抛弃了传统的电桥法、谐振法，采用经典的伏安法，按照阻抗定义设计——五端测量电路；由FPGA设计——DDS发生器，产生频率连续可调的正弦波信号作为测量激励源；数字式全波鉴相器有效去除各种谐波影响，相位分离后得到的分量被高精度高速AD采样后，经过一系列计算处理后，得到测量结果。二、系统总体方案设计系统总体设计方案如下图所示。系统架构采用FPGA＋MCU模式。系统首先由FPGA生成各种频率信号波形数据，送至外部高速DAC转换成模拟信号，经过幅度调

4、整、低通滤波和功率放大，进入前端测量电路；待测电抗元件放入五端连接器，接入测量电路，系统会分时通过差分电路取出压降，后通过双AD603级联组成的宽范围可编程增益放大器，调整到最佳幅值，送入相敏检波器的乘法DAC中，进行信号的相位分离；相敏检波器是双路同时工作，生成待处理信号在相差90°的两坐标轴上的投影分量，经过有源低通滤波器和电压抬升电路后，由最终的高速ADC采样，进行数字积分与滤波算法后，计算得到测量结果和各种参数值。系统由单片机At-mega64来检测用户输入和结果显示输出，相应档位的快速自动选择与切换由FPGA完成。三、系统硬件设

5、计7基于此架构的电容电感测量仪硬件部分主要包括信号发生器、前端测量电路、数字相敏检波器、A/D转换器等组成。3.1、信号发生器模块设计要求信号频率范围为20～100kHz，且可以对频率进行步进调节设置。传统的无源RC＋运放或LC谐振回路都无法满足要求，故采用FGPA实现DDS原理的设计方案。设计功能框图如下图所示。信号发生器模块硬件部分主要包括分频器、相位累加器、波形存储器、DA转换、幅度调节、滤波电路和功率放大。本系统采用Cyclone系列的FPGA芯片EP4CE10E144。在整个信号发生模块里，FPGA内部分别设计这三个模块：数字分

6、频器、相位累加器和波形存储RAM表。数字分频器将FPGA系统时钟分频为要求的频率值，并控制相位累加器、寻址RAM表的对应波形数据，通过高速DA转换为模拟信号。其中，数字分频器接收来自外部输入16位分频数，并输出控制时钟信号到RAM表，相位累加器有一个控制命令输入端，用来控制整个波形发生。本设计中，选用了AD公司的数模转换器AD5424。它是一种高带宽、8位并行接口的乘法DAC，高达10MHz的带宽满足设计要求。将FPGA输出的数字信号接到AD54247的数据端口，Vref接一片幅值调节DAC的输出，通过程序配置可将正弦信号在0～5V倍数范

7、围内放大或衰减。其中的幅值调节DAC选用AD公司的AD5314，它具有10位输出精度，四通道电压输出，剩余的三路输出将接到后续的程控放大部分的输入。随后信号经过一高速运放设计的跟随器后，进入LC低通滤波器滤除高频杂波。为了在性能和电路复杂度均衡，本设计选用7阶巴特沃斯滤波器作为高速DAC输出滤波，其通带频率为40MHz，最后由LM7171进行功率放大后，进入前端测量电路。其原理图如下图所示。3.2、前端测量电路该部分设计依据伏安法测量原理，待测阻抗元件为Zx，参考元件为Zs，将它们串联组成基本电桥。测量时，激励正弦波信号由四端子中的HC输

8、入，流经Zx后由LC端子引到Zs参考阻抗元件，形成电流通路。为了提高测量精度，阻抗元件Zs共设置了10Ω、100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ这几个档的标准电阻。7由于激励源是交流信号，换挡