DIY数字电桥说明.docx

本文格式为Word版，下载可任意编辑DIY数字电桥说明 DIY数字电桥说明 许剑伟 莆田十中 13850262218 一、概述： 玩矿石收音机，大片面元件需要DIY，所以需要知道元件的参数由于DIY的元件没有标称技术参数譬如，需要知道谐振器件、检波器件、天线、耳机、变压器等器件的电抗特性其中，高频参数可以使用Q表解决问题，而低频参数Q表难以测定为了解决这个问题，笔者认为LCR数字电桥能够胜任 2设计目标： 1、能够切实测量电抗器的L、C、R，精度优于0.5%，假设举行人工逐档校准，精度优于0.3% 2、取材轻易，电路干脆，易于制作，本金应适当操纵使之具有更强的业余DIY价值及研究价值，并通过设计、DIY学习到LCR电桥的相关细节、原理 2本LCR表的根本特性 AD转换器的字数：约1000字，采用了过采样技术，有效辨识力约为2000字 测量方法：准桥式测定，测量原理类似于比例法测电阻 主要测量范围：1欧至0.5兆欧，精度0.5%（理论），阻抗实测比对，均未超过0.3% 有效测量范围：2毫欧至10兆欧，最小辨识力1毫欧 串联剩余误差：2毫欧，低阻测量时此误差不成疏忽 并联剩余误差：50M欧，高阻测量时此误差不成疏忽 Q值误差：±0.003（Q2，相对误差，简易算法），其它按0.5%左右估算 D值误差：±0.003（D2，相对误差，简易算法），其它按0.5%左右估算 高阻测量中，D、Q有效测定于40pF以上电容，20pF以下精度变差好多。

LED版未测定，暂定100pF为测D、Q下限 开路清零：LCD片供给开路清零，以便当小容量电容Q值测定LED版不供给此功能，所以小容量电容Q值须人工修正才可以得到正确结果 留神：Q = 1/D 测试信号幅度：峰值200mV（100Hz），180mV（1kHz），190mV（7.8kHz） 电感：0.02uH辨识力，测量范围0.1uH至500H，超出500H未测试（由于我没有更大的电感器） 电容：辨识力与夹具有关夹具好的话，辨识0.1pF或0.05pF，不屏蔽只能辨识到0.2pF，甚至只有1pF上限测量，没有测试，只测过10000uF电容，手上没有更大的电容 实测误差，比上述精度指标好大量 推举简易夹具：7cm长7.5平方毫米导线，接上夹子即可 本表基准源：分别为4个基准电阻，一个时间基准电阻基准就是电桥的4个下臂电阻，要求精度达成0.1%，对1%精度的金属膜电阻筛选即可时间基准用32MHz石英晶振得到，精度可以得志电桥要求的假设电阻达不到要求，可以使用软件校准 频率精度：实际频率为99.18Hz、999.45Hz、7812.5Hz，简写为(100Hz、1kHz、7.8kHz)。

由于DDS的频率辨识力有限，所以不采用整数频率频率精度约为0.02%（由石英晶振抉择） 信号源失真度：没有专用仪器测试，只做估测对输出信号做一次高通滤波后，用示波器查看，未察觉可觉察失真假设有可觉察失真，对D值测量有一些影响 2特点： 将正弦信号发生器、AD转换器、0度方波、90度方波全部利用单片机完成，电路大大简化，而性能可以得志一般要求这使得仿制者更轻易，更适合作为DIY仪表 二、LCR数字电桥的原理 2LCR电桥原理 测定电抗元件Zx中电压U1与电流I，利用欧姆定律就可以得到Zx?U1I? U1U2/RU1U2当Zx串联了已知电阻R，那么测定了R上压降U2，就可得到Zx?可见，无需测量I的概括值就可以得到Zx，这是电桥的一般特征 U1I?R 为了得到Zx在x轴与y轴上的两个分量，以上计算须采用复数计算 设U1 = a+jb，U2=c+jd 那么Zx?Ra?jbc?jd?R(a?jb)(c?jd)c?jd?Rac?bd?j(bc?ad)c?d22 U1与U2要采用同一个坐标系来测量借助相敏检波器，可以分开出a、b、c、d，相敏检波过程，需要一个稳定的0度与90度的正交坐标轴，测量期间，U1、U2向量也务必在这个坐标系中保持稳定，不能乱转。

为了得到足够的精度，操纵好放大器的增益，使得a、b、c、d的有效数字足够大，Zx的测量精度就高然而，Zx分母两个正交量ac+bd和bc-ad，其中一个可能相对于另一个小得多，这就要求AD转换器的精度及辨识力要足够大，否那么小的那一个难以辨识出来 为了减小分布参数的影响，电路中引入了V/I变换器，上、下臂的中点变为了虚地详见电路 上、下臂电压分别通过“仪表三运放”缓冲放大后输出三运放”电路有较强的共模抑制才能V/I变换器，并不能保证在7.8kHz时虚地对地电压为零，尤是在低阻测量时，这就产生了共模干扰信号，因此引入仪表三运放电路是必要的可见，V/I变换器与“三运放”的结合，有效实现了上下臂电压的隔离放大，并且在音频域很轻易得到高精度 经K3切换上下臂，信号进入下一级放大为了使电桥更精确，通常要求上、下臂使用“同一个毫伏表”放大（或者不放大，直接举行相敏检波）由于本电路AD的辨识力缺乏，直接检波只能保证电桥在平衡点邻近±30%的范围内取各较好的精度如，桥平衡时对应表头字数600字，若被测阻抗不能使电桥平衡时，上臂变为600+300=900字，下臂变为600-300=300字，鲜明，对于300字的读数，最多只能得到0.3%的精度，超出这个范围后，精度将下降。

以上分析说明，对于某一量程，保持良好精度的范围对比小，除非采用更高精度的AD为了解决这个问题，后级可控增益对每个量程都启用，这样，各档测量范围就增加了，而精度没有明显减小启用了可控增益放大器，上下臂电压测量实际上不再使用“同一个毫伏表”，因此误差大一点 两级可控增加，分别为9倍和3倍，组合后，得到1、3、9、27四种增益放大 电路中的杂散耦合总是存在的没有严格的屏蔽，杂散耦合多少存在一点，对高阻测量有影响当然，电路板内部信号传递过程中也存在一些杂散耦合，这种耦合干扰常表现为高、低阻测量总是存在理论预期之外的误差，适当的电路布局，可以增加抗干才能，必要时，还要在PCB板设计上多下点功夫为了简化电路，采用了四运放电路，这也增加了运放之间的相互干扰 带波滤波器的阻抗：带通滤波器可以抑制高频干扰，防止运放过载，同时可以减小工频干扰，使得末字跳动减小此外，滤波器对高次谐波有确定的抑制作，对提高7.8k档D值精度是有确定扶助设计滤波器应留神阻抗问题高阻抗滤波器本身会受到电路板上的附加耦合的干扰所以要求电容的取值不小于10nF DDS滤波器的阻抗也不能设计得太小道理与带通滤波器是一样的。

即使是想设计100kHz的RC滤波器，也不宜采用小于10nF的电容电路板上的分布耦合，可以按0.1pF至2pF之间估算当后级信号比DDS信号大时，这种耦合是很可观的如DDS输出0.2V，末级输出2V，那么0.2pF的耦合相当于0.2V下2pF的等效耦合量（类似密勒效应），当DDS滤波器输出电容采用1000pF时，那么2pF的附加耦合相当于引入了2/1000的0.2%的误差假若DDS输出滤波器的Q值较高，误差还要放大Q倍左右实际上，在PCB布线中，没有举行充分屏蔽，10cm长度的引线，足以产生1pF的分布电容布线长度，一般都有几个厘米或更长，加上元件本身有确定的体积，分布耦合还是对比大的所以，使用1nF的滤波电容，产生0.2%的额外误差是很正常的 由于LCR电路中，没有信号大电流，地线上也没有，所以对地线布置倒是没有很严格的要求 2V/I变换器的作用 为了更加切实的测量U1与U2，须得志一些测试条件即流经被测电抗Zx的电流，务必严格等于流经电阻R的电流 设Zx与R串联后，Zx另一端接信号源，R另一端接地接信号源的那一端称为热端，接地的称为冷端，串联的连接点称为温端。

现在有个麻烦的问题：当毫伏表接入Zx或R两端，会产生分流，引起Zx与R上的电流不会严格一致再者，温端对地分布电容以及温端对热端的分布电容，也会造成Zx与R上的电流不相等总体上说，会有一小片面电流从其它途径耦合到温端，结果Zx与R上的电流不相等 当电路采用运放做“V/I变换器”，那么温端就变成了虚地接在虑地上的对地负载电抗，不会产生分流，进而解决了毫伏表的分流影响温端的对地分布电容，也可以看作对地负载由于虚地对地电压为0，所以温端的对地分布电容不会分流Zx与R上的电流 参与了V/I变换器，并不能解决温端与热端的分布电容耦合切底解决这个问题的最好手段，就是对信号举行屏蔽严格屏蔽，要用金属壳密封，广义屏蔽，就是信号源要远离Zx 采用了V/I变换器，上臂热端、下臂热端，它们对地负载不会影响Zx、R上的电流 假设不采用V/I变换器，电桥中点对地是浮动的，若想把U1、U2转换为对地电压，就须采用差动放大，而且要求差动三运方的共模抑制才能分外高，这不轻易采用了这种V/I变换器，对差动放大的共模抑制要求低一些 有的LCR表设计，两臂电压测量直接采用开关切换，没有缓冲，这时上臂的限流电阻不成取值太大，以免切换过程中信号源电压变化，造成桥臂中的电流发生变更。

当然，这种影响，也可以在软件中举行补偿 2开关式鉴相器 正弦信号Asin(x+Φ)，为了实现相敏检波，我们在信号通路上设置一个开关，使之仅导通半个周期 导通开头时刻对 Ux?1?x=0，那么导通期间的平均直流是： ?0?1???0Asin(x??)??1?Acos(x??)2?Acos? 2?Asin?当导通时刻为x=π/2，平均直流Uy??3?/2?/2Asin(x??)? 鲜明，假设使用复数表达，两个开关信号是相差90度的，构成坐标系该正弦向量在这个坐标的辐角是Φ，模是A，它的两个正交量向量是实部（AcosΦ，0度）和虚部（AsinΦ，90度），而上面正交检波的结果与这两个向量的模值成正比，比例常数2/π因此，对于一个梦想开关，只要操纵好开关的导通时序，确保Φ稳定，两轴严格相差90度，并且导通时间为1/2个周期，那么就可以分开出信号向量的两个正交分量 实际相敏检波器电路的检波效率并不是上述的计算值K=2/π，而是K=(2/π)*2R/(4R+r)，详见下图： 本电路的检波效率是：K=(2/π)*2R/(4R+r)=(2/3.14)*2*51/(4*51+20)=0.29 三、焊接与元件选配及调试 焊接是根本功，LCR表元件多，焊接技术不过关，DIY本电路不易告成。

这里讲到的焊 — 9 —。