用团购模拟芯片DIY LCR自平衡电桥【不定期不定时更新】

xivisi

用团购模拟芯片DIY LCR自平衡电桥【不定期不定时更新】 [复制链接]

准备使用 这次的团购的运放 基准源 ADC做一个LCR电桥。

写此帖的目的：

1，正好有活动，能比较低的价格买到芯片，买了芯片之后手痒就做点东西；

2，做东西的时候顺便学些东西；

3，做的过程中肯定会碰到很多问题，希望得到各位大大的帮助；

4，我会一步一步写下过程，给需要的朋友一个参考；

 

声明：

慢热，本人模拟基础比较差，需要时间一步一步做；再则时间上只能非工作时间做。

[ 本帖最后由 xivisi 于 2012-3-16 21:29 编辑 ]

xivisi

原理如图所示，利用互阻（跨阻）放大电路传输特性进行变换

推导过程如下：

 

 

所以 需要测量4个量

 

 

详细内容请参考 附件中的 安捷伦阻抗测量手册 PDF文件。

 

上面说明说明了自平衡电桥测阻抗的基本原理 即获得 电压 电流的 实部和虚部即可。那这又是怎么实现的呢？

 

[ 本帖最后由 xivisi 于 2012-3-16 19:16 编辑 ]

xivisi

电流 电压用模拟开关分开测量   积分ADC部分不是很明白，希望达人解释一下

 

 

为什么对4分之1部分的正弦积分旧可以得到相关实部和虚部呢？

xivisi

之前以为是用分别用初相相差90°的2倍频信号来驱动  实际上时用初相相差90°的同频信号来选择测量实部和虚部

xivisi

目前方案 暂定使用64脚的STM32 103 发出正弦波 可是仔细看了团购的运放 发觉真有点不合适啊 最高GBW为18MHz 对100K滤波无力 而有一款失调电流小的 带宽才5M的样子 要在100K正弦的条件下测 大一点的电容（大了容易自激）也很无力

 

如果一定要用团购的芯片 那么只有降低指标了  也因为是第一次做试试也好，哈哈

[ 本帖最后由 xivisi 于 2012-3-16 14:25 编辑 ]

fish001

楼主动作真迅速，赞一个

xivisi

目前正在 看《OP放大器应用技巧100例》 《图解测量电子电路设计－滤波篇》、《图解测量电子电路设计－模拟篇》 尽量让电路中的每个元件及参数都有理有据

[ 本帖最后由 xivisi 于 2012-3-16 14:24 编辑 ]

xivisi

应该怎样实现采集呢？

方法一：在正弦波电压Vx的0°和90°的这个瞬间用采集速度够高的ADC分别采集Vx和Vr的值，按上面的公式计算即可，可惜没那么快速度的ADC。

 

 方法二：根据采样定理，用正弦波频率10倍以上的采样频率的ADC实时对Vx和Vr采样 ，然后用数学算法计算两个正弦的幅值和相位差即可，玩DSP的童鞋可能比较喜欢。但是这里ADC对速度的要求没有方法一那么高，但是一旦测量频率升高那么ADC的速度要求也随之提高，对处理器的性能要求也升高。

 

方法三：类似方法一将0°和90°信号分开测量，但所不同的是

①通过开关将Vx 在0°到180°这段时间的Vx或者Vr的信号取平均送入ADC，180°到360°这段时间将接地信号送入ADC，这样可以或者实部；

 ②通过开关将Vx 在90°到270°这段时间的Vx或者Vr的信号取平均送入ADC，270°到90°这段时间将接地信号送入ADC，这样可以或者虚部；

 

为什么可以这样？？？？？

 

 以纯电阻为例，先对①的条件下Vx和Vr取平均（怎么取？积分呗 ）可以分别得到 a的平均和c的平均，然后②的条件下Vr取平均值，这里结果是0，为什么？因为从坐标轴上看90°到270°这一段的信号是关于180°中心对称，抵消了，而其余时间是接地的0（实际上也可以用积分推导）。 是不是符合纯电阻特性？ 如果不是纯电阻 ②的条件平均值就不是0了 这个与相位差有关。

 

但是绝对 0°，90°，180°之类的很难做到，上面只需要三次采集的 不躲不做四次采集就是Vx的虚部

 

 

这样的好处是可以使用低速的ADC  但也因不停地切换带来噪声，所以不得不进行取平均

 

上面发的俄版电路图就是根据方法三做的

[ 本帖最后由 xivisi 于 2012-3-16 19:31 编辑 ]

dontium

我也有这个意思，也想做个这玩艺儿

xivisi

这里是利用了积分式ADC的特性，详细资料请见附件

xivisi

初步定下目标 不追求大而全，精度高之类的 只在现有芯片范围内实现

 

正弦信号使用MCU（暂定使用STM32F103C8，定时器功能不错）产生方波，然后通过带通滤波器即可。原理：将方波的阶跃函数用傅里叶级数展开就可以看到基频和多次谐波，将多次谐波滤掉即可。暂定几个常用频率 100Hz，120Hz，1KHz，10KHz，至于100K则因需要高速运放，暂时不考虑。

 

被测阻抗（以下简称Zx）的电流部分由互阻放大器进行I-V转换，为了适应不同Zx，有必要做增益控制。另外最大转化电流与运放最大输出电流有关，如果运放输出功率变大，则芯片会发热，反馈电阻也会发热，这样会影响测量精度。

 

在电压输出部分有必要做一个衰减来减小输出电压，当然也不能无限制的小。衰减的办法由两个：一，因为使用的是带通滤波，可以借助不匹配的带通网络来衰减，这个衰减的很厉害（与带通的设计参数有关），虽然可以测量小阻抗时给自平衡电桥带来便利，但是会给后续采集电路带来麻烦；二，电阻网络，这个方法的衰减增益比较难控制，也需要考虑。如果不做增益，就需要改变输出阻抗，这对测量小于输出阻抗1/100的Zx也比较麻烦。

 

Zx电压测量部分，也因各种输出电压的关系，需要做一个可控增益，可以使用运放搭成仪表放大，但是电阻的匹配精度不容易做好，这里选择程控仪表放大。

 

数据采集的ADC 在积分型和ΔΣ之间犹豫，但是仔细看了ADS1118的数据手册，发现其频率响应里对 100Hz 1Kz 几乎都在衰减低谷，这会严重降低信噪比，故最终还是采用积分型ADC

[ 本帖最后由 xivisi 于 2012-3-20 14:18 编辑 ]

蓝雨夜

AD5933

xivisi

原帖由 蓝雨夜 于 2012-3-20 13:22 发表 AD5933

 

阻抗测量范围：1 kΩ至10 MΩ

利用附加电路可测量100 Ω至1 kΩ阻抗

 

这个参数  对我来说 并不理想     而且最重要的是  我希望通过这个制作过程学会一些东西，如果我有什么没有考虑到的希望大侠 指出

[ 本帖最后由 xivisi 于 2012-3-20 14:53 编辑 ]

xivisi

对3.3V方波用傅里叶级数展开，可知理想方波由基频及其奇次谐波构成，故带通滤波器使用对高频信号衰减大的DABP，该类型带通滤波可以实现高的Q值。

 

受电路中使用的电阻，电容的精度的影响（高精度的电阻电容比较贵的），Q值也不能设置太高，如果要高的Q值至少使用电位器来调整，稳定性相对较弱（可能摔两下中心频率就偏移了）。下面是理论设计原理图

 

 

交流特性

 

 

瞬态响应：

 

 

对正弦 傅里叶分析：

 

 

 

 

对其他频率类似

 

 

 

[ 本帖最后由 xivisi 于 2012-3-21 10:57 编辑 ]

dontium

“将方波的阶跃函数用傅里叶级数展开就可以看到基频和多次谐波，将多次谐波滤掉即可”，


不解

xivisi

参考 http://wenku.baidu.com/view/a1da1286bceb19e8b8f6ba09.html  这里傅里叶级数展开可知方波是由基频和奇次谐波组成，频率与方波相同的正弦叫一次谐波，滤波的目的就是保留幅值最大的1次谐波，将其他谐波衰减

所以滤波器的最低设计值要满足 保留1次谐波，至少要截至3次谐波

xivisi

我晕倒  为什么要审核？

xivisi

从14 楼的仿真 瞬态图可知  滤过之后的正弦与方波产生较大的相移，会给产生与正弦同相的正交信号带来麻烦，就考虑使用低通滤波器

 

但是仿真出现莫名其妙的问题

[localimg=1068,507]1[/localimg]

 

如图所示的6阶滤波（2片2209 剩余的一个运放拿来做阻抗变换） 结果仿真提示无法收敛。。。。正在查找问题中……

dontium

不解你的实现方法

xivisi

芯片 已到手 还是做出来再晒吧

[ 本帖最后由 xivisi 于 2012-3-24 10:47 编辑 ]