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[LCR] 安柏AT826 LCR 数字电桥原理解析

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发表于 2015-6-7 21:51:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 Its-a-snap 于 2015-6-11 19:36 编辑

近期大家对AT826 产生了浓厚的兴趣,本人是AT826 的主设计师,从事LCR 设计近20年,斗胆就LCR对广大电子爱好者做一下普及,或许能帮大家有些帮助。由于时间匆忙,只能做简要描述,不明白之处大家共同研究。

AT826 主体框图


1.1      主控CPU
主控CPU使用的32位ARM-M0处理器,负责驱动TFT-LCD,同时使用2路12-bit ADC 对触摸屏进行采样并转换坐标,键盘扫描也直接由主控负责。
CPU内部另外1路12-bit ADC负责对电池电量检测,负责电池充电管理。

CPU的PWM负责调节LCD背光。

这款ARM-M0 处理器有USB2.0接口,我们用来跟PC上位机建立通讯,在CPU内部有两套程序工作,一套为Applent Boot Loader(简称ABoot) 程序负责主程序引导,仪器上电,ABoot首先执行,如果没有检测到主程序或是接收到主程序更新指令,AT826白屏以进入更新程序阶段,此时通过启动计算机上的Applent ATOSv2Bootloader 程序来更新主程序。第二套程序就是主程序。

1.2      CPLD
依赖于CPLD的高速度(5ns),所有的逻辑电路、控制电路都是由CPLD处理,使用并行总线与CPU通信。

正弦波发生器、0°/90°鉴相电路、AD之前都是由CPLD负责。


                              
                              


框图.jpg
阻抗.png
AT826 采样电路.png
串联并联.jpg
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 楼主| 发表于 2015-6-7 21:51:30 | 显示全部楼层


1.3       阻抗原理



数字电桥的目的就是获得阻抗值Zx,再通过理论公式得到LC、或是R


AT826 信号源施加到被测值ZxL/C/R)上。对于阻抗测量,欧姆定律仍然适用。
图上半部分两个运放获得电压信号VuHVuL,进入后续仪表运放差分得到:
Vu=VuH - VuL
下半部分两个运放用来获得电流信号,电流信号通过量程电阻被转换为电压信号用于鉴相PDAD转换:
Vi = ViH - ViL
Ix = Vi/Rs
最后,
Zx = Vu/Ix = (Vu*Rs)/Vi


AT826 鉴相器PD和积分型AD转换器
顾名思义,鉴相器用检出阻抗的相位。
为了得到阻抗的实部R和虚部X,需要对电压信号Vu和电流信号Vi进行鉴相。鉴相器分别对Vu0°和90°进行鉴相,并进入后续积分电路进行AD转换得到Vu的两个分量R1X1
Vu = R1+jX1
之后鉴相器又分别对Vi0°和90°进行鉴相,并进入后续积分电路进行AD转换得到Vi的两个分量R2X2
Vi= R2+jX2

至此,在CPLD的协助下,主控CPU得到VuVi4个关键分量R1X1R2X2,剩下的工作都由CPU来完成来得到Zx的实部R和虚部X。



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 楼主| 发表于 2015-6-7 21:51:31 | 显示全部楼层
本帖最后由 Its-a-snap 于 2015-6-11 19:42 编辑


AT826如果将VuVi的值计算出实际测量结果?
为了获得实际测量结果,仪器会根据2套数学模型进行计算,串联和并联电路:

纯电阻就是阻抗的实部R
电容的容抗 Xc = 1/(2pi*fC)
电感的感抗XL= 2pi*fL
因此我们可以得到:
串联时的电容 Cs = 1/(2pi*fX)
并联时的电容 Cp = B / (2*pi*f)

关于品质因数Q
Q代表电抗纯度,及纯电抗程度,在没有电阻R的接近程度。电抗X代表存储能量,电阻R为损耗能量,因此
Q = 存储能量/损耗能量 = X/R = B/G

三角函数可以看出: Q = X/R = B/G = tanθ
由此可以计算出 θ= arctanX/R
Q一般用于电感器,X越大,Q值越大,其感抗越纯,品质越好,所有也叫做品质因数。
但电容器用耗损因数,通常叫做损耗D,而不用Q值表示其品质。
D= 1/Q = tanδ = R/X
其容抗越大,损耗越小。

ESR 串联等效电阻Equivalent Series Resistance

顾名思义:就是在串联等效电路下的电阻,就是阻抗的实部R

ESR是电解电容器的重要参数,是一个储能元件自身的能量损耗。这个ESR在高频上表现的很凸出,我们使用的计算机主板为什么选用固定电容器,非常重要的考量是其ESR非常小,在主板的高频下其自身发热量就非常小。早前没有固态电容时普通的铝电解电容器经常有爆裂的情况发生,就是因为其ESR过大,自身发热造成电容爆浆。

因此电解电容器厂家都必须在高频下测量ESR,国家标准是在100kHz下进行测量,低频测量没有意义。

EPR 并联等效电阻

尽管AT826是可以测量并联等效电阻(即并联下的R值),可能我对电容器行业不是太深入,没有听说电容器厂家会使用到这个参数。

1.4       AT826 设计考量
作为电池供电的LCR仪器,需要比台式仪器考虑更多,性能、电池电量、成本都要求考虑到。我们研发此仪器经过2年的研发周期,以便在找到最佳平衡点。

AT826定位于手持式便携LCR数字电桥,销售价格在2000元左右,经常还搞特价促销,我们研发组需要考虑主控CPU、TFT-LCD和触摸屏的成本,需要考虑锂电池的成本、需要考虑几十个运放的成本,需要考虑日益增加的人工成本,外加工成本,考虑销售成本,考虑到年产量,当然还要考虑利润。我们将仪器的准确度定在0.2%,4位半准确度,是对这些方面的综合考虑。研发一种仪器不是爱好者因为爱好而不惜代价,根本不需要需要这么多考量。


手持仪器的使用群体是一般用户维修和检验的需要,而不是用于实验室和高要求的场合,这种场合实际上0.2%的准确度无法适应的。

1.5 关于Q值的问题
之前有朋友一直对品质因数Q有误解,通过上述分析,我们知道Q=1/D
对与电容器来评价Q值很不合理,电容的损耗D通常不大,CBB电容1kHz时通常在0.0010以下,低频则更小一些,假定一个电容的损耗在0.0005,由于仪器的分辨率限制,其显示的0.0005实际会在0.00045~0.00054四舍五入的结果,如果使用Q来评估的话,Q值会一直在2222~1851间跳动。更小的值Q值更大,跳动也会激烈一些。

因为AT826只能显示5位,小数位数4位,倒数时Q值反映的是D的小数点第4位以后的情况,这个超出了仪器的测量能力,我们不对超范围的测量要求提供保障。我们的技术指标规定了0.2%的准确度,即D绝对值与实际值的绝对偏差在 -0.0020~+0.0020之间都认定为合格。
1.6 关于θ角的问题
有网友提出仪器测量电容的θ角超过了-90°。是的,理论上电容器的θ角永远是无限接近-90°,但任何仪器都不能能完全契合,一个采样低功耗低成本的手持仪器则更难实现。

仪器的开路和短路校准、软件校正会或多或少引入误差,我们无法保证其完全准确,但首先必须能够达到技术指标。有人测量出某种电容的实际值为-89.99,而AT826测出θ = -90.01,计算一下这个值与实际值的相对偏差,我们来计算一下这个百分比偏差:
       (90.01-89.99)/89.99*100 = 0.02%

希望以上草草的描述对大家有所帮助,有错误之处也请指正。
谢谢!




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  发表于 2015-6-7 22:11
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发表于 2015-6-7 22:17:25 | 显示全部楼层
安柏的东西还是不错的,准备采购AT2817A。
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发表于 2015-6-7 22:22:46 | 显示全部楼层
这个要支持一下!
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发表于 2015-6-7 22:25:51 | 显示全部楼层
我有一台,总得来说还是不错的,就是那个USB插座不太结实给弄掉一个,返厂修好了,建议这种要插拔受力的器件不要用贴片,容易坏.
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发表于 2015-6-7 22:33:16 | 显示全部楼层
既然是厂家的普及技术是好事,但对客户说三道四不可取,把东西做好是本分,别人怎么评价那是自由。学学FLUKE等大公司的做法吧。安柏是谁我还不太了解。
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发表于 2015-6-7 22:35:25 | 显示全部楼层
计算出这个值 -90.01不奇怪,如果算出 -90.00就肯定是有问题,因为数值太假。找个比方34401测量值,尾数在跳动,只要符合精度范围都是正常现象,如果数值完全不跳反而不正常。
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发表于 2015-6-7 23:01:21 | 显示全部楼层
竟然设计师都出来了,鼓励这种和用户的互动。
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发表于 2015-6-7 23:19:39 | 显示全部楼层
支持一个
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