【参赛】 DIY利用电脑显示的LRC测量仪

changwanren

    概述：
      此测量仪的工作原理类似于电桥，用来测量电阻、电感、电容和电感电容的ESR。此测量仪的电路组成以自己设计为主，电路的设计和元器件的选择，是根据自己的制作条件，选择取材容易，制作调试能够自身纯手工打造的条件下完成。

    设计理念：
    1、作品的制作工艺：不追求外表华丽，实用就好。采用较古老的手工工艺，如电路板制作，采用热转印工艺。外壳采用亚克力板，粘接工艺，免去表面处理。外壳加工采用自制的小电锯，打孔采用手摇转。
   2、作品的创新：作品电路的设计、PCB板的设计、单片机程序设计、上拉机软件的设计以自我理念为主，参考他人为辅。根据自己的技术水平、制作能力和制作条件，选择能够独立完成的作品选项和作品的结构及元器件等。
   3、作品的实用性：测量L、C、R。测量精度随达不到专业的电桥，但3—4位的有效数字和误差小于5%的测量LC精度，足以满足业余使用LCR的使用要求。
   4、作品的制作：纯手工打造，手工制作外壳、手工制作电路板、打孔、手工焊接元件。
  此仪器功能和性能：
测量电感、电容、电阻。测量方式分低速采集和高速采集，低速采集测量精度比高速采集高，但桌面只能显示测量数据，高速采集即显示数据又能显示正弦波波形。


  电容最大测量10000uF，测量最小电容时，分辨率0.1p，测量10p以上达到三位有效数字，10p一下测量精度降低。
电感最大测量1000H，测量最小电感时，分辨率0.01uH，测量1uH以上可达三位有效数字，1uH以下，测量精度降低。
电阻的最大测量1MΩ，测量最小电阻时，分辨率0.01Ω，大于1Ω时，有三位有效数字，1Ω一下测量精度降低。
  当上臂和下臂的电压值有三位有效数字时，测量电阻误差可做到小于1%，测量电感、电容误差小于5%。
关于ESR的测量，由于正弦和余弦函数值的非线性，相差角度由85到90的正弦值变化不大，余弦值变化很大，由于测量相差的数据分度值不够，所以ESR的测量误差较大，Q值较高的电容测不出ESR，但测量电解电容和电感时，测得的ESR还是具有参考价值的。
测量仪硬件制作整体图片

低速采集测量图片

高速采集测量图片

测量效果视频：
  采用低速采集测量电阻、电感、电容视频：
https://v.youku.com/v_show/id_XNjEyMjQxNDU1Mg==.html
采用高速采集测量视频：
https://v.youku.com/v_show/id_XNjEyNTYzMzIwNA==.html

一、DIY此测量仪的设计思路和依据的测量原理
1、测量原理：
    （1）低速采集数据，通过硬件将正弦波和相差角转化为DC（直流）有效值。
将被测的电感、电容、电阻和一个已知电阻串联后，加上一个定值频率的交流电压，分别测出被测元件上的两端电压和已知电阻两端的电压U2和U1。

由于U2和U1随着被测元件的不同与ESR不同，U2和U1的相差也不同，所以要想测出ESR，还要测量相差的角度，才能求出电感的UL或电容的Uc。

  具体计算公式：
将电感L、电容C和电阻R串联，两端加上一定频率（f）的交流电压（U），则通过被测元件和已知电阻的电流相等，电流可用I=U1/R计算出。


根据上述计算公式，完成电感、电容、电阻的测量，需要具备1、频率可调的交流信号源，输出幅度可调。2、采用机械开关切换电桥下臂的已知电阻R。3、能够测量出被测元件两端电压和已知电阻两端电压及两电压的相位差角。
（2）高速采集，将电桥上臂和下臂的两个正弦波的电压，在一个周期内，采集数千次电压的瞬时值，通过软件求和计算求出一个周期正弦波的有效值，代替两路正弦波的整流电路。关于相差角的计算，首先找到两路正弦波的过零点的采集次数的数值，同一路正弦波的两个过零点的采集数值之差对应180度角。两路过零点采集数之差分两部分，一部分是相差角的度数，一部分是180度减去相差角。
二、电路总体设计方案：
1、由于AD转换芯片ADS1115的四路输入是共地的，并且只能测量直流电压，所以前面需添加两路交变直整流电路，整流电路前面添加两路10倍放大交流放大运放芯片。进行差分输入能够解决两路输入不共地问题，此差分输入要引入负反馈，引入负反馈之后，会导致运放的负输入端输入阻抗变低，会影响测量精度，所以，前面再添加四路运放，使得输入阻抗一致并有很高的输入阻抗。选用LT082芯片，具有千兆的输入阻抗，对测量高阻的元件（如小电容和大电感）影响很小。见下面简图

2、交流转化为直流整流电路，采用高精度线性整流。交变直电路原理如下：


3、关于产生方波的占空比与相差角度成正比的设计方案。
测量最前级的运放的主要目的是得到高阻抗，减小对测量精度的影响，第二级设计10倍的放大，放大后的输出电压范围设计在0.2——4V，第三级芯片增益设计为1000倍，使其将输入的正弦波变成方波。运放的工作电压为±9伏，他的饱和电压约为7.5伏，7.5毫伏就可进入饱和状态。见下图：

4、量程的确定及相关问题的考虑设计
实际应用中的电感、电容、电阻的阻抗范围特别大，采用电桥的方法测量，当被测元件和已知电阻的阻抗接近或相等时，才有精度最高的测量。此测量仪，频率变化可以实现1Hz的步进变化，这对测量电感、电容，通过改变频率来改变阻抗，使得与下臂阻抗接近。但对于测电阻，与使用频率无关，所以下臂的电阻阻值变化越多，对于提高测量电阻的精度越有利。对于下臂的电阻切换，采用24挡开关切换，能够实现下臂电阻24个不同阻值的切换，已经比较理想了。
24挡阻值转换，档位通过单片机识别，采用两片CD40147编码器，能将20挡编码成1248二进制，将20挡位的识别，变成8位二进制数码，占用8个单片机的引脚，使用P0引脚，能够实现20档位区分，20挡的电阻值分别采用0.1、0.2、0.5、1、2、4、8、10、20、40、80、100、200、400、800、1K、2K、4K、8K、10K。
下臂的电阻上的电压值放大10倍，如测量阻抗为10欧姆左右的被测元件，选择下臂电阻为1欧姆的档位，测量阻抗为100欧姆左右的被测元件，选择下臂电阻为10欧姆的档位。

6、PCB电路设计

radio988931

楼主数字模拟 软件编程之全才！俯首摩拜

changwanren

LRC测量仪制作的芯片资料（芯片的官方参数）

changwanren

   三、制作过程简介
  由于手中缺少加工工具，又不想花钱在网上加工定做，纯手工制作，所以，制作的比较简陋。
1、PCB线路板的制作
采用热转印法，由于手中只有一个普通的电熨斗，没有温度控制，热转印温度只凭经验感觉，所以有时转印效果差一些，但不影响正常使用。
制作过程：制版

2、元件焊接
  电路板焊接完毕后正面和背面


3、机壳制作
机壳材料采用亚克力板材料制作，焊接剂胶水粘接，采用即时贴刻了“LRC测量仪”进行简单的装饰。

  4、测量仪整体：正面看概述中有图片，

changwanren

大明天下 发表于 2023-11-11 17:31
请教，出现这种情况
解决方法，谢谢

下载下面压缩包中的控件，解压后将Mscomm32.cox控件复制粘贴到C:\winows\system32的文件夹中，就可以运行了，此软件不能在64位系统中运行。

Frank660405

太厉害了，赞一个

世佳电器

高手，现在有免费PCB打样，不必这么辛苦做板

jkyds2011

大神啊！！软硬通吃！数模通杀！！

changwanren

jysl 发表于 2023-11-20 12:02
单独做个晶体管图示仪肯定火！

三极管图示仪已经做了，并参加了13届本论坛的DIY大赛，此贴网址：
http://www.crystalradio.cn/forum ... &extra=page%3D1

jysl

changwanren 发表于 2023-11-19 14:31
若加入三极管图示仪的话，共用部分只有单片机和ADS1115芯片，本来此电路调试的地方就较多，再加入三极 ...

单独做个晶体管图示仪肯定火！

liguobin

大神，膜拜，一辈子无法企及的高度

changwanren

四、调试：
     1、交流信号源的调试：
    AD9833输出交流信号的电压为200毫伏，TDA2822供电电压5伏时，输出不切顶电压可达1伏，
     2、调零：运放LM318的失调电压可达10mV，由于各级芯片都是直接耦合，失调电压会影响测量精度，所以，每个LM318都设计了调零电路，采用5K的精调电阻进行调零。
   3、加正弦波电压调试，为了减小噪声干扰和检波线性失真，尽力的提高信号的正弦波电压，测得IC3不切顶电压可达4V，测试的正弦波形很满意。


   4、方波调试
由于芯片的频率特征，最担心的是工作在10KHz时，LM318能否具有较良好的方波。
经实际测量，LM318工作在10KHz时，产生的方波很理想，输入正弦波与输出的方波相差很小。当输入正弦波为100KHz时，输出方波与输入正弦波相差较明显，但两路相差基本一致，不影响两路方波的交集。


5、高线性检波的调试
经测试，此线性整流电路，具有很好的线性整流，当输入电压在0.2—4V时，可以达到线性误差小于1%。

陪你听风

这个不错，有使用价值和实际意义

changwanren

  五、实际使用情况
1、适当的选择下臂电阻、测量频率和测量电压，才能保证较高的测量精度。关于测量电压的选取，为了测量操作方便，ADS1115只设置2.048伏量程，分度值为0.0625毫伏，实际应用中0.1毫伏不稳定，1毫伏数位非常稳定，测量电压大于100毫伏，具有3为有效数字，大于1伏具有4位有效数字，所以测量时要保证上下臂的电压大于100毫伏，小于100毫伏测量精度降低。
2、交变直的整流电路设计的时间常数较长，改变电压或刚插入被测元件时，需要几秒后，读数才能稳定。
3、当被测的有磁芯的电感时，他的电感量很大，功率较大时，由于测量仪的使用电压远低于电感的实际使用电压时，测得电感的结果跟实际使用时的电感量相差很大，甚至相差几倍。

changwanren

   LRC测量仪电桥下臂电阻切换开关为23挡，实际使用20挡，小于10欧姆的电阻为自绕，零点几欧姆采用细漆包线绕制，1欧姆以上采用康铜线绕制。采用的20只电阻经实际测量为0.125（0.1）、0.2（0.2）、0.564（0.5）、1.345（1）、2.26（2）、4.8（4）、7.78（8）、9.9（10）、20.4（20）、39.8（40）、81.2（80）、100（100）、207（200）、390（400）、810(800)、0.94K(1K)、2K(2K)、3.99K(4K)、8.18K(8K)、10K(10K)。

   单片机和电脑上拉机软件

tl50znz

大牛！！！

hujingdi

感谢带作品参加DIY大赛，非常感谢！

震荡发生

非常厉害！学习了

gaoyang9992006

有意思，如果单片机再驱动个液晶屏，就不用上位机软件了。

松原老糊涂

漂亮，向你学习！

fshwen

真大制作，全部自己完成真是不容易呀。
若楼主不止是拣手中有的元件制作，档位开关都可不要，直接上位机软件控制了

ch007

利用电脑显示的LRC测量仪 做的太好了，支持一下。