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发表于 2011-10-9 20:28:37
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本帖最后由 xjw01 于 2011-10-9 22:19 编辑
DIY数字电桥说明
一、设计要点：
1、放大器的增益要控制好，开关切换到最低增益时，输入Zx短路时，所有运放最好不要过载。为了得到最佳分辨率，满载输入时，应使表头读数对应AD的满量程，但AD应留下一些余量，防止信号源幅度漂移时表头溢出。
信号源输出设计为：
100Hz，有效值0.27V，峰峰值0.76V
1kHz，有效值0.26V，峰峰值0.74V
7.813kHz，有交值0.20V，峰峰值0.57V
增益参数
第一级增益：5倍
第二级增益：1倍和5倍两档
无源带通滤波器：1/3倍
第三级增益：13/3和13倍两档
检波波器理论灵敏度：输出直流/输入峰值=2/3.1416*(2*100)/(20+2*100+2*100)=0.303倍
末级直流放大：6倍
最小增益档的AC峰值-DC输入输出总增益：5 * 1 * 1/3 * 13/3 * 0.303 * 6 = 13.1倍
1kHz峰峰0.74V输入，将得到0.74*13.1/2 = 4.81V，这是两个正交量的模值。
100Hz档，电压比较高，容易造成表头溢出。而且，该当的输出直流滤波器不好设计，滤波电容大了， 影响量速度，小了纹波大，影响精度，而且表头在纹波的作用下，更容易溢出。也以程序设计中，溢出上限标定值下调到850左右。
在检波前，通过RC高通，对100Hz做小量衰减，防溢出，同时增加对50Hz工频的抗干扰能力。
TL084最大输出只能达到4V，为出提高信号质量，建议控掉在3.5V峰值以内。这意位着检波器最多只能得到3.5V电压，直流输出最大为3.5*0.303=1.06V。单片机AD转换器的满量程输入是5V，所以末级OP07的增益不得小于5/1.06=4.7倍，本程序设计为6倍。
放大器增益的可调范围，关系到灵敏度。本电路设计为30倍，并以3左右的倍率关系步进。AD只有10bit，用10倍步进，会影响精度。
程序设计时，判断开关切换后的增益是否过大，应对Vx和Vy求模来判断，当模值大于950(接近满量程)，说明增益过大。不能单单使用Vx或Vy来判断过载情况。因为，Vx或Vy其中的一个值可能非常小。也可以使用Vx与Vy绝对值的最大值。
2、交流放大器由多级放大器构成，设计时，不论增益开关处于那个状态，应保证第n级运输出信号大于等于第n-1级放大器的输出信号。道理是：当不满足上述条件时，前级可能过载失真，而程序全然不知。在音响系统中，前级调音台过载，可以被电平指示灯显示，也可以被耳朵听出来，这时，我们就可以调大后级功放音量，调小前级调音台的增益，这样就不会失真了。但是，单片机程序没有金耳朵，所以中间级电路本身不得过载，以免造成单片机误判。运放的最大输出能力相同，所以最好的办法就是后级输出幅度大于等于前级输出，那么过载现象必然引起后级输出过大，进而毫伏表超量程，程序立刻知道电路过载了。
3、V/I变换器问题。
V/I变换器也存在过载问题，也要消除它，虽然人工切换量程时可以判断它是否过载，但对于没有经验的使用者来说，并不容易，因为，用眼睛看失真，不如耳朵听失真来得容易。
V/I变换器过载的原因有二，首先，那个运放的反馈回路接了500欧左右内阻的电子开关，它相当于输出衰减器；其次，TL082内部串接了300电阻，也是一个限流衰减。这样一来，100欧档为了得到0.472V，TL082内部电压将是0.472*(500+300+100)/100 = 4.25V，此时，内部有轻微过载。
为了解决过载问题，采用以下方法：考虑到信号源TL082也有过载问题，所以上臂限流电路与下臂电阻电路设计成对称的电路，那么只要信号源不过载，V/I变换器也不过载。
此外，V/I变换器的100欧档，采用了机械输助开关，那么相同电流下，更不容易过载的。
4、信号源
前述，V/I与限流器采用对称结构时，Zx短路，V/I变换器输出端的电压与信号源输出端是一样的。信号源不过载，V/转换器也不过载。
信号源采用DDS，频率精度高。可以输出任意频率。本表采用100Hz、1kHz、7.813Hz
不使用10kHz的原因是：DDS的钟频采用62.5k，输出频率10kHz时，频率已经比较接过钟频了，相位噪声大。为了消除相噪，采用钟频的2^n分之一的频率，这里使用1/8钟频。
信号输出加出了简单的RC滤波器，对于1kHz以下的频率输出，此滤波器相当于6阶滤波器，可以得到良好波形。对于7.813kHz，到了第5阶输出，在示波器中观察已基本看不到失真，到了第6级输出，已经是无法直接观察到失真。
由于不是理想的高阶滤波器，Q值低，所以对7.813kHz的衰减很严重，为了保持100Hz、1kHz、7.813kHz三档输出幅度相对一致，利用单片机对1kHz和100Hz降幅。
5、灵每度极限
a、可控增益放大器的可调范围。本电路最大与电小增益的关系是30倍，意味着最小分辨为1/30字。设下臂电压对应333字(100欧)，那么每字对应0.3欧，1/30字对应10毫欧
约最小分辨到下臂电阻的1/10000
b、同理，上臂的最大量程，也是约为下臂的10000倍。
所以，量限约为10毫欧到1000兆欧
1pF电容在1kHz时的容抗是159兆欧，小于1000兆欧，所以pF级电容可以被本表准确测量。
二、使用要点：
菜单1：开机启动默认菜单
使用8键加1键切换到菜单1
使用8键加2键切换到菜单2
使用8键加3键切换到菜单3
……
1键：显示串联电抗X
2键：显示串联电阻R
3键：显示串联电感L
4键：显示串联电容C
5键：显示Q值
6键：频率切换，100Hz时，指示灯亮起，1kHz时不亮
7键：量程切换，4个指示灯轮跳
8键：菜单切换键，按下该键时，显示当前所处的菜单号。
显示单位表示：
10的-12次方，显示为“P”
10的-9次方，显示为“n”
10的-6次方，显示为“u”
10的-3次方，显示为“大n”
10的0次方，显示为“小O”
10的3次方，显示为“三横”
10的6次方，显示为“d”
单位如果含有小数点，说明是容性电抗。
矿机高阻抗变压器，在1kHz时，有的会表现为容抗，而不是感抗。
接入Zx后，先设置好频率，然后选择合适的档位。使得被测Zx的阻抗应与下臂电阻匹配，以取得高精度。设下臂电阻是A，那么Zx在A/30<Zx<30A范围内可得到准确的结果。如果事先不知道Zx的估值，可以选择1k档或10k档测量，得到被测Zx的R与X，当Zx是电感或电容时，其R小X大，接下来根据X的测值重新选择档位。如果Zx是电阻，则R大X小，下臂应与R匹配，根据R选择档位。
残余电抗。本表存在残余电抗。为此，测量pF级电容，先不接被测电容，测量出本底电容，我的LCR表本底是3.5pF，然后接上电容测量，若测得23.3pF，那么实际电容就是23.3-3.5=19.8pF，此法与Q表测得的电容比对，1字不差。
测小电阻时，切换到100欧档，按下机械开关，可以增加灵敏度数倍。测量后，弹出开关，以免影响其它档。
扩屏显示小数位：按下当前显示值对应的键，就会显示为四位模式，但“单位”不显示了。再按一下1至5任意键，退出四位模式。本LCR表达不到4位的精度，所以通常无需采用4位显示。有时显示1.xx的数值，觉得精度不够，可以按此法扩展一下位数。
显示四个小数点，表示溢出。
菜单2：
1键：显示并联电抗X
2键：显示并联电阻R
3键：显示并联电感L
4键：显示并联电容C
5键：显示Q值
6键：频率切换，100Hz时，指示灯亮起，1kHz时不亮
7键：量程切换，4个指示灯轮跳
8键：菜单切换键
单位显示同上
菜单3：
这是调试菜单
1键：增益切换键，切换时，显示屏暂时跳出置位信号数秒钟，
3键：K3切换键，切换时，显示屏暂时跳出置位信号数秒钟
4键：相位旋转键，切换时，显示屏暂时跳出置位信号数秒钟，相位旋转的顺序是0度、180度、90度、270度
本菜单下，屏显内容是AD的读值。
在此菜单下，可以检测检波非线性。方法是：Zx接上一个10k电阻，切换到菜单3，用1键把增益置为0位，利用3键和4键，找一个读值为30以下的。接下来，1键更改增益，并记录读值。例如，得到27，87，297，897，理论增益关系是1、3、10、30，所以，以上显示值说明检波器线性度良好，但存在0点误差3字。以上数据统一加3字就正确了。我在程序中，已经做了加3处理。不同的CD4053的检波效果可能有所不同，所以建议实测零点误差，然后更改此语句
if(c) c+=3; //零点非线性改正
三、制作要点：
V/I变换器上的4个电阻要精确，最好优于0.5%
中间放大器，关系到1：3：10：30增益切换关系的4个电阻（2k、18k、1k、2k），比值关系要准确。请使用4位半的表筛选。
5倍放大器，上、下臂的热端关联的2k与10k电阻要准确，确保上下臂增益相同。冷曾端（虚地）的2k与10k电阻，不要求精度很高。
电源变压器使用8V*2或9V*2，其中7905与7805无需加散热器。接变压器的排针与接下载线的排针最好区别开，如果不区分，万一把9V电源插到下载线排针，单片机或电路有烧的可能，当然通不会烧的。
接线完成后，检查的关键是：每个IC电源和地线有没有接错。电源没接错，IC通常不会烧。
飞线多，不小心就会错，所以9V变压器使用小容量的，万一接错或碰电，由于变压器功率不足，反而会保护电路。
单片机的电压不可过高，如果高于5.5V，有危险。比如，不小心加入12V电压，单片机必烧。所以各个IC的供电是关键。
制作工艺按照单响的工艺就足够了。
同时注意两个桥臂信号通路的对称性。
四、关于误差
电桥平衡时，以及平平衡点周围30倍与1/30范围，精度可达到0.5%
超出此范围，误差变大。在30倍与/30之内，可按300字的精度测算精度，即0.3%，做为误差指标，最好留下余量，即0.5%，个人建议使用1%，因为采用色环电阻，推荐精度是1%，这样取材最方便。
在距离平衡点1/300及300倍处，误差加大10倍，如如果再超此范围，直接采用零点非线性误差1到2字即可，相当于满度值的1/(300*30)=1/10000，如100欧档，固有常数误差是100/10000=10毫欧。
电感分辨力约为1.3uH，即1kHz频率下，100欧/400字/30=8.3毫欧对应的感抗。
电容分辨力约为0.1pF，即1kHz频率下，100k欧*600字*30=1800兆欧对应的容抗。
最小分辨力与最小测值不相同，因为检波器存在3个字零点检波门槛，所以最小值测量估计比分辨力大3倍。
Q值精度比较特殊。显示为98，并不是说它的精度是1%，我们对它取倒数后，保留到小数点以下第三位，变成0.010，小数点以下第三位就是误差位，约两三字误差。即0.010的误差可以达到30%，对应的Q=98的误差也高达30%
Q值的误差实际上是X和R二者中精度最低的那个。X与R在这个LCR表，是用同等增益系数放大器取得的。当X在1倍量程处取得1%精度，对于Q=100，R将在1/100量程入取得结果。表头的平均读值安500字计算，那么1/100量程入只有5字，此时，R的误差将高达20%至40%（一到两字误差）
如果许可采用+-15V供电，并把激励电压调小一点，运放不易过载，测X与R当中的小量时，增加放大器的增益来测量，那么高Q值测定的精度将明显提高数倍。
这个表的高Q值测定，与Q表比较，还有很大距离。 |
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IP卡
狗仔卡
发表于 2011-10-9 17:03:41
显身卡
我也等套件吧 楼主什么时候出个套件，最好1602显示的 让大家都有得玩啊
