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发表于 2011-10-25 21:49:43
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本帖最后由 xjw01 于 2011-10-27 18:39 编辑
DIY数字电桥说明
一、概述：
玩矿石收音机，大部分元件需要DIY，所以需要知道元件的参数。因为DIY的元件没有标称技术参数。比如，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。想了几天，还是觉得DIY一个LCR表来测定比较有效果，以图解决音频阻抗测定问题。
•LCR电桥原理
测定电抗元件Zx中电压U1与电流I，就可以得到Zx=U1/I。当Zx串联了已知电阻R，那么测定了R上压降U2，就可得到I，最后Zx = U1/I = U1/(U2/R) = R*U1/U2，可见，无需测量I的具体值就可以得到Zx，这是电桥的一般特征。
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 = R*(a+jb)/(c+jd) = [ac+bd + j(bc-ad)]/(c*c+d*d)
U1与U2要采用同一个坐标系来测量。
借助相敏检波器，可以分离出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向量也必须在这个坐标系中保持稳定，不能乱转。
为了得到足够的精度，控制好放大器的增益，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，其中一个值可能很小，这就要求AD转换器的精度及分辨力要足够大。
•一点思路
设计此表，前后花费了近一个月的业余时间，更改了多个版本，总体比较满意。
本表主参数精度良好，副参数精度差。这是表头灵敏度不够造成的。因此，如果想测量Q值，当Q值大于100时精度非常低。
在矿石收音机中，高频线圈的Q值要求准确测定。它值接影响了矿机的性能。但音频线圈的Q值，则没有过分严格的测量要求。所以本表从一开始就没有在副数上多下功夫，始终坚持采用单片机自带的AD转换器，以便大幅度等化电路结构。
网上流行的俄版电路，其核心部分本表均未采用。
俄版电路采用ICL7135作为AD转换器，精度比STC单片机自带的AD性能好很多。然而，经过多次计算分析，结论是用自带AD也可以得到优于1%的主参数精度，所以最后放弃ICL7135。设计后期，对电路优化设计，很大程度上泥补了STC AD的不足。，
ICL7135的最终精度与芯片质量及积分电路有关，因此要使用ICL7135精度达到4位半表头，也不是很容易。7135的几个电容就足已占去半块PCB板。仿制者，通常用低压的小电容代替，这种情况，AD转换器本身的精度一般是低于0.05%的，最后得到的LCR表也会低于0.1%精度。当我们对LCR表的精度要求特别高时，对电阻的精度要求也高，精密电阻不好找。综合这些因素，最后选STC自带AD，代价是损失少量主参数精度，同时严重损失副参数精度。
信号源是LCR表的一个核心部件，俄版的正弦信号发生器及0、90度方波发生器，其综合性能并不会优于本电路，相反，本电路显得非常简法，仅使用了一组RC滤波器及DDS程序就完成了这两种信号的生成。
相对许多其它形式的LC测量电路，相敏检波器是LCR表特有的。本电路采用开关式相敏检波器，性能良好。实测了几个数据，比我预想的要好。比如，小信号用0度轴检波，OP07输出得到293.5mV，用180轴得到-293.0，这当中包含用OP07的输出失调、万用表正反向测量误差0.1mV。OP07输出失调的主要原因是输出端用3个1N4148二极管升压。但从最终数据看，两次测量理论值应是互为相反数，实测仅误差0.5mV（0.2%），大信号时，误差还更小，本表采用满度4500mV表头输出。
本LCR电桥的相敏检波器依靠单个模拟开关实现，可以抑制偶次谐波，但没有奇次谐波抑制能力。开关导通时间是半个基波周期，偶次谐波在半周期内共有整倍数谐波周期，谐波的直流平均值是零。奇次谐波，在半个基波周期内有N倍又1/2个谐波周期，多余的1/2周期的直流平均值不是零。DDS输出的奇次谐波是很小的。对于1kHz和100Hz，理论3次谐波幅值约为DAC分辨率的1/2，相当于-50dB左右。对于7.8kHz，采用DDS时钟的整数分之一倍，相噪小，然而，由于频率与时钟较接近，PWM型DAC的噪声大，谐波失真较大，所以电路中对DDS输出做了6级针对PWM的RC滤波，最后也使得谐波基本消失（在示波器中，在第5级滤波时，就已经无法发现谐波失真）。
由于来自单片机谐波干扰，有可能造成相敏检波质量下降，电路中的带通滤波器，正好对高次谐波有较强的抑制能力。
控制相敏检波器开关的方波信号，本身也是一种干扰信号，但对于这个低频电桥，它的影响可以忽略。从最终的正交分离能力测试来看，相敏检波器的性能优良，虽然只用了一个电子开关。
二、设计要点：
本LCR表的各级放大器，大多工作在大信号状态，所以要精心设计好放大器，否则容易造成运放过载。
之所以选择大信号，主要还是为了提高抗干扰能力，使得LCR表更容易调试。可以在无屏蔽盒的情况下正常调试。
矿机元件一般都很大个，比如大环天线，直径常常到到1米，用线数十米，天线上的信号也很强。为了更可靠测量，还在电路中加入了带通滤波器。
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。各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。
1、表头满度值
表头满度是5.0V，由于OP07运态范围限制及纹波等因素影响，表头满度设计为4.6V，对应950字。
2、相敏检波器增益
检波波器理论灵敏度为2/3.1416*(2*51)/(20+4*51)=0.29倍
3、末级直流放大量设计
末级直流放大量过多，不利于提高信噪比，放大量太少，会造成前级过载。
第三级（U2D运放）信号为A，它的最大不失真的幅度为A0，约为3.5V，取保守值为3.0V，表头满度设计为Vo=4.6V，OP07和相敏检波器的直流总增益是K
当正弦信号达到最大不失幅度A0时，须使表头必须满度，以方便判断是否过载，并充分利用表头分辨率。所以K的合理设计值是A0*K>Vo，算得K>Vo/A0=4.6/3=1.5。类似的，在音频功放中，要使功放得到充分的功率输出，功放的增益K要足够大，使得前级满幅时，功放可以超过最大输出Vo。
实际上，“K=Vo/A0”中的Vo指正弦峰值上限。在正交检波输出后，是Vx和Vy两个量，并不直接输了峰值的Vo，要取模计算才得到Vo。即输入信号的模值达到Vo时被认定为表头满度。
为了进一步利用表头分辨力，可以采用Vx或Vy判定表头溢出。但最糟的一种情况是，当被测向量是45度时，最大模值变为1.414V0，所须前级信号也增加了1.414倍才能满度。为了防止前级运放过载（U2D运放超过A0），K值也必须增加1.414倍，因此采用正交量判别表头溢出时，K值须大于1.414*1.5=2.2倍。因此，对于0度或90度信号，A>V0/K，表头溢出；45度信号，A>1.414*V0/K，表头益出。
本电路OP07直流增益是11倍，K=11*0.29=3.2。许可0度或90度信号的A最大值为A=V0/K=4.6/3.2=1.44V。其中，K设计为3.2，比理论下降要求2.2大了40%，这样就留下了足够的余量，前级运放的动态能力余量更大，调试更容易。
4、第三级（U2D运放）放大量设计
本级加了带通滤波器，衰减系数是1/3，7.8k档衰减系数是1/2.6。计算时按1/3计，7.8k档结合信号源另外调整。
7.8k档设计为1/2.6衰减系数，是为与信号源幅值配合。
为了使得本级放大倍数大于1，所以运放至少要补偿带通滤波器的衰减。
本级是可控增益的，最小放大倍数设计为1/3*(13/3) = 1.44倍
通过开关切换，两档增益是3倍关系。
5、第二级（U2C运放）放大量设计
本级也是可控增益，最小放大为1倍（无电压放大功能）
通过开关切换，两档增益是10倍关系。
6、第一级（U2A和U2B运放）设计
直接采用俄版电路设计。电路增益是5倍。
7、DDS输出信号许可最大值
上面已算得，相敏检波许可最大电压输入值是1.44V
前两级最小增益是1.44*5=7.2倍
因此信号源程序最大幅度限制为1.44V/7.2=200mV
由于信号源与坐标轴之间不一定正好是0或90度，所以200mV通常不会溢出。
100Hz移相小，容易溢出。为此，第三级输出电容采用0.22uF，对100Hz有小量衰减，所以100Hz的DDS输出采用200mV不会溢出。
最后信号源输出设计为：
100Hz，有效值140mV，峰峰值200mV
1kHz，有效值130mV，峰峰值180mV
7.813kHz，有交值0.10V，峰峰值140mV
调试电路时，测定一下信号源运放输出端的信号强度，须比小于等于以上电压设计值。如果比以上值高了10%，本LCR表不能可靠工作。
8、V/I变换器与差动输入的关系
当频率高时，V/I变换器运放的内部增益下降，运放负输入端对地电压不是零，当电流较大时，“虚地”电压也可高达数毫伏。此时，如果不采用差动法检测量桥臂上的电压，误差会很大。为了对付这个问题，差动三运放须有较强的共模抑制能力，两臂上的2k与10k电阻要尽量严格对称。
对于上臂电压，为了消除导线电抗影响，也是需要差动放大的。
有些精简版的LCR电桥，不采用差动三运放，而改用一个运放，这种情况下，电桥精度略有下降，而且只能用于较低频率的大Zx小电流（如1kHz以）条件下测定Zx
9、AD问题
单片机自带的AD只有10bit，用10倍步进，会影响精度。
为了改善这个问题，放大器可控增益的调节以3倍左右的倍率关系步进。
其次，借助AD的高速能力及信号噪声，进行10倍过采样，AD的分辨力提高约1bit。
STC自带的AD，不能测量小于3字的信号。所以，电路中给输出直流信号加了偏置电压。这个偏置电压是利用OP07输出端的2k电阻与10欧电阻分压实现的。
10、V/I变换器与信号源的关系。
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200至300欧电阻，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20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。
11、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，利用单片机控制电子开关对1kHz和100Hz降幅。
三、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”
10的9次方，显示为“G”
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，因此根据X的测值重新选择档位。当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20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。
显示“Err”，表下臂或上臂出来零值。
本表不设置调零功能。必要时用户需要自行减去零值。
测量时，先检查Zx一下X或R的值是否在量程范围之内，如果超主量程，应切换档位。
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32，92，302，902，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2字。以上数据统一减2字就正确了。在菜单4中零点误差改正值。
菜单7：
修改零点误差改正值。
1键(X键)：数值增加0.5
2键(R键)：数值减小0.5
3键(L键)：保存键
4键(C键)：清零键
首次使用时，请设置好该值，否则LCR表无法正常工作。我的LCR表，改正值是负2.0
四、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。冷端（虚地）的2k与10k电阻，不要求精度很高，用1%精度问题不大。当然，如果这几个精度全部高精度，不但上下臂增益相同，而且共模抑制能力强。
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。
TL082负载能力测试：在信号输出运放的输出端，对地接51欧电阻，三个频率档位下输出的波形不得有失真，直接用示波器观察即可。测试完成后，拆除51欧电阻。
制作时，应注意TL082信号输出的幅值，是否在设计规定的范围内。 |
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