适合业余爱好者DIY的高精度数字电桥

xjw01

十、多途验证记录：

验证1：高Q测量精度验证

取0.1uF/630V CBB22电容做为基准器件。这种电容具用很高Q值，它的Q值是大于这个LCR表的测量上限的。

X=16k，800至999(10k档)

X=1.6k，700至999（1k档）

X=200欧，500至999(1k档)，999(7.8k档)

本LCR表有效测量上限为300左右。测得以上Q值，属正常，上误差许可范围内。本LCR表最大显示限制为999

验证2：低Q测量精度验证

取0.1uF/630V CBB22高Q电容，与3.14欧电阻并联。并联之前测得容量为101nF

用并联法测量。1kHz，测得容量为60nF，7.8kHz测得容量为80nF（此时Q值显示为0.012左右）

理论Q值是3.14/200=0.016，实测0.012，误差4字

经查，这4字误差是二线法测量造成的。转到串联模式，表笔短路，测得表笔残余电抗是+9毫欧。

大串联法重测这个阻容并联体，等效串联电抗是-37毫欧，显然，去除表笔残余值后，正确值是46毫欧。因此，改正后Q值是46毫欧/3.14=0.015，与理论值很接近。

验证3：

测量0.47uH空心线圈（Q表测量），测值也是0.47uH（已去除表笔残余电感）

验证4：

取一段0.18平方毫米铜线，对拆绞合，形成无感电阻。今测其残余电感。

用7.8kHz，20欧档，测得电感量是0.36uH，ESR=294毫欧，去除表笔电感量0.20uH，得电感量0.16uH

用1MHz高频伏安法测得约值是0.2uH

由于这种电感Q值低，电感量不好测量，两种测法误差都比较大，而且电感与频率相关，故只能做粗略比较。两种测法所得结果差不多。

验证5：

20pF小电容测量，与Q表，仅相差0.1pF

验证6：

取5个5pF电容并联，测量Q值，得到Q=300，还算满意。

验证7：

接入10欧电阻测试分辨力，用100k档测量，测得三种频率下阻值均为10欧（跳动正负0.5欧）

验证8：

测试电阻，测了几十个电阻，误差均小于0.5%

验证9：

用网线测量毫欧电阻。利用长度测量换算电阻，并与测值比对，可分辨1毫欧。网线电阻率事先用直流电桥测定。

验证10：

取相同的0.47uF/630V CBB22，镀锡包铜钢线引脚，测得单个Q=999（超量程），两个相同的电容并联或串联，也是Q=999。显示正确

验证11：

1uF/400V CL21电容，测得ESR=0.18欧，EPR=2.2k

0.47uF/630V CBB22电容，测得ESR=0.01欧，EPR=百几k

测试线电阻0.013欧

两电容并联，测得EPR=2.1k，ESR=0.10欧

计算验证：去除导线电阻，两电容ESR分别为0.17，0.00，并联后的ESR为0.17*(1/1.47)^2+0.013=0.09，与测值0.10相近。

xjw01

这次，分频段调校AD/相敏检波器的零点偏移问题，高Q低阻ESR的测量精度再次提升。
标称精度不变，但是测量这类元件ESR的可靠性提升不少。

xjw01

七、关于误差
关于基本误差：
基本量程精度是0.5%，7.8kHz档误差0.7%
Zx电抗在下臂电阻的1/30至50倍时，1kHz档精度达到0.5%，实际上，1kHz下做了一个小测试，测定了100至200k的十个电阻，精度全部达到0.25%左右
Zx电抗在下臂电阻的1/30至50倍之外时，误差变大。Zx在/1/30倍与50倍之内，可按300字测算精度，即0.3%，做为误差指标采用0.5%即可。
最小分辨阻抗：
本电桥最小分辨阻抗：下臂按300字保守估计，那么上臂1字分辨力对应的阻抗是下臂电阻的1/(300*30)≈1/10000
由于上臂阻抗很小时，下臂会接近于满度，约为700字，AD转换又采用了过采样，分辨力提高一倍以上，所以下臂至少达到1500字的分辨力。因此，最小分辨阻抗为实为1/(1500*30) ≈1/50000，对于100k欧档，可分辨到1至2欧
20欧档的最小分辨阻抗是20/10000=2毫欧。
1k欧档的最小分辨阻抗是1000/10000=0.1欧。
10k欧档的最小分辨阻抗是10000/10000=1欧。
100k欧档的最小分辨阻抗是100000/10000=10欧。
同样道理，最大阻抗分辨力为量程电阻的10000倍
100k欧档的最大分辨阻抗是100k*10000=1G欧左右。阻抗高了，很容易受到干扰，实际无法分辨到G欧，只能分辨到和百兆欧。
最小单位显示符号：电抗（X和R）为mΩ，L为uH，C为pF
显示字数：3字，扩展显示为4字。3字显示时，电感只显示到0.01uH。LCD1602显示屏，直接显示为4字。
按下L键，显示L或C。当电抗X为负值时显示电容量，为正时显示电感量。当X处于零点上正负跳动，此时显示L或C跳变，C会很大，L会很小。选择正确的档位，不会出现这个问题的。
有效分辨阻抗与精度表示：
有效分辨阻抗 = 读数的1/300 + 最小分辨主抗
如：测得电阻48.44欧，它并不能分辨到0.01欧，实为48/300=0.16欧
如：测得电阻30.01毫欧，它并不能分辨到0.01毫欧，实为30/300+2=2.1毫欧，实际分辨力会好一些，测量到1毫欧问题不大。
100Hz、1kHz档主参数精度表达示意：
20欧档精度：0.5% of reading + 2毫欧， 0到50*20欧=1k欧
1k欧档精度：0.5% of reading + 0.1欧，0到50*1k=50k欧
10k欧档精度：0.5% of reading + 1欧，0到50*10k=500k欧
100k欧档精度：0.5% of reading + 10欧，0到5M欧，高阻测量须考虑残余电阻。
5M至100M欧读值仅共参考，未测试，
7.8kHz档，精度按0.7%计算
副参数的精度比主参数的业精度低。X与R，起主导作用的那个为主参数。如，电容以容性为主时，主参数是X，副参数是R。电阻的主参数一般是R。
副参数的串联电抗比主参数小，有效读数也会比较小，因此误差变大。
副参数的精度表达形式与主参数相同，但reading部分要用主参数读值代入。
主、副参数，是用同等增益放大器输出，采样后运算得到的。所以它们的分辨力是相同的。
关于大电容ESR的测量误差：
ESR指等效串联电阻，LCR数字电桥是测量ESR相对于简易的阻抗法测量，精度要高很多的。这块LCR表频率不高，只做到7.8kHz，所以测量ESR的适用范围较小。如果仅仅是想知道10kHz左右时的ESR，电桥可以准确测定的。精度方面与电容材质、容量有关。高Q的电容，即ESR非常小的电容，本表基本上无能为力，测不了，常常直接显示为0或-0。
本表可以测量Q值低于200的电容ESR。
设容抗为X，ESR的有效分辨力是“2毫欧+X/300”
如果Q小于1，ESR的有效分辨力是“2毫欧+R/300”
大于200的，ESR测量不可靠的。举例来说：高压的CBB22电容，测不了，它的ESR太小了。
例1：0.47uF/630V CBB22电容为例
我的LCR表测得结果是：容抗X=-43欧，R=-0.01欧（0与-0.01之间跳），Q = 43/0.01=4300。
显然，这个ESR测量结果是不正确的，甚至出现了负值。
本表测量这类电容的ESR，有效分辨力是容抗的1/300，也就是说，容抗43欧，只能分辨到43/300=0.14欧。做乐观的误差估计，它也难以分辨到0.14/2=0.07欧。这就造成它无法测量这个CBB电容了，因为该电容的ESR小于0.07欧
例2：1uF/400V CL21电容
我的LCR表测得结果是：X=-22欧，R=0.22欧，Q=100
有效分辨是22/300=0.07欧，现在测得的ESR是0.22欧，比0.07欧大得多，因此这个测值是有效的。
精度做最坏估计：0.07/0.22=30%，当然，上面的分辨力估计有很大的余量，实际误差是小于30%的。
例3：测量电解220uF电容
我的LCR表测得结果是：X=-96.7毫欧，R=101毫欧，Q=0.95
有效分辨是96.7/300+2=2.3毫欧，现在测得的ESR是101毫欧，比2.3毫欧大得多，因此这个测值是有效的，而且精度很好。
以上测试频率为7.8kHz，20欧档

电感电容的分辨力：
电感分辨力约为2 mΩ/(6.28*7.8kHz)=0.04uH，实际可分辨到0.01uH至0.02uH左右。
频率7.8kHz时，电容分辨力约为1/(6.28*7.8kHz*1G欧) = 0.02pF，实际受干扰，有效分辨率仅0.05至0.1pF左右
电感、电容误差，按照X的误差估计即可。Q值较大时，X误差就是基本误差0.5%或0.7%(7.8kHz)
Q值精度：
Q值精度比较特殊。串联测量时Q=X/R，并联法测量时Q=R/X。Q值的误差实际上是X和R二者中精度最低的那个。
相对误差是：(主参数分辨力 + 量程固定误差) / 副参数读值
也可写为：（Q * 副参数/300 + 量程固定误差）/ 副参数 = Q/300 + 量程固定误差 / 副参数
Q值较大时，由于Q值误差较大，相对误差表示为：Q/300即可。
例如，Q=300时，误差可能达到300/300=100%，如600Q可能测为300Q，高阻时，噪声大，Q误差可能更大，低阻时误差一般小于100%
综上，Q值大于300，本表测Q已经不可靠了。可以认为，读数大于500的，本表测值为无穷大。

xt_aje

请教一下楼主，
您的鉴相器各部分元件的功能能否略述一下，
我网上搜了一下好一阵子，
没找到类似您这种类型的电路，
所以对鉴相这部分总是搞不明白。
我是业余爱好者，
提的问题可能很简单，
请您赐教

xjw01

在那个压缩包，我有讲到鉴相器的工作原理。你下载看一下就明白了。
这个鉴相器的线性度很好。分离度也很好。
在一些学术论文中，为了突显作者自己的“新型鉴相”方法的优点，常把这种开关式鉴相器说得很差。
其实不是这样的。
频率高了，信号小时，鉴相器在零点存在一些非线性，修正一下就可以了。
我现在还在修改电路，和程序。
排除了电子开关内部的干扰，使和7.8kHz的精度提升到0.5%，与1kHz档一样，目前实测不少电阻，精度都达到0.2%以内。
我抽空把资料整理好在发上来。

无行风

我现在还在修改电路，和程序。
排除了电子开关内部的干扰，使和7.8kHz的精度提升到0.5%，与1kHz档一样，目前实测不少电阻，精度都达到0.2%以内。
我抽空把资料整理好在发上来。

谢谢先。

xjw01

来自单片机的尖峰干扰，会造成10pF以下的电容Q值测量不正常。
表笔开路时，就有几pF，含有大量的干扰信号。放大器电路中只有一级滤波器，滤除不干净，准备针对7.8kHz再加一级滤波。
尖峰干扰很历害，会造成末级放大器过载，相位异常。

xjw01

新版程序来了。加入了专用校准程序，使得各档精度都达到0.5%（实测电阻，未见超这0.3%）

程序.rar (182.31 KB, 下载次数: 649)

2011-11-18 15:00 上传

点击文件名下载附件

xjw01

菜单7（Menu+Rng键）：
这是校准菜单，用Q键切换M0——M9。
首次下载时，这M0——M9的值是为-1，若以后有新版程序更新下载，一般不改变M0至M9，是否改变参数值，与程序设计相关。
如果连续按5次C键（清除键），参数恢复为默认值，然后按下L键保存即可。
1键(X键)：数值增加
2键(R键)：数值减小
3键(L键)：保存键
4键(C键)：清零键
5键(Q键)：参数切换键，向左
5键(F键)：参数切换键，向右
6键(Rng键)：快速校准时使用
首次使用时，请设置好这些参数，否则LCR表无法正常工作。
如果对LCR表的副参数精度要求不高，直接采用默认值即可。

六、校准LCR表

菜单7为调校菜单，共10个参数，标识为M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M9，M10，M11含意如下：
M0指第二可控增益运放的相位补偿。默认值是16，单位是“0.001度”。
M1指第一可控运放的相位补偿值。默认值是20，单位是“0.001弧度”。
M2指V/I变换器的相位补偿值。默认值是25，单位是“0.001弧度”。
M3是100Hz时的零点校准。默认值是2.2，单位是“字”。
M4是1kHz时的零点校准。默认值是2.2，单位是“字”。
M5是7.8kHz时的零点校准。默认值是1.4，单位是“字”。
M6是20欧下臂电阻校准。默认值是0，单位是百分之0.01。
M7是1k欧下臂电阻校准。默认值是0，单位是百分之0.01。
M8是10k欧下臂电阻校准。默认值是0，单位是百分之0.01。
M9是100k欧下臂电阻校准。默认值是0，单位是百分之0.01。
M10指第二可控增益运放的增益校准。默认值是0，单位是百分之0.01。
M11指第一可控运放的相位增益校准。默认值是0，单位是百分之0.01。
如果参数设置乱了，可以连续按5次C键（清除键）恢复为默认值，再按L键保存。

（一）调校零点偏移（M3、M4、M5参数）
零点调校这是LCR表主参数准确的前提。建议做为调校的第一步，以免影响其它校准工作。用本电路指定的元件型号制作，成品的零点参数几乎相同，因此通常可以直接采用默认值。
100Hz的零点调校参数是M3调校步骤：
1、频率置为100Hz，档位置为100k欧
2、接上1%精度的10欧电阻
3、在菜单1（启动后的默认菜单）中读取R值
用100k档测量10欧电阻，精度会比较差的，读值跳动10%是正常的，因此，读取平均值即可。
如果读值与10欧偏离超过5%，则应调整M3的值。每调大0.1字，读值减小0.5欧左右。如偏差大2欧，大约需要把M3调大0.4字。
调节M4、M5的方法与调整M3的方法相同，只须把频率设置为1kHz和7.8kHz即可。

（二）相位补偿参数（M0、M1、M2）
不进行相位补偿，高Q元件测量的精度很低。调校步骤：
1、先将M0、M1、M1置零并保存。准备好1/4W色环电阻510欧、100欧、2.7k欧，精度无特殊要求。
2、频率置为7.8kHz，量程置为1k欧档，进入菜单4（M+C）
3、接入330欧电阻，增益档位应显示为“1，0”说明启动了第二运放三倍档，若是其它值请更换电阻试试。M+X键切换到菜单1，记下此时的Q值，它就是M0要设定的值。
4、接入100欧电阻，增益档位应显示为“2，0”说明启动了第一运放十倍档，若是其它值请更换电阻试试。M+X键切换到菜单1，记下此时的Q值，它就是M1要设定的值。
5、两次Q值测出来后，比如测得0.016和0.020，那么只需将M0置为16，M1置为20即可，设置后要保存。两个Q值测出来后统一存中M0和M1，不能测一个存一个。
6、档位100k欧档，频率7.8kHz。
7、接入2.7k被测电阻，测得Q值，存入M3。比如测得0.025，须将M3置为25。
以上测量顺序不可颠倒。
如果觉得测量M0、M1、M3麻烦，可以直接采用16、20、25，但不保证适合所有的TL084
注：增益档位与被测电阻相差，是程序自动控制的。对于1k档1kHz，被测电阻在640—1000欧为（1,1），640—440保持，440—280为（0,1），280—250保持，250开始启动（0,2），85—75保持，75以下（0，3）。

（三）下臂电阻改正值M6、M7、M8、M9
下臂电阻的改正。M6——M9保存这些电阻的误差万分数。
分别切换到相应档位，接入20欧、1k欧、10k欧、100k欧已知电阻。频率1kHz。
例：
20欧电阻档，实测偏离万分之+20，则M6应存入-20
1k欧电阻档，实测偏离万分之+20，则M7应存入-20
10k欧电阻档，实测偏离万分之-30，则M8应存入+30
100k欧电阻档，实测偏离万分之-10，则M9应存入+10
校准后，会连同前级差动运放的不一致性一同校准。

（四）可控增益放大器增益校准确：
方法当与下臂电阻校准类似。
校准三倍档增益，1kHz，1k欧档，接入2k电阻，调M10，使电阻值显示精确。
校准十倍档增益，1kHz，10k欧档，接入1k电阻，调M11，使电阻值显示精确。

（五）快速校准：
以上校准，实际操作时比较麻烦。实际校准，可以采用快速校准法。
进入菜单7之后，M0至M11用Q（向左）或F（向右）键换
1、M3校准，接入10欧电阻，按Rng进入测量值显示状态，档位会自动切换，按X或R键进行增减，使R读值为10欧，按Rng退出
2、M4校准同M3
3、M5校准同M3
4、M0校准，接入510欧电阻，按Rng进入测量值显示状态，按X或R键进行增减，使Q读值为0，按Rng退出
5、M1校准，接入100欧电阻，校准方法同M0
6、M2校准，接入2.7k欧电阻，校准方法同M0
7、M6校准，接入已标定的20欧电阻，按Rng进入测量值显示状态，按X或R键进行增减，使R读值与标定值相同，按Rng退出
8、M7校准，接入已标定的1k欧电阻，校准方法同M6
9、M8校准，接入已标定的10k欧电阻，校准方法同M6
10、M9校准，接入已标定的100k欧电阻，校准方法同M6
11、M10校准，接入已标定的2k欧电阻，校准方法同M6
12、M11校准，接入已标定的1k欧电阻，校准方法同M6
校准M3、M4、M5时，读值跳动比较多，取平均值即可。

xjw01

注意：电路已做了改动。7.8kHz滤波器，由原来的16k、27k、1nF、1nF更换为1.5k、2.7k，10nF，10nF
这几个元件不更换，会造成7.8kHz档的精度上不去。

xjw01

下表LCD1602版实测精度（已做校准）：

3.126欧电阻实测（此电阻用直流电桥法测得）
档位        100Hz        1kHz        7.8kHz
20欧        3.120        3.122        3.120
1k欧        3.10        3.13        3.12
10k欧        3.1        3.0        3.1
100k欧        3.0        2.5        2.5

50.4欧电阻实测
档位        100Hz        1kHz        7.8kHz
20欧        50.37        50.38        50.35
1k欧        50.41        50.48        50.36
10k欧        50.22        50.37        50.40
100k欧        51        51        50

100.2欧电阻实测
档位        100Hz        1kHz        7.8kHz
20欧        100.0        100.1        99.92
1k欧        100.0        100.0        100.0
10k欧        99.99        99.95        99.95
100k欧        100.1        100.0        100.0

297.6欧电阻实测
档位        100Hz        1kHz        7.8kHz
20欧        297.5        298.0        297.1
1k欧        297.6        297.6        297.3
10k欧        297.2        297.7        297.1
100k欧        296.2        297.0        296.5

994.2欧电阻实测
档位        100Hz        1kHz        7.8kHz
20欧        994.0        995.5        994.2
1k欧        993.5        994.6        994.0
10k欧        993.5        994.5        993.8
100k欧        993.0        993.0        992.0

1.999k电阻实测
档位        100Hz        1kHz        7.8kHz
20欧        20k        20k        20k
1k欧        20.02        20.03        20.00
10k欧        20.00        20.00        19.99
100k欧        19.98        20.01        19.97

3.285k电阻实测
档位        100Hz        1kHz        7.8kHz
20欧        3.290        3.298        3.276
1k欧        3.284        3.288        3.283
10k欧        3.283        3.289        3.282
100k欧        3.283        3.288        3.280
26.64k电阻实测
档位        100Hz        1kHz        7.8kHz
20欧        26.4        26.4        26.3
1k欧        26.68        26.70        26.65
10k欧        26.66        26.70        26.65
100k欧        26.66        26.69        26.64

468.2k电阻实测（并联法）
档位        100Hz        1kHz        7.8kHz
20欧        430k        390k        390k
1k欧        470k        470k        466k
10k欧        469.9        470.0        466.8
100k欧        469.8        470.0        465.5

2.209M电阻实测（并联法），7.8kHz残余电阻150M欧
档位        100Hz        1kHz        7.8kHz
20欧        *        *        *
1k欧        2.2M        2.2M        2.2M
10k欧        2.213        2.215        2.159
100k欧        2.215        2.205        2.165

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查了一下TH2822A的手册。
与之比对，主量程精度差不多。
下限测量范围更大。TH2822A，在40欧档，精度降到0.35%，4欧档降到1%，0.4欧档为3%
本表实测了0.4欧至x.xx欧电阻，精度不减，还是优于0.5%
D值误差也是0.003以内

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小容量电容ESR测量误差来源：

其一是AD分辨力和鉴相器的综全误差，它对ESR误差的贡献是A=X/300（X为电抗分量）

其二是不稳定的并联残余电阻造成的误差。其值为R0=50M欧估值。

对于Q>2，R0转为并联方式，其值为r0=X2/R0

因此，ESR误差为A+r0 = X2/R0 + X/300 = X ( X/ R0 + 1/300 )

从上式看，当X/R0<1/300，即X<170k欧（C大于120pF），R0引入的误差变为次要，误差直接采用X/300估计即可。

也可以采用均方误差估计，所得误差值会小一些。又因为R0估值有较大余量，所以直接取X2/R0与X/300两者中较大的为误差估计项即可。

例1，测得220pF独石电容的电抗为90k欧，那么ESR误差是90/300=0.3千欧。

例2，测得80pF瓷电容的电抗为230k欧，那么ESR误差是230*0.23/50)=1千欧。

例3，测得20pF瓷电容的电抗为2.2M欧，那么ESR误差是2.2*2.2/50)=0.1M欧。对于这种电容，要想利用这个LCR表估计Q值，建议在并联模式下，观察接入20pF电容前后等效并联电阻的变化情况。如，接入前是100M至150M欧之间跳变，接入后也是在这个范围内跳变，说明这个电容的Q值很高，在200以上，LCR表无法分辨。也可以多个相同的电容并联起来测量，得到的Q值将变得准确许多。其实，7.8kHz的电桥是不适合测量这么小电容的Q值的。

cwer

有够复杂哦