一种RLC串联电路参数测量装置

一种rlc串联电路参数测量装置
技术领域
1.本实用新型涉及一种电器元件参数测量装置，尤其涉及一种rlc串联电路参数测量装置。


背景技术：

2.rlc串联电路是电路理论中一个重要内容,对一个已经存在的rlc串联电路，测量电路中的rlc参数,是实际工程应用中经常遇到的问题。
3.rlc元件参数测量仪是用于测量集总参数电阻r、电感l、互感m、电容c和品质因数q的测量仪器，其常用的测量电阻、电容、电感元件参数的方法主要有三种:电桥法，谐振法和伏安法。电桥法在测量电阻、电容、电感元件参数时依靠技术人员观测电桥是否平衡来加以判断，需要人工反复换挡调节，才能得到待测r、l、c等元件的各种参数，测量精度带有一定的人为因素，误差较大。谐振法主要是利用偏差测量原理，也需要技术人员反复调节，难以实现自动测量。伏安法是最常用的方法，其测量原理来源于阻抗的定义，即若已测得被测阻抗两端的电压和流经被测阻抗的矢量电流，则通过它们的比值便可得到被测阻抗的矢量。伏安法又分固定轴法和自由轴法，这两种方法所涉及的信号相位的控制误差或计算误差均会影响测量结果的精度。同时，对一个已经存在的rlc串联电路，伏安法也只能测量出rlc串联电路的等效电抗，不能测量出电路中具体的电感、电容值。所以，对rlc串联电路该如何精确测量其rlc参数是本领域技术人员亟待解决的问题。


技术实现要素：

4.发明目的：针对以上问题，本实用新型提出一种rlc串联电路参数测量装置，测量过程中不涉及相位的控制，克服伏安法中存在的相位控制误差问题，提高参数测量的精度。
5.技术方案：本实用新型所采用的技术方案是一种rlc串联电路参数测量装置，包括嵌入式处理器、显示模块、正弦波信号发生电路和rlc测量信号处理电路；所述正弦波信号发生电路用于产生交流电信号，并输出至被测rlc串联电路，被测电路的电流、电压信号经过电流信号放大电路和电压信号放大电路放大后，分别由rlc测量信号处理电路采集处理并反馈回嵌入式处理器，通过显示模块显示嵌入式处理器的计算结果；所述rlc测量信号处理电路包括级联的两个运算放大器、场效应管、电流采样电阻和电容，前级运算放大器的负极通过电流采样电阻跨接至后级运算放大器的输出，后级运算放大器的正极通过所述电容接地，所述场效应管的漏极连接后级运算放大器的同相输入端，源极接地，栅极通过所述嵌入式处理器的i/o引脚进行控制，用于给所述电容放电。
6.所述正弦波信号发生电路包括可编程波形发生器和二阶低通滤波器，所述可编程波形发生器的信号输出端通过耦合电容接入二阶低通滤波器输出。
7.所述二阶低通滤波器包括运算放大器u3，二阶低通滤波器采用sallen-key低通滤波电路形式，其通带增益通过可调电位器在1～2之间调节。
8.该装置还包括电流采样切换电路，所述电流采样切换电路设置于电流信号放大电
路之前，包括运算放大器u1、运算放大器u1的输出引脚和负极引脚之间的电流采样电阻，通过切换所述电流采样电阻阻值调整被测信号幅值。
9.所述电流信号放大电路包括并联的两个电压跟随器，两个电压跟随器的输出连接仪表放大电路，所述仪表放大电路不接入外部电阻。
10.所述电压信号放大电路包括并联的两个电压跟随器，两个电压跟随器的输出连接仪表放大电路，所述仪表放大电路接入外部电阻调节其增益至2～5。
11.有益效果：相比于现有技术，本实用新型能够便捷地快速测量出一个已经存在的 rlc串联电路的电容、电感、电阻参数，而且测量过程中不涉及相位的控制和测量，克服了伏安法中存在的相位控制误差问题，提高了rlc电路参数测量的精度。
附图说明
12.图1是本实用新型所述的rlc串联电路参数测量装置的模块图；
13.图2是本实用新型所述的rlc串联电路参数测量装置的电路图；
14.图3是本实用新型所述的正弦波信号发生电路的电路图；
15.图4是本实用新型所述的电流采样切换电路的电路图。
具体实施方式
16.下面结合附图和实施例对本实用新型的技术方案作进一步的说明。
17.本实用新型所述的rlc串联电路参数测量装置的模块图如图1所示，包括单片机系统、键盘、显示模块、正弦波信号发生电路、电流采样切换电路、电流信号放大电路、电压信号放大电路和rlc测量信号处理电路。所述的单片机系统以stc8a8k64s4a12 为核心芯片，所述的显示电路采用串口tft智能彩色液晶屏。其中显示模块连接到单片机系统的i/o接口，并将测量结果显示在液晶屏上。键盘和电流采样切换电路作为优选方案，键盘连接到单片机系统的i/o接口，方便手动控制整个测量流程，电流采样切换电路在对信号进行数字化处理之前，对被测量信号的幅度进行调整，以获得更大的测量范围。
18.rlc串联电路参数测量装置的电路图如图2所示，其中第一rlc测量信号处理电路包括运放u12、u14。运放u12、u14级联，前级运算放大器u12的负极通过电阻跨接至后级运算放大器u14的输出，后级运算放大器u14的正极通过所述电容c12接地，所述场效应管q5的漏极连接后级运算放大器的同相输入端，源极接地，栅极通过所述嵌入式处理器的i/o引脚进行控制，用于给所述电容c12放电。在每次正弦波信号发生电路更改输出信号频率前，由场效应管q5控制电容c12放电，场效应管q5的导通与截止由单片机stc8a8k64s4a12外围引脚p2.0控制。第二rlc测量信号处理电路结构与第一rlc测量信号处理电路相同，电路参数调整以适应电压信号处理。本实施例中运放u12、u13、u14、u15优选低噪声、精密、高速运算放大器op37。
19.电流信号放大电路包括电压跟随器u6、电压跟随器u7和仪表放大电路u10。仪表放大电路采用ad622，通过不接外部电阻设置其增益为1。仪表放大电路u10的输出通过耦合电容接入第一rlc测量信号处理电路。
20.电压信号放大电路包括电压跟随器u8、电压跟随器u9和仪表放大电路u11。仪表放大电路同样采用ad622，通过其外部电阻r29设置其增益为4。仪表放大电路u11 的输出通过
耦合电容接入第二rlc测量信号处理电路。
21.正弦波信号发生电路包括ad9833和二阶低通滤波器。ad9833是adi公司生产的一款低功耗、可编程波形发生器，能够产生正弦波、三角波、方波信号输出。本装置利用其产生正弦波信号输出功能。可编程波形发生器ad9833的信号输出端vout通过耦合电容c1接入二阶低通滤波器。
22.如图3所示为正弦波信号发生电路的电路图。ad9833通过3根串行接口线sclk、 sdata、fsync与单片机的i/o接口连接。在串口时钟sclk的作用下，数据以16位的方式加载到芯片上。fsync引脚是使能引脚，低电平触发有效，进行串行数据传输时,fsync引脚由单片机系统设置为低电平。fsync置低后，在16个sclk的下降沿数据被送到ad9833的输入移位寄存器，在第16个sclk的下降沿fsync设置为高电平。在fsync刚开始变为低电平时(即将开始写数据时)，sclk必须为高电平。
23.二阶低通滤波器包括运放u3，二阶低通滤波器采用sallen-key低通滤波电路形式，其通带增益通过可调电位器rp1在1～2之间调节，使其空载时输出正弦波幅度为1v，通带宽度设置为2mhz。
24.如图4所示为电流采样切换电路的电路图。电流信号的测量通过转换为运放u1的引脚1、引脚2之间的电压经换算后测得，换算的方法为运放u1的引脚1、引脚2之间的电压除以运放u1的引脚1、引脚2之间接入的电阻。为了获得更大的测量范围，在对信号进行数字化处理之前，必须对被测量信号的幅度进行调整。调整的方法是：根据被测电路的阻抗大小选择合适的电流采样电阻。运放u1的引脚1、引脚2之间接入的电阻即为所述的电流采样电阻，其可通过4路继电器实现测量量程的切换，单片机系统根据被测rlc电路的阻抗选择合适阻值的电流采样电阻，且每次测量过程中只接入一个电阻。本方案中选择被接入的电阻值为：r1＝100ω、r2＝1kω、r3＝10kω和r4＝100kω，4个电阻均为高精度电阻，精度为0.05％。
25.单片机系统采用现有的三点频率响应法测量rlc串联电路参数。在使用时，ad9833 在单片机系统的控制下在第1时刻t1、第2时刻t2、第3时刻t3分时地产生100hz(ω1)、 10khz(ω2)、1mhz(ω3)的正弦波。与此对应的，单片机系统利用片内adc模块测量也分别在第1时刻t1、第2时刻t2、第3时刻t3分时地测量被测电路端口的电压幅值和电流幅值。设对应3种频率信号激励下，端口电压、电流分别为：率信号激励下，端口电压、电流分别为：测得的被测电路端口的电压幅值和电流幅值分别为：u
1m
、u
2m
、u
3m
、i
1m
、i
2m
、 i
3m
。单片机采用现有的三点频率响应算法对接收到的信号进行计算，本方案未涉及三点频率响应算法的改进。三点频率响应法测量rlc串联电路参数的计算原理如下：
26.设rlc串联电路中，电阻值为r、电容值为c、电感值为l，则rlc串联电路的等效阻抗可表示为：
[0027][0028]
阻抗模表示为：
[0029][0030]
式中为端口电压，为端口电流，ω为激励信号角频率。
[0031]
在端口激励信号频率分别为ω1、ω2、ω3的情况下，有
[0032][0033][0034]
令x1＝l2、则有
[0035][0036]
进一步的，写成矩阵形式则有
[0037][0038]
令行列式令行列式
[0039]
依据克莱姆法则，则有依据即可求出rlc串联电路的相应参数。