一种新型LCR测试系统设计

董轶龙　温思歆　余晓铭　丁瑞金

摘要：文章介绍了一种新型LCR测试仪系统，其基于LCR数字电桥原理，主要由LCR测试电路以及以单片机为核心的数据处理系统组成。单片机DAC输出正弦波，利用模拟开关选择不同的截止频率，对单片机产生的正弦信号进行滤波。LCR数字电桥法，分别测出Ux和Ur对应于某一参考相量的同相量分量和正交分量，经模数转换器将其转化为数字量，最终通过单片机进行数据处理。

关键词：LCR数字电桥；单片机；模拟开关；数据处理

LCR测试仪能准确并稳定地测定各种元件参数，主要是用来测试电感、电容、电阻的测试仪。对于一般封装好的电路，当无法具体了解其内部的具体参数时，我们会采用测试仪进行测试，市场上大多数产品成本较高。我们在这里给出一种成本低、操作简单、准确度高的智能LCR测量仪。经实验验证，该测量仪器所能测量电阻范围：100Ω～1MΩ，精度误差±2%；测量电容范围：1000DF～0.1uF，精度误差±5%。

1 系统理论分析与计算

1.1 正弦波输出模块的分析与计算

根据设计要求，测试仪应具有3个可选的测试频点：100Hz，1kHz，10kHz。这就需要设计产生100Hz、1kHz、10kHz不同频率的正弦信号输出。单片机DAC输出正弦波，按键控制频点选择。利用模拟开关74HC4052选择不同的截止频率，对单片机产生的100Hz，1kHz，10kHz正弦信号分别进行滤波，经过电压跟随器，然后输出，以便得到更好的波形。

正弦波输出模块电路中，模拟开关选用74HC4052芯片，运算放大器选用OPA2340芯片。有源滤波器的截止频率为f=1/（2πRC），故不同电阻值分别对应不同频率正弦信号输出。经计算，10kHz对应两个30KΩ电阻，1kHz对应两个200KΩ电阻，100Hz对应两个1MQ电阻。

1.2 LCR测试模块的分析与计算

阻抗用Z_x表示，R_r为标准电阻器，则Z_x=U_x/I_x=R_rU_x/U_r。此式为一相量关系式。若分别测出U_x和U_r对应于某一参考相量的同相量分量和正交分量，然后经模数转换（A/D）器将其转化为数字量，再进行复数运算，即可得到组成被测阻抗乙的电阻值与电抗值。

LCR测试模块基本电路中，模拟开关选用74HC4052芯片，R_s有4个不同阻值的电阻以切换量程，得到最优测试值。

2 电路与程序设计

2.1 电路的设计

2.1.1 系统总体部分

测量电路主要由正弦波输出模块、LCR测试模块、电源模块组成。单片机DAC输出正弦波，按键控制频点选择。利用模拟开关74HC4052选择不同的截止频率，对单片机产生的100Hz，1kHz，10kHz正弦信号分别进行滤波，经过电压跟随器，然后输出，以便得到更好的波形。通过数字电桥的方法测量LCR值。

2.1.2 正弦波输出模块电路

单片机DAC输出正弦波，按键控制频点选择。利用模拟开关74HC4052选择不同的截止频率，对单片机产生的100Hz，1kHz，10kHz正弦信号分别进行滤波，经过电压跟随器，最后输出。

2.1.3 LCR测试模块电路原理

若分别测出U_z和U_r对应于某一参考相量的同相量分量和正交分量，然后经模数转换（A/D）器将其转化为数字量，再进行复数运算，即可得到组成被测阻抗乙的电阻值与电抗值。R_s电阻值的不同以切换量程，得到最优测试值。

2.1.4 电源模块电路

正负2V电源模块以LM7805为核心，为调制器提供正5V电压。

2.2 程序的设计

2.2.1 程序功能描述

（1）产生不同频率正弦波。

（2）控制频点选择。

（3）显示测得L，C，R值。

2.2.2 程序设计思路

产生不同频率的正弦波信号，运用单片机PWM控制实现。

测定电抗元件Z_x中电压U₁与电流I，用欧姆定律就可以得到Z_x=U₁/I，当乙串联了已知电阻R，那么测定了R上压降U₂，

单片机AD采样，复数FFT变换得到相位幅度，得到参考电阻和待测电阻上的压降，选择合适的量程，根据公式即可计算出L，C，R值。

3 测试方案与测试结果

3.1 测试方案

（1）硬件测试。首先，将制好的电路板分模块进行测试，检查正弦波输出模块、LCR测试模块、电源模块设计是否符合理论要求。

（2）软件仿真测试。将编写好的程序烧入单片机，进行软件仿真测试。

（3）硬件软件联调。将硬件电路与软件相结合进行联调。

3.2 测试条件与仪器

测试条件：经多次检查后，硬件电路无虚焊无短接。

测试仪器：DT9205A万用表。

3.3 测试结果及分析

3.3.1 测试结果（数据）

3.3.2 测试分析与结论

根据表1-2，可以得出以下结论：（1）测量电阻范围（100Q～1MQ）及精度误差±2%。（2）测量电容范围（1000pF～0.1uF）及精度误差±5%。（3）可使用按键设置被测器件的类型和单位，并显示。（4）具有3个可选的测试频点：100Hz，1kHz，10kHz。

4 结语

通过上述实验验证，我们所设计的LCR测试仪能够满足测量电阻和电容的量程范围和精度的要求。