一种rlc测量仪及测量方法
【专利摘要】本发明涉及一种RLC测量仪，采用CPLD技术替代用数字电路产生正弦检测信号，且CPLD开发板上芯片资源丰富、内含PLL锁相环，方便实现倍频和分频，且包含存储单元，可以直接调用ROM表宏模块、而且可以应用SOPC来实现内核，便于实现高频测试信号能够提高正弦检测信号的波形质量；本发明还设计了基于本发明设计RLC测量仪的测量方法，采用直接数字频率合成技术，能够精确控制输出正弦检测信号的频率和相位，同时具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、具有低相位噪声和低漂移、易于集成、易于调整等优点。
【专利说明】一种RLC测量仪及测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种RLC测量仪及测量方法。
【背景技术】
[0002] RLC元件参数测量仪器是用于测量集中参数电阻R、电感L、电感M、电容C和品质 因数Q的测量仪器，是一种广泛用于材料工业、医药工业、电子信息工业各种相关参数的测 量和数据分析的多用途仪器。
[0003] 电阻、电感、电容，无论从种类上还是数量上说都是使用很频繁的电子元器件，随 着电子材料、工艺和使用等方面的发展，对电阻、电感、电容等元器件及其品质因数在不同 频率电子线路下其值的特性提出了更高的要求。大部分电感器的电感量在使用不同的测量 频率和测试信号电平时会有很大的变化，而铝电解电容器也随着测量频率的改变其值也会 发生急剧的变化。市场上普通的电阻R、电感L、电容C的标称值都是在1kHz测试信号频率 和IV测试信号电平作用下测量出的值，不具有通用性。目前市场上的产品的测量频率大都 在30HZ?300KHZ (采用单片机设计），不能满足设备测量频率范围的需求。
【发明内容】
[0004] 针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于CPLD技术，满足 设备测量频率范围需求的RLC测量仪。
[0005] 与此相应，针对上述技术问题，本发明所要解决的技术问题是提供一种基于本发 明设计的RLC测量仪，满足设备测量频率范围需求的测量方法。
[0006] 本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种RLC测量 仪，包括前置检测电路模块、差分处理电路模块、检波电路模块、积分模块、信号采集处理控 制单片机、双端口 RAM、输入输出控制模块、输入模块、输出模块、低通滤波器模块和D/A转 换器；还包括CPLD控制板，其中，前置检测电路模块的输出端与差分处理电路模块的输入 端相连接，差分处理电路模块的输出端与检波电路模块的其中一个输入端相连接，检波电 路模块的输出端与积分模块的输入端相连接，积分模块的输出端与信号采集处理控制单片 机的输入端相连接，信号采集处理控制单片机的输出端与CPLD控制板的输入端相连接，信 号采集处理控制单片机同时与双端口 RAM进行交互通信，CPLD控制板的两个输出端分别 与检波电路模块、D/A转换器相连接，D/A转换器的输出端与低通滤波器模块的输入端相连 接，同时分别与检波电路模块、D/A转换器相连接，双端口 RAM与输入输出控制模块进行交 互通信，输入输出控制模块的输入端、输出端分别与输入模块、输出模块相连接。
[0007] 作为本发明的一种优选技术方案：所述积分模块包括相互连接的积分型A/D转换 器和计数器，其中，所述检波电路模块的输出端与积分型A/D转换器的输入端相连接，积分 型A/D转换器的输出端与所述信号采集处理控制单片机的输入端相连接。
[0008] 作为本发明的一种优选技术方案：所述CPLD控制板为CPLD开发板。
[0009] 作为本发明的一种优选技术方案：所述输入输出控制模块为键盘显不控制单片 机，所述输入装置为键盘输入装置，所述输出装置为液晶显示装置。
[0010] 本发明所述一种RLC测量仪采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效 果：本发明设计的RLC测量仪，采用CPLD技术替代用数字电路产生正弦检测信号，且CPLD 开发板上芯片资源丰富、内含PLL锁相环，方便实现倍频和分频，且包含存储单元，可以直 接调用ROM表宏模块、而且可以应用S0PC来实现内核，便于实现高频测试信号，能够提高正 弦检测信号的波形质量，有效拓宽正弦检测信号的测量范围，满足设备测量频率范围需求， 且便于升级和维护。
[0011] 与此相应，本发明为了解决上述技术问题采用以下技术方案：本发明设计了一种 基于本发明设计RLC测量仪的测量方法，包括如下步骤：
[0012] 步骤001.所述输入模块经输入输出控制模块、双端口 RAM、信号采集处理控制单 片机向所述CPLD控制板发送控制命令，所述CPLD控制板采用直接数字频率合成技术，根据 接收到的控制命令产生并控制正弦检测信号经D/A转换器、低通滤波器模块输送至被测电 子元器件；
[0013] 步骤002.所述前置检测电路模块针对被测电子元器件进行检测，获得被测电子 元器件的检测信号，并输送至所述差分处理电路模块进行处理；
[0014] 步骤003.所述差分处理电路模块针对检测信号进行处理后，发送至检波电路模 块，所述输入模块经输入输出控制模块、双端口 RAM、信号采集处理控制单片机向所述CPLD 控制板发送鉴相控制命令，所述CPLD控制板采用直接数字频率合成技术，根据接收到的鉴 相控制命令控制检波电路模块针对接收到的信号进行双鉴相，并将鉴相信号发送至所述积 分型A/D转换器；
[0015] 步骤004.所述积分型A/D转换器接收鉴相信号，并根据与之相连的计数器，针对 鉴相信号进行积分，并将其平均值转换成相应的数字量信号，发送至所述信号采集处理控 制单片机；
[0016] 步骤005.所述信号采集处理控制单片机接收数字量信号，经双端口 RAM、输入输 出控制模块，通过输出模块进行输出。
[0017] 作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤001中，所述CPLD控制板采用直接数 字频率合成技术，根据接收到的控制命令产生并控制20Hz?1MHz正弦检测信号经D/A转 换器、低通滤波器模块输送至被测电子元器件。
[0018] 作为本发明的一种优选技术方案：所述步骤003中，所述CPLD控制板控制检波电 路模块针对接收到的信号进行双鉴相过程中，采用三路方波对被测电子器件和标准电阻两 端的电压差信号进行鉴相。
[0019] 本发明所述一种基于本发明设计RLC测量仪的测量方法采用以上技术方案与现 有技术相比，具有以下技术效果：本发明设计基于本发明设计RLC测量仪的测量方法，基于 CPLD技术，采用直接数字频率合成技术，能够精确控制输出正弦检测信号的频率和相位，同 时直接数字频率合成技术具有频率切换时间短、频率分辨率高、相位变化连续、具有低相位 噪声和低漂移、易于集成、易于调整等优点；并且本发明设计的测量方法中，采用了双鉴相， 鉴相后的合成波形在积分过程中受到直流电压纹波的影响减小了，使得测量结果的精度提 高了一位，这大大提高产品的市场竞争力。
【专利附图】
【附图说明】
[0020] 图1是本发明设计的RLC测量仪及测量方法的结构示意图；
[0021] 图2是本发明设计RLC测量仪中前置检测电路模块电路示意图；
[0022] 图3是本发明设计RLC测量仪中差分处理电路模块电路示意图；
[0023] 图4是本发明设计RLC测量仪中检波电路模块示意图；
[0024] 图5是本发明设计RLC测量仪中积分模块示意图；
[0025] 图6是本发明设计RLC测量仪中计数器示意图；
[0026] 图7是本发明设计RLC测量仪中键盘显示控制单片机示意图。
【具体实施方式】
[0027] 下面结合说明书附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0028] 如图1所示，本发明设计了一种RLC测量仪，包括前置检测电路模块、差分处理电 路模块、检波电路模块、积分模块、信号采集处理控制单片机、双端口 RAM、输入输出控制模 块、输入模块、输出模块、低通滤波器模块和D/A转换器；还包括CPLD控制板，其中，前置 检测电路模块的输出端与差分处理电路模块的输入端相连接，差分处理电路模块的输出端 与检波电路模块的其中一个输入端相连接，检波电路模块的输出端与积分模块的输入端相 连接，积分模块的输出端与信号采集处理控制单片机的输入端相连接，信号采集处理控制 单片机的输出端与CPLD控制板的输入端相连接，信号采集处理控制单片机同时与双端口 RAM进行交互通信，CPLD控制板的两个输出端分别与检波电路模块、D/A转换器相连接，D/ A转换器的输出端与低通滤波器模块的输入端相连接，同时分别与检波电路模块、D/A转换 器相连接，双端口 RAM与输入输出控制模块进行交互通信，输入输出控制模块的输入端、输 出端分别与输入模块、输出模块相连接。基于以上技术方案的RLC测量仪，采用CPLD技术 替代用数字电路产生正弦检测信号，且CPLD开发板上芯片资源丰富、内含PLL锁相环，方便 实现倍频和分频，且包含存储单元，可以直接调用ROM表宏模块、而且可以应用S0PC来实现 内核，便于实现高频测试信号，能够提高正弦检测信号的波形质量，有效拓宽正弦检测信号 的测量范围，满足设备测量频率范围需求，且便于升级和维护。
[0029] 基于以上设计技术方案的基础上：所述积分模块包括相互连接的积分型A/D转换 器和计数器，其中，所述检波电路模块的输出端与积分型A/D转换器的输入端相连接，积分 型A/D转换器的输出端与所述信号采集处理控制单片机的输入端相连接；所述CPLD控制板 为CPLD开发板；所述输入输出控制模块为键盘显示控制单片机，所述输入装置为键盘输入 装置，所述输出装置为液晶显示装置。
[0030] 与上述设计的RLC测量相对应的，本发明还设计了基于该RLC测量仪的测量方法， 包括如下步骤：
[0031] 步骤001.所述输入模块经输入输出控制模块、双端口 RAM、信号采集处理控制单 片机向所述CPLD控制板发送控制命令，所述CPLD控制板采用直接数字频率合成技术，根据 接收到的控制命令产生并控制20Hz?1MHz正弦检测信号经D/A转换器、低通滤波器模块 输送至被测电子元器件；
[0032] 步骤002.所述前置检测电路模块针对被测电子元器件进行检测，获得被测电子 元器件的检测信号，并输送至所述差分处理电路模块进行处理；
[0033] 步骤003.所述差分处理电路模块针对检测信号进行处理后，发送至检波电路模 块，所述输入模块经输入输出控制模块、双端口 RAM、信号采集处理控制单片机向所述CPLD 控制板发送鉴相控制命令，所述CPLD控制板采用直接数字频率合成技术，根据接收到的鉴 相控制命令控制检波电路模块针对接收到的信号进行双鉴相，并将鉴相信号发送至所述积 分型A/D转换器，其中，双鉴相过程中采用三路方波对被测电子器件和标准电阻两端的电 压差信号进行鉴相；
[0034] 步骤004.所述积分型A/D转换器接收鉴相信号，并根据与之相连的计数器，针对 鉴相信号进行积分，并将其平均值转换成相应的数字量信号，发送至所述信号采集处理控 制单片机；
[0035] 步骤005.所述信号采集处理控制单片机接收数字量信号，经双端口 RAM、输入输 出控制模块，通过输出模块进行输出。
[0036] 本发明设计RLC测量仪及测量方法中，针对CPLD开发板，在QUARTUSII开发环境 下，应用硬件描述语言编写程序，替代用数字电路产生正弦检测信号，而且便于升级和维 护，如果想要提高正弦检测信号的频率，只需要修改Verilog或VHDL程序即可，前提是CPLD 或FPGA的资源够多，而且直接数字频率合成技术（DDS)采用的是用软件编程来实现硬件的 功能，初学者能在很短的时间内学习和掌握该技术，开发出实用优秀的产品。而采用数字 电路修改正弦波信号的频率是很不容易的，要求开发人员有很深厚的电路基础，其中，所述 CPLD控制板为CPLD开发板，开发板上集成了 SDRAM和FLASH，在QUARTUSII开发环境中自 带了很多免费的IP核，可以在S0PC中设计CPU内核，在NI0SII中设计软件，工程的顶层设 计下载到开发板的EPCS芯片中，而在NI0SII中设计的软件烧写到FLASH芯片中，本发明基 于这样的设计方法，经过开发和调试，设计出20Hz?1MHz的正弦波测试信号，拓宽了正弦 检测信号的测量范围。
[0037] 不仅如此，步骤003中的双鉴相过程中，采用三路方波对被测电子器件和标准电 阻两端的电压差信号进行鉴相，相比于单鉴相，双鉴相多采用了两路方波信号，三路方波信 号之间以0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°的相位关系存在，经过公式推 导证明采用双鉴相一样可以实现对被测器件和标准电阻两端的电压差信号实部和虚部的 分离，关键是采用了双鉴相后，鉴相后的合成波形在积分过程中受到直流电压纹波的影响 减小了，并且经过测试表明，测量结果的精度提高了一位，这大大提高产品的市场竞争力。
[0038] 本发明中，如图2所示前置检测电路模块电路示意图，通过信号采集处理控制单 片机的PI. 5、P1. 6、P1. 7管脚来控制三八译码器74138来选择标准电阻。被测电子元器件放 在HS、LS之间，HS、HD相连，LS、LD相连，CPLD控制板产生的正弦检测信号加在HD端，4052 芯片的控制端由信号采集处理控制单片机的P0 口通过SN74LS245A芯片到SN74ALS574A 芯片输出的V/Ι端口控制的；由V/I端口选择被测电子元器件还是标准电阻的两端电压 的输出即SIGNAL1、SIGNAL2的输出；而74138的A、B、C端由信号采集处理控制单片机的 PL 5(RANG1)、P1. 6(RANG2)、P1. 7(RANG3)输出控制的；当74138的某一个管脚为低电平时， 与此连接的继电器接通，就选择了标准电阻，通过这三个脚的不同组合选择不同的标准电 阻，被测电子元器件被放在测试夹具上。
[0039] 差分处理电路模块的主要功能是得到被测电子元器件和标准电阻两端的电压差 值，如图3所示差分处理电路模块电路示意图，SIGNAL1，SIGNAL2信号是前置检测电路模块 的输出信号，分别为标准电阻和被测电子元器件两端的电压，这两个信号分别经过电压跟 随器，由于这两个电压信号本身不是很小，所以通过减法电路就不需要放大，这里减法电路 运放的正负两端都采用的是5K的电阻，AD7524的DB7?DBO由信号采集处理控制单片机 的数据总线控制，即用来放大标准电阻和被测电子元器件两端的电压值，便于后面的测量。 其中，运放U15和U16组成一个减法电路，设SIGNAL1为Vp SIGNAL2为V2, U16的输出端为 Vwt的2端电压为％，根据运放的虚短获得3端的电压也为％，瓜5为两个电压跟随器，由节 点方程可知：
【权利要求】
1. 一种RLC测量仪，包括前置检测电路模块、差分处理电路模块、检波电路模块、积分 模块、信号采集处理控制单片机、双端口 RAM、输入输出控制模块、输入模块、输出模块、低通 滤波器模块和D/A转换器；其特征在于：还包括CPLD控制板，其中，前置检测电路模块的输 出端与差分处理电路模块的输入端相连接，差分处理电路模块的输出端与检波电路模块的 其中一个输入端相连接，检波电路模块的输出端与积分模块的输入端相连接，积分模块的 输出端与信号采集处理控制单片机的输入端相连接，信号采集处理控制单片机的输出端与 CPLD控制板的输入端相连接，信号采集处理控制单片机同时与双端口 RAM进行交互通信， CPLD控制板的两个输出端分别与检波电路模块、D/A转换器相连接，D/A转换器的输出端 与低通滤波器模块的输入端相连接，同时分别与检波电路模块、D/A转换器相连接，双端口 RAM与输入输出控制模块进行交互通信，输入输出控制模块的输入端、输出端分别与输入模 块、输出模块相连接。
2. 根据权利要求1所述一种RLC测量仪，其特征在于：所述积分模块包括相互连接的 积分型A/D转换器和计数器，其中，所述检波电路模块的输出端与积分型A/D转换器的输入 端相连接，积分型A/D转换器的输出端与所述信号采集处理控制单片机的输入端相连接。
3. 根据权利要求1所述一种RLC测量仪，其特征在于：所述CPLD控制板为CPLD开发 板。
4. 根据权利要求1至3中任意一项所述一种RLC测量仪，其特征在于：所述输入输出 控制模块为键盘显示控制单片机，所述输入装置为键盘输入装置，所述输出装置为液晶显 示装置。
5. -种基于权利要求2至4中任意一项所述一种RLC测量仪的测量方法，其特征在于， 包括如下步骤： 步骤001.所述输入模块经输入输出控制模块、双端口 RAM、信号采集处理控制单片机 向所述CPLD控制板发送控制命令，所述CPLD控制板采用直接数字频率合成技术，根据接收 到的控制命令产生并控制正弦检测信号经D/A转换器、低通滤波器模块输送至被测电子元 器件； 步骤002.所述前置检测电路模块针对被测电子元器件进行检测，获得被测电子元器 件的检测信号，并输送至所述差分处理电路模块进行处理； 步骤003.所述差分处理电路模块针对检测信号进行处理后，发送至检波电路模块，所 述输入模块经输入输出控制模块、双端口 RAM、信号采集处理控制单片机向所述CPLD控制 板发送鉴相控制命令，所述CPLD控制板采用直接数字频率合成技术，根据接收到的鉴相控 制命令控制检波电路模块针对接收到的信号进行双鉴相，并将鉴相信号发送至所述积分型 A/D转换器； 步骤004.所述积分型A/D转换器接收鉴相信号，并根据与之相连的计数器，针对鉴相 信号进行积分，并将其平均值转换成相应的数字量信号，发送至所述信号采集处理控制单 片机； 步骤005.所述信号采集处理控制单片机接收数字量信号，经双端口 RAM、输入输出控 制模块，通过输出模块进行输出。
6. 根据权利要求5所述一种基于权利要求2至4中任意一项所述一种RLC测量仪的测 量方法，其特征在于：所述步骤001中，所述CPLD控制板采用直接数字频率合成技术，根据 接收到的控制命令产生并控制20Ηζ~1ΜΗζ正弦检测信号经D/A转换器、低通滤波器模块输 送至被测电子元器件。
7.根据权利要求5所述一种基于权利要求2至4中任意一项所述一种RLC测量仪的测 量方法，其特征在于：所述步骤003中，所述CPLD控制板控制检波电路模块针对接收到的信 号进行双鉴相过程中，采用三路方波对被测电子器件和标准电阻两端的电压差信号进行鉴 相。
【文档编号】G01R27/02GK104142430SQ201410321835
【公开日】2014年11月12日 申请日期:2014年7月7日 优先权日:2014年7月7日
【发明者】安晶, 徐友武, 刘学然, 李青祝, 阳程 申请人:盐城工学院