虚拟仪器的实验室阻抗测量装置的制作方法

本实用新型涉及一种电子元器件的测量装置，尤其是涉及虚拟仪器的阻抗测量装置，适用于实验室教学和应用。

背景技术：

随着电子科学技术的提高，人们对电子产品精度要求越来越高。市面上大多的电子产品都是由最基本的电子元器件构成的，主要包括电阻、电容、电感。其中，阻抗是元器件固有的最基本的特性，因此在提高电子产品精度的过程中阻抗的测量就显得尤为重要。另外，元器件在不同的信号频率和电平下,其性能和指标都会受到影响。因此，我们设计实现了一种实验室阻抗测量装置，能够在测量元器件参数的同时，反映元器件的构成和电性，有助于实验室的实验研究，对高精度仪器的研究有很大的帮助。

CN201583595U公开了“RCL元件或其组件等效阻抗测量仪”采用电桥法实现对元器件参数的测量，虽然精度高，但测量电路复杂，电桥平衡调节时间长，很难实现快速测量；

CN203606434U公开了“阻抗测量电路”采用单片机与相敏检波相结合，通过将阻抗转换为电压进行测量，其电路结构简单，但操作复杂，需要提前计算频率范围，具有一定的局限性；

CN102175921A公开了“一种基于FPGA的便携式阻抗测量仪表”将阻抗分成实部和虚部进行测量，降低了测量的难度，但测量过程复杂，需要根据被测阻抗的大小选择标准电阻，不能够实现自动测量。

技术实现要素：

本实用新型的目的就在于针对现有技术的不足，提供一种适用于实验室教学和应用的虚拟仪器的实验室阻抗测量装置

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：

设计思想是采用FPGA和DDS频率合成技术与阻抗测量中的伏安法相结合的方式设计实现的虚拟实验室阻抗测量装置。

虚拟仪器的实验室阻抗测量装置，是由微处理器经双口RAM与总线接口连接，微处理器经译码控制、地址累加器和时钟发生器与晶振连接，开关分别与A/D转换、译码控制、相敏检波、激励信号波形存储和阻抗/矢量电压转换连接，相敏检波经低通滤波a、A/D转换和锁存器与微处理器连接，地址累加器经基准信号波形储存与相敏检波连接，地址累加器经激励信号波形存储、D/A转换和低通滤波b与阻抗/矢量电压转换连接，微处理器与时钟发生器连接构成。

有益效果：本实用新型是虚拟仪器与模拟硬件电路的结合，适用于实验室研究、工业测量领域的虚拟阻抗测量系统。与现有的阻抗测量仪器相比具有以下特点：1.能够有效的对电感、电容、电阻元器件的参数进行测量，并能够对电感、电容、电阻的组合参数进行测量，且具有较高的测量精度，其测量精度为±0.5％。2.测量范围广，可自主选择激励信号的电压、频率，选择合适的标准电阻；还可根据需要设置以上参数，有助于实验室研究元器件的性能与频率、电压之间的关系。3.采用相敏检波模块对同频率信号鉴相，分别对被测阻抗的实部和虚部分别进行测量，具有较强的抗干扰性，能够实现快速测量。4.该装置采用虚拟仪器的可视化面板显示并控制仪器，操作简单，且测量精度高，可根据测量要求改变测量条件，应用范围广泛。

附图说明

图1为虚拟仪器的实验室阻抗测量装置结构框图。

图2为阻抗/矢量电压转换电路图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步地详细描述，

虚拟仪器的实验室阻抗测量装置，如图1所示，是由微处理器经双口RAM与总线接口连接，微处理器经译码控制、地址累加器和时钟发生器与晶振连接，开关分别与A/D转换、译码控制、相敏检波、激励信号波形存储和阻抗/矢量电压转换连接，相敏检波经低通滤波a、A/D转换和锁存器与微处理器连接，地址累加器经基准信号波形储存与相敏检波连接，地址累加器经激励信号波形存储、D/A转换和低通滤波b与阻抗/矢量电压转换连接，微处理器与时钟发生器连接构成。

该阻抗测量装置主要是利用微处理器通过双口RAMIDT7130实现和系统总线的接口，并通过中断机制实现和系统控制器模块的通信。微处理器负责系统的初始化包括向双口RAM写入配置信息、设置电路初始状态，并处理总线发送过来的命令，控制相应的电路单元。其信号发生器模块主要包括时钟发生器、地址累加器、波形数据存储器、低通滤波和D/A转换，产生的信号作为激励信号和基准信号。当通过阻抗转换电路后获得需要测量的电压信号后，相敏检波器将该电压信号与基准信号相乘，将矢量电压分离成两组分别投影在0°、90°和180°、360°坐标轴上的分量，将矢量电压进行实部和虚部的分离，达到鉴相的目的。再通过滤波处理后将模拟信号转换为数字信号，并将数据上传上层数据库中。最后，利用LabVIEW软件进行编程，实现对数据的处理和显示界面的设计。

虚拟阻抗实验室测量装置是通过伏安法实现对阻抗的测量，其原理是将被测元件与标准元件串联，通过它们的电流相同，测量出被测元件与标准件两端的电压，通过欧姆定律求出被测元件的阻抗值。由于阻抗是矢量，在测量的过程中需要与现代的计算机技术相结合，降低矢量除法的计算难度，从而达到快速测量的目的。本系统主要由信号源模块、测量电路模块、数据处理模块和数据显示模块构成。

信号源模块主要用来产生激励信号和基准信号，其中激励信号主要用来产生阻抗向矢量电压转换所需要的激励信号和转换后的矢量电压信号，基准信号作为转换后的电压和相敏检波器的基准源。该模块主要包括地址累加器、基准信号波形存储器、激励信号波形存储器、D/A转换电路、滤波电路等部分。波形存储器存储正弦波形数据，地址累加器控制波形存储器输出电路所需要的基准信号和激励信号，便于后续测量电路的测量。

测量电路模块主要将阻抗测量转换为矢量电压测量，其原理图如图2所示。图中U₀为激励信号，Z_x为被测件，Z_s为标准电阻，为了扩大测量范围，提高整体的测量精度，其中标准件的选择为20Ω、1k、50k三个档位。通过测量被测件两端的电压U_x，标准件两端电压U_s，通过欧姆定律定义可得：

公式(1)还可以表示为：

由于Z_s为标准件，其值已知，只需测量出U_x的实部和虚部U₁、U₂及U_s的实部和虚部U₃、U₄就可以得到被测阻抗Z_x。

数据处理模块包括数据通讯、相敏检波、A/D转换、滤波处理等。

虚拟阻抗实验室测量装置是采用系统总线实现数据通讯的，通过对比我们采用RMS系统总线，在降低成本的同时，满足整体的功能需求。由于被测的电压为矢量，为了降低矢量除法的计算难度，采用相敏检波将矢量电压的实部和虚部进行分离。经过相敏检波器处理后的电压为模拟量需要A/D转换器转换为数字信号，通过滤波等处理可以避免有干扰引起的误差。

数据显示模块主要包括库函数的调用、虚拟控制显示界面设计、程序框图设计三部分。通过库函数的调用实现数据的传输、系统内部设置、系统功能的实现等。当数据传输给软件时，需要对数据进行处理，便于显示，通过处理后的数据能够精确清晰的显示在显示界面上。虚拟控制显示具有良好的人机交互界面，满足测量的要求。