DIY数字电桥说明

DIY数字电桥说明 许剑伟 莆田十中 13850262218

一、概述：

玩矿石收音机，大部分元件需要DIY，所以需要知道元件的参数。因为DIY的元件没有标称技术参数。比如，需要知道谐振器件、检波器件、天线、耳机、变压器等器件的电抗特性。其中，高频参数可以使用Q表解决问题，而低频参数Q表难以测定。为了解决这个问题，笔者认为LCR数字电桥能够胜任。 2设计目标：

1、能够准确测量电抗器的L、C、R，精度优于0.5%，如果进行人工逐档校准，精度优于0.3%

2、取材容易，电路简洁，易于制作，成本应适当控制。使之具有更强的业余DIY价值及研究价值，并通过设计、DIY学习到LCR电桥的相关细节、原理。 2本LCR表的基本特性

AD转换器的字数：约1000字，采用了过采样技术，有效分辨力约为2000字 测量方法：准桥式测定，测量原理类似于比例法测电阻。

主要测量范围：1欧至0.5兆欧，精度0.5%（理论），阻抗实测比对，均未超过0.3% 有效测量范围：2毫欧至10兆欧，最小分辨力1毫欧 串联残余误差：2毫欧，低阻测量时此误差不可忽略 并联残余误差：50M欧，高阻测量时此误差不可忽略

Q值误差：±0.003（Q<0.5），Q/300（Q>2，相对误差，简易算法），其它按0.5%左右估算 D值误差：±0.003（D<0.5），D/300（D>2，相对误差，简易算法），其它按0.5%左右估算 高阻测量中，D、Q有效测定于40pF以上电容，20pF以下精度变差很多。LED版未测定，暂定100pF为测D、Q下限。

开路清零：LCD片提供开路清零，以方便小容量电容Q值测定。LED版不提供此功能，所以小容量电容Q值须人工修正才可以得到正确结果。 注意：Q = 1/D

测试信号幅度：峰值200mV（100Hz），180mV（1kHz），190mV（7.8kHz）

电感：0.02uH分辨力，测量范围0.1uH至500H，超出500H未测试（因为我没有更大的电感器）。

电容：分辨力与夹具有关。夹具好的话，分辨0.1pF或0.05pF，不屏蔽只能分辨到0.2pF，甚至只有1pF。上限测量，没有测试，只测过10000uF电容，手上没有更大的电容。

实测误差，比上述精度指标好许多。

推荐简易夹具：7cm长7.5平方毫米导线，接上夹子即可。

本表基准源：分别为4个基准电阻，一个时间基准。电阻基准就是电桥的4个下臂电阻，要求精度达到0.1%，对1%精度的金属膜电阻筛选即可。时间基准用32MHz石英晶振得到，精度可以满足电桥要求的。如果电阻达不到要求，可以使用软件校准。

频率精度：实际频率为99.18Hz、999.45Hz、7812.5Hz，简写为(100Hz、1kHz、7.8kHz)。由于DDS的频率分辨力有限，所以不采用整数频率。频率精度约为0.02%（由石英晶振决定）。 信号源失真度：没有专用仪器测试，只做估测。对输出信号做一次高通滤波后，用示波器观察，未发现可觉察失真。如果有可觉察失真，对D值测量有一些影响。 2特点：

将正弦信号发生器、AD转换器、0度方波、90度方波全部利用单片机完成，电路大大简化，而性能可以满足一般要求。这使得仿制者更容易，更适合作为DIY仪表。 二、LCR数字电桥的原理 2LCR电桥原理

测定电抗元件Zx中电压U1与电流I，利用欧姆定律就可以得到Zx?U1I?

U1U2/RU1U2当Zx串联了已知电阻R，那么测定了R上压降U2，就可得到Zx?可见，无需测量I的具体值就可以得到Zx，这是电桥的一般特征。

U1I?R

为了得到Zx在x轴与y轴上的两个分量，以上计算须采用复数计算。 设U1 = a+jb，U2=c+jd 那么Zx?Ra?jbc?jd?R(a?jb)(c?jd)c?jd?Rac?bd?j(bc?ad)c?d22

U1与U2要采用同一个坐标系来测量。借助相敏检波器，可以分离出a、b、c、d，相敏检波过程，需要一个稳定的0度与90度的正交坐标轴，测量期间，U1、U2向量也必须在这个坐标系中保持稳定，不能乱转。为了得到足够的精度，控制好放大器的增益，使得a、b、c、d的有效数字足够大，Zx的测量精度就高。然而，Zx分母两个正交量ac+bd和bc-ad，其中一个可能相对于另一个小得多，这就要求AD转换器的精度及分辨力要足够大，否则小的那一个难以分辨出来。

为了减小分布参数的影响，电路中引入了V/I变换器，上、下臂的中点变为了虚地。详见电路。

上、下臂电压分别通过“仪表三运放”缓冲放大后输出。“三运放”电路有较强的共模抑制能力。V/I变换器，并不能保证在7.8kHz时虚地对地电压为零，尤是在低阻测量时，这就产生了共模干扰信号，因此引入仪表三运放电路是必要的。可见，V/I变换器与“三运放”的结合，有效实现了上下臂电压的隔离放大，并且在音频域很容易得到高精度。

经K3切换上下臂，信号进入下一级放大。为了使电桥更精确，通常要求上、下臂使用“同一个毫伏表”放大（或者不放大，直接进行相敏检波）。由于本电路AD的分辨力不足，直接检波只能保证电桥在平衡点附近±30%的范围内取各较好的精度。如，桥平衡时对应表头字数600字，若被测阻抗不能使电桥平衡时，上臂变为600+300=900字，下臂变为600-300=300字，显然，对于300字的读数，最多只能得到0.3%的精度，超出这个范围后，精度将下降。以上分析表明，对于某一量程，保持良好精度的范围比较小，除非采用更高精度的AD。为了解决这个问题，后级可控增益对每个量程都启用，这样，各档测量范围就增加了，而精度没有明显减小。启用了可控增益放大器，上下臂电压测量实际上不再使用“同一个毫伏表”，因此误差大一点。

两级可控增加，分别为9倍和3倍，组合后，得到1、3、9、27四种增益放大。 电路中的杂散耦合总是存在的。没有严格的屏蔽，杂散耦合多少存在一点，对高阻测量有影响。当然，电路板内部信号传递过程中也存在一些杂散耦合，这种耦合干扰常表现为高、低阻测量总是存在理论预期之外的误差，适当的电路结构，可以增加抗干能力，必要时，还要在PCB板设计上多下点功夫。为了简化电路，采用了四运放电路，这也增加了运放之间的相互干扰。

带波滤波器的阻抗：带通滤波器可以抑制高频干扰，防止运放过载，同时可以减小工频干扰，使得末字跳动减小。此外，滤波器对高次谐波有一定的抑制作，对提高7.8k档D值精度是有一定帮助。设计滤波器应注意阻抗问题。高阻抗滤波器本身会受到电路板上的附加耦合的干扰。所以要求电容的取值不小于10nF

DDS滤波器的阻抗也不能设计得太小。道理与带通滤波器是一样的。即使是想设计100kHz的RC滤波器，也不宜采用小于10nF的电容。电路板上的分布耦合，可以按0.1pF至2pF之间估算。当后级信号比DDS信号大时，这种耦合是很可观的。如DDS输出0.2V，末级输出2V，那么0.2pF的耦合相当于0.2V下2pF的等效耦合量（类似密勒效应），当DDS滤波器输出电容采用1000pF时，那么2pF的附加耦合相当于引入了2/1000的0.2%的误差。倘若DDS输出滤波器的Q值较高，误差还要放大Q倍左右。实际上，在PCB布线中，没有进行充分屏蔽，10cm长度的引线，足以产生1pF的分布电容。布线长度，一般都有几个厘米或更长，加上元件本身有一定的体积，分布耦合还是比较大的。所以，使用1nF的滤波电容，产生0.2%的额外误差是很正常的。

由于LCR电路中，没有信号大电流，地线上也没有，所以对地线布置倒是没有很严格的要求。

2V/I变换器的作用

为了更加准确的测量U1与U2，须满足一些测试条件。即流经被测电抗Zx的电流，必须严格等于流经电阻R的电流。

设Zx与R串联后，Zx另一端接信号源，R另一端接地。接信号源的那一端称为热端，接地的称为冷端，串联的连接点称为温端。现在有个麻烦的问题：当毫伏表接入Zx或R两端，会产生分流，引起Zx与R上的电流不会严格相同。再者，温端对地分布电容以及温端对热端的分布电容，也会造成Zx与R上的电流不相等。总体上说，会有一小部分电流从其它途径耦合到温端，结果Zx与R上的电流不相等。

当电路采用运放做“V/I变换器”，那么温端就变成了虚地。接在虑地上的对地负载电抗，不会产生分流，进而解决了毫伏表的分流影响。温端的对地分布电容，也可以看作对地负载。由于虚地对地电压为0，所以温端的对地分布电容不会分流Zx与R上的电流。

加入了V/I变换器，并不能解决温端与热端的分布电容耦合。切底解决这个问题的最好办法，就是对信号进行屏蔽。严格屏蔽，要用金属壳密封，广义屏蔽，就是信号源要远离Zx。 采用了V/I变换器，上臂热端、下臂热端，它们对地负载不会影响Zx、R上的电流。 如果不采用V/I变换器，电桥中点对地是浮动的，若想把U1、U2转换为对地电压，就须采用差动放大，而且要求差动三运方的共模抑制能力非常高，这不容易。采用了这种V/I变换器，对差动放大的共模抑制要求低一些。

有的LCR表设计，两臂电压测量直接采用开关切换，没有缓冲，这时上臂的限流电阻不可取值太大，以免切换过程中信号源电压变化，造成桥臂中的电流发生改变。当然，这种影响，也可以在软件中进行补偿。

2开关式鉴相器

正弦信号Asin(x+Φ)，为了实现相敏检波，我们在信号通路上设置一个开关，使之仅导通半个周期。

导通开始时刻对

Ux?1?x=0，那么导通期间的平均直流是：

?0?1???0Asin(x??)??1?Acos(x??)2?Acos?

2?Asin?当导通时刻为x=π/2，平均直流Uy??3?/2?/2Asin(x??)?

显然，如果使用复数表达，两个开关信号是相差90度的，构成坐标系。该正弦向量在这个坐标的辐角是Φ，模是A，它的两个正交量向量是实部（AcosΦ，0度）和虚部（AsinΦ，90度），而上面正交检波的结果与这两个向量的模值成正比，比例常数2/π。因此，对于一个理想开关，只要控制好开关的导通时序，确保Φ稳定，两轴严格相差90度，并且导通时间为1/2个周期，那么就可以分离出信号向量的两个正交分量。

实际相敏检波器电路的检波效率并不是上述的计算值K=2/π，而是K=(2/π)*2R/(4R+r)，详见下图：

本电路的检波效率是：K=(2/π)*2R/(4R+r)=(2/3.14)*2*51/(4*51+20)=0.29 三、焊接与元件选配及调试

焊接是基本功，LCR表元件多，焊接技术不过关，DIY本电路不易成功。这里讲到的焊

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