DIY数字电桥说明(3)

为了进一步利用表头分辨力，可以采用Vx或Vy判定表头溢出。但最糟的一种情况是，当被测向量是45度时，最大模值变为1.414V0，所须前级信号也增加了1.414倍才能满度。为了防止前级运放过载（U2D运放超过A0），K值也必须增加1.414倍，因此采用正交量判别表头溢出时，K值须大于1.414*1.5=2.2倍。因此，对于0度或90度信号，A>V0/K，表头溢出；45度信号，A>1.414*V0/K，表头益出。

本电路OP07直流增益是11倍，K=11*0.29=3.2。许可0度或90度信号的A最大值为A=V0/K=4.6/3.2=1.44V。其中，K设计为3.2，比理论下降要求2.2大了40%，这样就留下了足够的余量，前级运放的动态能力余量更大，调试更容易。 4、第三级（U2D运放）放大量设计

本级加了带通滤波器，衰减系数是1/3，7.8k档衰减系数是1/2.6。计算时按1/3计，7.8k档结合信号源另外调整。

7.8k档设计为1/2.6衰减系数，是为与信号源幅值配合。

为了使得本级放大倍数大于1，所以运放至少要补偿带通滤波器的衰减。 本级是可控增益的，最小放大倍数设计为1/3*(13/3) = 1.44倍 通过开关切换，两档增益是3倍关系。 5、第二级（U2C运放）放大量设计

本级也是可控增益，最小放大为1倍（无电压放大功能） 通过开关切换，两档增益是9倍关系。 6、第一级（U2A和U2B运放）设计 直接采用俄版电路设计。电路增益是5倍。 7、DDS输出信号许可最大值

上面已算得，相敏检波许可最大电压输入值是1.44V 前两级最小增益是1.44*5=7.2倍

因此信号源程序最大幅度限制为1.44V/7.2=200mV

由于信号源与坐标轴之间不一定正好是0或90度，所以200mV通常不会溢出。 100Hz移相小，容易溢出。为此，第三级输出电容采用0.22uF，对100Hz有小量衰减，所以100Hz的DDS输出采用200mV不会溢出。 最后信号源输出设计为：

100Hz，有效值140mV，峰峰值200mV 1kHz，有效值130mV，峰峰值180mV 7.813kHz，有交值134mV，峰峰值190mV

调试电路时，测定一下信号源运放输出端的信号强度，须比小于等于以上电压设计值。如果比以上值高了10%，本LCR表不能可靠工作。 8、V/I变换器与差动输入的关系

当频率高时，V/I变换器运放的内部增益下降，运放负输入端对地电压不是零，当电流较大时，“虚地”电压也可高达数毫伏。此时，如果不采用差动法检测量桥臂上的电压，误差会很大。为了对付这个问题，差动三运放须有较强的共模抑制能力，两臂上的2k与10k电阻要尽量严格对称。

对于上臂电压，为了消除导线电抗影响，也是需要差动放大的。

有些精简版的LCR电桥，不采用差动三运放，而改用一个运放，这种情况下，电桥精度略有下降，而且只能用于较低频率的大Zx小电流（如1kHz以）条件下测定Zx 9、AD问题

单片机自带的AD只有10bit，用10倍步进，会影响精度。

为了改善这个问题，放大器可控增益的调节以3倍左右的倍率关系步进。

其次，借助AD的高速能力及信号噪声，进行10倍过采样，AD的分辨力提高约1bit。 STC自带的AD，不能测量小于3字的信号。所以，电路中给输出直流信号加了偏置电压。这个偏置电压是利用OP07输出端的2k电阻与10欧电阻分压实现的。 10、V/I变换器与信号源的关系。

V/I变换器也存在过载问题，也要消除它，虽然人工切换量程时可以判断它是否过载，但对于没有经验的使用者来说，并不容易，因为，用眼睛看失真，不如耳朵听失真来得容易。 V/I变换器过载的原因有二，首先，那个运放的反馈回路接了500欧左右内阻的电子开关，它相当于输出衰减器；其次，TL082内部串接了200至300欧电阻，也是一个限流衰减。这样一来，100欧档为了得到0.472V，TL082内部电压将是0.472*(500+300+100)/100 = 4.25V，此时，内部过载。

为了解决过载问题，采用以下方法：考虑到信号源TL082也有过载问题，所以上臂限流电路与下臂电阻电路设计成对称的电路，那么只要信号源不过载，V/I变换器也不过载。 此外，V/I变换器的20欧档，采用了机械输助开关，那么相同电流下，更不容易过载的。 11、信号源

前述，V/I与限流器采用对称结构时，Zx短路，V/I变换器输出端的电压与信号源输出端是一样的。信号源不过载，V/转换器也不过载。

信号源采用DDS，频率精度高。可以输出任意频率。本表采用100Hz、1kHz、7.813Hz 不使用10kHz的原因是：DDS的钟频采用62.5k，输出频率10kHz时，频率已经比较接过

钟频了，相位噪声大。为了消除相噪，采用钟频的2^n分之一的频率，这里使用1/8钟频。 信号输出加出了简单的RC滤波器，对于1kHz以下的频率输出，此滤波器相当于6阶滤波器，可以得到良好波形。对于7.813kHz，到了第5阶输出，在示波器中观察已基本看不到失真，到了第6级输出，已经是无法直接观察到失真。

由于不是理想的高阶滤波器，Q值低，所以对7.813kHz的衰减很严重，为了保持100Hz、1kHz、7.813kHz三档输出幅度相对一致，利用单片机控制电子开关对1kHz和100Hz降幅。 五、菜单使用要点： 键名与菜单：

1键—X，2键—R，3键—L，4键—C，5键—Q，6键—F，7键—Rng，8键—Menu 使用8键加1键切换到菜单1 使用8键加2键切换到菜单2 使用8键加3键切换到菜单3 使用8键加4键切换到菜单4 使用8键加5键切换到菜单5 使用8键加6键切换到菜单6 使用8键加7键切换到菜单7

按下8键时，显示当前菜单号，如果再按下1至7键，跳到相应菜单。如果此时按下8键，返回原来菜单。 菜单1（Menu+X键）： 这是开机启动默认菜单 1键(X)：显示电抗X 2键(R)：显示电阻R

3键(L)：显示电感L或C，容量C的单位上加了一个小数点，L没有小数点

4键(C)：串联与并联切换，临时显示消息“P”表并联，“S”表示串联。在并联方式下，每隔数秒钟，会显增出4个小数点。

5键(Q)：显示Q值

6键(F)：频率切换，100Hz时，指示灯亮起，1kHz时不亮 7键(Rng)：量程切换，4个指示灯轮跳 显示单位表示：

10的-12次方，显示为“P” 10的-9次方，显示为“n”

10的-6次方，显示为“u” 10的-3次方，显示为“大n” 10的0次方，显示为“小O” 10的3次方，显示为“三横” 10的6次方，显示为“d” 10的9次方，显示为“G”

在LCD1602版中，用X键切换“串联与并联”模式。其它参数是一次性显示的。第二行的第一个字母，如果为A表示100Hz，B表示1kHz，C表示7.8kHz。第二行的第二个，为1表示20欧档，2表示1k欧档，3表示10k欧档，4表示100k欧档。C键开路清零，L键取消开路清零。进行开路清零时，表笔应开路并等待屏显稳定（一般数字乱跳4次后视为稳定），然后按下C键。

单位如果含有小数点，说明是容性电抗。

矿机高阻抗变压器，在1kHz时，有的会表现为容抗，而不是感抗。

接入Zx后，先设置好频率，然后选择合适的档位。使得被测Zx的阻抗应与下臂电阻匹配，以取得高精度。设下臂电阻是A，那么Zx在A/30

记住一个电抗值，1pF在1MHz下的阻抗是160k欧，1nF在1kHz下电抗是160k。 残余电抗。本表存在残余电抗。为此，测量pF级电容，先不接被测电容，测量出本底电容，我的LCR表本底是3.5pF，然后接上电容测量，若测得23.3pF，那么实际电容就是23.3-3.5=19.8pF，此法与Q表测得的电容比对，1字不差。

测小电阻时，切换到20欧档，按下机械开关，可以增加灵敏度数倍。测量后，弹出开关，以免影响其它档。建议更换为继电器，这样操作更方便。

扩屏显示小数位：按下当前显示值对应的键，就会显示为四位模式，但“单位”不显示了。再按一下1至5任意键，退出四位模式。本LCR表达不到4位的精度，所以通常无需采用4位显示。有时显示1.xx的数值，觉得精度不够，可以按此法扩展一下位数。

显示四个小数点，表示溢出。

显示“Err”，表下臂或上臂出来零值。在LCD1602版中，会显示DIV 0。 LED版不设置开路清零功能。必要时用户人工笔算清零。

测量时，先检查Zx一下X或R的值是否在量程范围之内，如果超主量程，应切换档位。 表笔开路，显示值乱跳是正常的。

毫欧电阻测量时，应减去短路残余值。误差小于0.5毫欧。

菜单2（Menu+C键）：

显示上下桥臂测量所采用的运放增益档位，用于校准可控增益运放的相位误差。 上臂增益显示在前，下臂增益显示在后。LCD1602版，显示为“up：* dw：*”，其中up表示上臂，dw表示下臂。

菜单3（Menu+L键）：

这是调试菜单

1键：增益切换键，切换时，显示屏临时跳出增益档信信号数秒钟， 3键：K3切换键，切换时，显示屏临时跳出增益档信信号数秒钟

4键：相位旋转键，切换时，显示屏暂时跳出置位信号数秒钟，相位旋转的顺序是0度、180度、90度、270度

本菜单下，屏显内容是AD的读值。

在此菜单下，可以检测检波非线性。方法是：Zx接上一个10k电阻，切换到菜单3，用1键把增益置为0位，利用3键和4键，找一个读值为30以下的。接下来，1键更改增益，并记录读值。例如，得到32，92，302，902，理论增益关系是1、3、10、30，所以，以上显示值说明检波器线性度良好，但存在0点误差2字。以上数据统一减2字就正确了。在菜单7中零点误差改正值。

菜单7（Menu+Rng键）：

这是校准菜单，用Q键切换M0——M9。

首次下载时，这M0——M9的值是为-1，若以后有新版程序更新下载，一般不改变M0至M9，是否改变参数值，与程序设计相关。

如果连续按5次C键（清除键），参数恢复为默认值，然后按下L键保存即可。 1键(X键)：数值增加 2键(R键)：数值减小 3键(L键)：保存键 4键(C键)：清零键

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