基于正交采樣算法的RLC智能測量儀設計與實現*

陳正振

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧　530023)

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基于正交采樣算法的RLC智能測量儀設計與實現*

陳正振

(廣西交通職業技術學院，廣西 南寧530023)

摘要：為解決對電阻、電容、電感等阻抗元件的智能識別和高精度測量等關鍵技術問題，以單片機為核心控制器采集測量數據，并通過正交采樣算法對數據進行分析和處理，智能識別待測元件種類，精確測量元件參數，并實現在線測量、量程自動轉換、快速測量、數字化顯示等功能.測試結果表明，該智能測量儀具有測量精度高、測量范圍廣、使用操作便捷、智能化集成度高等優勢，符合智能電子測量儀器設備的發展趨勢和實際應用需要.

關鍵詞：正交采樣算法；智能識別；高精度測量；單片機技術

0引言

進入21世紀以來，應用電子技術、單片機技術日新月異發展，對各類電子測量儀器設備的參數性能也提出了更高的要求.以單片機、嵌入式系統為核心控制器，數字化、智能化、高精度、高可靠性成為新一代智能電子測量儀器設備的發展趨勢.在實際的應用電路中，電阻(R)、電感(L)、電容(C)是最基礎，也是應用最廣泛的電子元器件，利用RLC測量儀合理的選擇電子元器件，并精確的測量其參數是確保整個電路系統正常穩定工作的重要保證.

傳統的RLC測量儀器主要采用伏安法、電橋法和諧振法等技術原理，普遍存在測量范圍較窄、測量精度不足、智能化程度不高、操作使用煩瑣、測量結果讀取不直觀等問題.經理論研究和實踐測試，基于正交采樣算法，并以單片機為核心控制器的RLC智能測量儀可以實現元器件在線測量和智能識別、量程自動轉換、快速測量、數字化顯示等多種功能，較傳統的測量儀具有測量精度高、測量范圍廣、使用操作便捷、智能化集成度高等優勢，符合智能電子測量儀器設備的發展趨勢和實際應用需求，在工業測控技術、物聯網技術、數碼電子產品維修等領域中將具有較為廣闊的應用前景.

1系統原理分析

在正弦交流電路中，電阻、電容、電感這三種阻抗元件相量形式的伏安關系各不相同，為正交采樣提供了可行性.

1.1元件阻抗特性分析

在正弦交流電路中，電阻的伏安關系為：

u=R×i

(1)

其中u和i分別代表交流電壓和交流電流，可以把公式(1)以交流形式表示為：

Ucos(wt+θ1)=RIcos(wt+θ2)

(2)

將公式(2)化簡后可以得到：

U=R×I

(3)

因此，在正弦交流電中，電阻元件的電壓與電流相位相同，即：

θ1=θ2

(4)

相量圖如圖1所示.

圖1　電阻相量圖

在正弦交流電路中，電容的伏安關系為：

i=C(du/dt)

(5)

其中u和i分別代表交流電壓和交流電流，可以把公式(5)以交流形式表示為：

Icos(wt+θ2)=C{d[Ucos(wt+θ1)]/dt}

(6)

將公式(6)化簡后可以得到：

I=wCU

(7)

因此，在正弦交流電中，電容元件的電流相位超前電壓相位90°，即：

θ1=θ2-90°

(8)

相量圖如圖2所示.

圖2　電容相量圖

同理，在正弦交流電路中，電感的伏安關系為：

u=L(di/dt)

(9)

將公式(9)化簡后可以得到：

I=wCU

(10)

因此，在正弦交流電中，電感元件的電流相位滯后電壓相位90°，即：

θ1=θ2+90°

(11)

相量圖如圖3所示.

圖3　電感相量圖

1.2正交采樣原理分析

正交采樣可對中頻信號進行采樣，并將采樣結果進行數字信號處理，形成同相信號I(In-phase)和正交信號Q(Quadrature)，再通過正交相干檢波，從而得到一致性好、精度高的正交信號，以提高系統的性能.

根據電阻、電容、電感的阻抗特性分析結果，假設將電阻和電容串聯，并在串聯電路兩端加載正弦交流電壓，因為在串聯電路中電流的幅度和相位都是相同的，所以加載在電阻上的電壓比加載在電容上的電壓超前90°.同理，假設將電阻和電感串聯，則加載在電阻上的電壓比加載在電感上的電壓滯后90°.又根據阻抗Z的計算公式：

Z=R+jX

(12)

可知在交流電路中實部與虛部之間的相位差也為90°.因此，所謂正交采樣法是指在采樣交流信號時，只要在任一時刻采樣一次得到交流電V1，然后相移90°再采樣一次得到交流電V3，那么用V1和V3就可以完整的表示該交流電信號如下式：

(13)

2系統設計方案

RLC智能測量儀采用微芯公司的高速、高性能的單片機PIC16F877為核心控制器，整個系統主要由基準信號發生電路、高精度儀用差分式放大電路、電位提升電路、量程自動轉換電路等主要部分組成.系統框圖如圖4所示.

首先，由晶振、多諧振蕩器、分頻器和積分電路構成的基準信號發生電路產生頻率為1 KHz的正弦交流電基準信號，并將基準信號加載至由待測元件與基準電阻構成的分壓電路中.

其次，由高精度儀用差分式放大電路對經過分壓電路的交流電壓進行放大，并將放大后的交流信號通過電位提升電路.因為在交流信號中電壓瞬時值是周期性變化的，在負半周期時交流電壓瞬時值可能為負值，而負值電壓不便于進行A/D轉換.所以通過電位提升電路將信號整體提高2.5 V的直流分量，以確保交流電壓在整個周期中瞬時值均為正值.

然后，通過高速A/D轉換器實時采集正弦交流信號的電壓瞬時值，并將采集結果送至單片機.單片機根據采樣結果控制量程自動轉換電路選擇合適的量程檔位，以實現差分式放大電路的自動增益控制.

最后，單片機通過正交采樣算法對采集數據進行運算和處理，并顯示測量結果.

圖4　RLC智能測量儀系統框圖

2.1硬件電路設計與實現

在RLC智能測量儀的硬件電路中高精度儀用差分式放大電路是核心模塊.因為差分式放大電路是對兩個輸入端之間的差值進行放大，從而對外界干擾輸入的共模信號有很強的抑制作用，所以，儀用差分式放大電路可以有效地提高測量精度和測量儀的抗干擾性.儀用差分式放大電路如圖5所示.

圖5　儀用差分式放大電路

在圖5中，ZX為待測元件，R為基準電阻，輸入電壓分別為X、Y輸入儀用差分式放大電路.根據理想運放的“虛短”概念，電阻R1兩端的電壓為：

VR1=VX-VY

(14)

又因為：

VR1/R3=(VA2-VA3)/(2×R2+R1)

(15)

VO=(R4/R3)(VA2-VA3)

(16)

所以：

VO=-R4/R3(1+2×R2/R1)(VX-VY)

(17)

2.2軟件程序設計與實現

RLC智能測量儀的軟件程序主要由量程選擇、A/D采集、運算處理、元件識別等子程序組成.軟件程序流程圖如圖6所示.

圖6　軟件程序流程圖

當待測元件接入測量電路后，單片機首先對串聯分壓電路的交流電壓進行一次采集，并根據采集得到的電壓瞬時值，驅動模擬開關選擇適當的基準電阻接入分壓電路，實現量程自動切換的功能，以確保測量的精確性.

選擇合適的量程后，進入到A/D采集程序.為提高測量精度，程序進行六次循環正交采樣，并將六次采樣得到的數據進行升序排列，去掉一個最大值，一個最小值，剩余的四個數據取平均值，以濾除外界干擾對測量結果的影響.

最后，將采樣得到的有效數據進行運算和處理，從而實現元件類型智能識別的功能，并顯示測量的結果.

3正交采樣算法及智能識別

(18)

3.1正交采樣算法

根據正交采樣原理，只需要在一個任意正交坐標系中實時采樣到兩個相位相差90°的電壓分量V1和V3就可以完整的表示該交流電信號.

(19)

(20)

將公式(19)、(20)代入(18)，得：

(21)

令：

A=V1·V2+V3·V4

B=V2·V3-V1·V4

則公式(20)可化簡為：

(22)

再令：

則：

ZX=RX+jX

(23)

其中，RX、X分別表示待測元件阻抗值ZX的電阻部分和電抗部分.

3.2元件智能識別

根據以上正交采樣算法的相關公式，將正交采樣值V1、V2、V3、V4代入后，可以求出待測元件的電抗值X.根據電抗值X的計算公式：

X=wL-1/wC

(24)

可以得出結論，當X=0時，則可判定待測元件為電阻，當X<0時,則可判定待測元件為電容；當X>0時,則可判定待測元件為電感.所以，通過單片機軟件程序分辨待測元件的電抗值X的符號，便可以實現智能識別待測元件種類的功能.

4測試結果分析

為實際檢驗系統的智能識別功能和測量精度，對多個待測元件進行實際測試.測量相對誤差r=(X1-X0)/X0，其中，X1為實際測量值，X0為待測元件標稱值.具體測試數據如表1所示.

表1　測試數據表

根據實際測量結果表明， RLC智能測量儀可以對電阻、電容、電感等待測元件進行智能識別和測量，其中，電阻測量范圍：0.1Ω～10 MΩ，測量精度±1%；電容測量范圍：1 pF～10000 uF，測量精度±5%；電感測量范圍：10 uH～10000 uF，測量精度±5%.

5結語

經過測試，基于正交采樣技術，以單片機為核心控制器的RLC智能測量儀各項功能和參數指標都已經達到預期目標，具備在線測量、智能識別待測元件、高速高精度測量和數字化顯示等功能.具有性能穩定、攜帶方便、操作靈活的特點，可以有效提高測量儀的工作效率，在工業測控、物聯網、數碼電子產品維修等領域具有廣闊的應用前景.

[參考文獻]

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[責任編輯蘇琴]

[責任校對黃招揚]

Design and Implementation of RLC Intelligent Measuring Instrument Based on Quadrature Sampling Algorithm

CHEN Zheng-zhen

(GuangxiVocationalandTechnicalCollegeof

Communications，Nanning530023，China)

Abstract:In order to solve the key technical problems of intelligent recognition and high precision measurement for the impedance element such as resistors, capacitors, inductors and so on, based on orthogonal sampling algorithm for data analysis and processing, the intelligent measuring instrument discerns the recognition of the measured elements automatically and achieves on. line measurement, automatic conversion range, rapid measurement, digital display and so on by using single-chip microcomputer as the core controller to collect measurement data. The Test results show that the intelligent measuring instrument has advantages such as high measurement precision, wide measurement range, operation convenient and intelligent integration which are conformed to the needs of the development trend and the actual applications for intelligent electronic measuring instruments and equipment.

Key Words:Quadrature Sampling Algorithm； Intelligence Identification； High precision measurement；Single chip technology

中圖分類號：TM932

文獻標識碼：A

文章編號：1673-8462(2016)01-0086-05

作者簡介：陳正振(1983-)，男，廣西柳州人，碩士，廣西交通職業技術學院講師，工程師.研究方向：電子信息工程技術.

基金項目：廣西高?？茖W技術研究項目資助(2013YB308).

收稿日期：2015-12-20.