基于LabVIEW的4284A-LCR測量系統開發

李沼岐 王道發 陳愛平 顧大偉

基于LabVIEW的4284A-LCR測量系統開發

李沼岐 王道發 陳愛平 顧大偉

（南京工業大學數理科學學院，江蘇 南京 211800）

利用LabVIEW開發安捷倫4284A-LCR測量儀的多功能測量系統。采用Keithley-GPIB488轉接線實現計算機USB端口與4284A-LCR測量儀GPIB端口的物理連接；LabVIEW中的VISA通訊函數配合4284A-LCR的指令集開發測量系統的各功能模塊，實現計算機程序控制4284A-LCR測量儀。在集成4284A-LCR測量儀前面板測量功能的基礎上，測量系統增加了快速設定頻率范圍、介電頻譜測量、實時圖形化顯示數據以及測量數據存儲等功能。結合加熱裝置和3146A萬用表測溫功能，該系統還能夠實現介電溫譜的測量。

LabVIEW；介電頻譜；介電溫譜；LCR測量系統

0 引言

LCR測量儀（也稱LCR表）是一種常規電學測量儀器，能夠測量器件或材料的電感、電容、電阻、阻抗等參數[1]。國內外不同公司推出了各種檔次的LCR測量儀。4284A-LCR測量儀是安捷倫公司的一款中端LCR表，在國內高校和科研院所應用廣泛。早期4284A-LCR測量儀的開發主要利用BASIC語言，與目前流行的虛擬儀器開發工具差距較大。

LabVIEW是一款基于G語言的虛擬儀器軟件開發工具[2]，是目前應用較廣的虛擬儀器軟件平臺之一。LabVIEW平臺程序編寫過程便捷，控件選擇豐富多樣，程序框圖清晰直觀，廣泛應用于儀器控制、數據采集、數據顯示等領域[3-5]。

本文設計基于LabVIEW的4284A-LCR測量系統，并在計算機端完整移植4284A-LCR的測量功能，增加了自動掃頻測量和介電溫譜測量等功能。該測量系統可圖形化實時顯示測量數據，且存儲測量數據方便快捷。

1 計算機與4284A-LCR通訊連接

4284A-LCR測量儀提供通用接口總線（general purpose interface bus，GPIB）接口，能夠運行可編程儀器的標準命令，計算機通過GPIB控制卡與其相連，使測量工作快捷、簡便、精確、高效[6]。本測量系統利用Keithley-GPIB488轉接線將計算機USB端口與4284A-LCR的GPIB接口相連接，在計算機端運行程序即可實現儀器程序控制和數據傳輸。

1.1 VISA協議程序

本文利用LabVIEW中標準的輸入/輸出應用程序編程接口虛擬儀器軟件結構（virtual instrument soft-ware architecture, VISA）控制儀器。VISA是對其他總線驅動函數統一封裝的一個高層應用程序接口（application programming interface, API）[7]。LabVIEW內置多個VISA函數方便開發者調用，實現不同功能。

本文基于LabVIEW開發的4284A-LCR讀寫子虛擬儀器（virtual instrument, VI）程序框圖如圖1所示。該子VI主要由5個VISA函數構成：VISA打開函數、VISA設備清零函數、VISA寫入函數、VISA讀取函數和VISA關閉函數[8]。本文測量系統的各功能模塊都是利用該子VI進一步開發得到的。

1 基于LabVIEW開發的4284A-LCR讀寫子VI程序框圖

1.2 指令語法

根據安捷倫公司提供的指令語法及測試功能，本文編寫4284A-LCR測量系統程序所需的各功能模塊子VI，如圖2所示。通過程序向4284A-LCR發送指令，可方便對測量系統的功能、量程、運行速度、電平、偏置電壓及頻率范圍等參數進行設定。

圖2 4284A-LCR不同功能模塊子VI

2 4284A-LCR測量系統

基于LabVIEW平臺開發的測量系統不僅集成了4284A-LCR前面板各按鍵的功能，還增加掃頻、介電頻譜測量和介電溫譜測量功能。此外，該系統還能夠圖形化實時顯示測量數據，并改善4284A-LCR的數據保存功能。4284A-LCR測量系統可分為生成測量指令模塊、圖形化實時顯示模塊及測量數據存儲模塊3個功能模塊。

2.1 生成測量指令并寫入儀器

基于LabVIEW的4284A-LCR測量系統生成測量指令模塊的后面板程序框圖如圖3所示。程序運行時將相關指令以字符串的形式發送給各功能模塊子VI，從而使4284A-LCR測量儀按照對應的指令進行測量。

圖3 生成測量指令模塊的后面板程序框圖

2.2 介電頻譜測量與實時圖形化顯示

在交變電場作用下，由于電介質電容率與電場頻率有關，電介質有弛豫現象。在研究元器件的頻率特性時，通常使用LCR測量儀的掃頻測量功能。本測量系統掃頻測量功能程序框圖如圖4所示，該功能通過定時結構循環實現。根據設定的初始頻率、最終頻率和步長，可計算測量循環總次數及單次測量循環所對應的頻率。利用移位寄存器將測量的頻率和電參數分別生成一維數組，傳遞給-波形圖控件，即可在系統界面圖形化實時顯示測量的介電頻譜數據。

2.3 介電溫譜測量

在研究介電材料電參量的過程中，周圍環境溫度變化直接影響材料的介電性能。為豐富4284A-LCR測量儀的測量功能，本文通過增加控溫加熱裝置和測溫模塊，設計一套介電溫譜的測量系統。該系統能夠在測量過程中有效反映被測對象各電參數與溫度之間的變化關系。介電溫譜測量系統的結構圖如圖5所示。

圖4 測量系統掃頻測量功能程序框圖

介電溫譜測量系統選用3146A多功能數字萬用表實現測溫功能[9]。在系統操作界面可設置3146A的測量參數，如圖6所示。采用3146A的四線法電阻測量功能實時測量樣品旁PT1000溫度傳感器的電阻，在程序中利用LabVIEW自帶的Convert RTD Reading. VI將電阻值轉換成實時溫度值。

圖6 介電溫譜測量系統界面

同理，利用移位寄存器配合定時結構循環，可分別得到溫度和電參數2個一維數組；再利用-波形圖控件，實時顯示測量的介電溫譜數據。

2)在密閉容器多相物料料位監測裝置上設計一套磁力驅動清洗裝置，當法蘭盤上的攝像窗及光源照射窗受筒形密閉容器內多相物料沾染模糊不清時，通過噴水清洗管和清洗盤上的橡膠清洗條對法蘭盤上的攝像窗及光源照射窗進行清洗，保證攝像窗及光源照射窗的清晰度，為針對密閉容器中多相物料料位的可持續監測提供了有力保障.

2.4 數據保存

在介電頻譜和介電溫譜測量過程中會產生大量的測量數據。而4284A-LCR測量儀原有的數據保存功能無法滿足現在的測量需要。在數據存儲方面，LabVIEW提供豐富的控件和子VI選擇[10]。利用LabVIEW基礎軟件包內的“寫入測量文件”子VI可將測量數據進行保存。測量數據保存程序框圖如圖7所示，測量系統將測量結束后的數據以數組的形式傳遞給“寫入測量文件”子VI，利用事件結構決定是否保存當前數據。

圖7 測量數據保存程序框圖

3 測量系統驗證

3.1 介電頻譜

為檢驗基于LabVIEW的4284A-LCR測量系統的性能，本文測量瓷片電容（104）在20Hz ～ 20 kHz范圍內的頻率特性，如圖8所示。

其中表示并聯電容，表示損耗因子，表示泄漏電阻，表示電導，表示電納，表示等效電阻，表示電抗，表示阻抗，°表示損耗角，表示串聯電容，表示品質因子。

圖8 瓷片電容不同電參數隨頻率的變化關系

由圖8可看出，該測量系統得到的瓷片電容頻率特性與廠家給出的特征基本相符[11]。

3.2 介電溫譜

本文進一步測量常見電容器電參數隨溫度的變化情況。在一定溫度范圍內104瓷片電容的電參數隨溫度的變化關系如圖9所示。

4 結論

利用LabVIEW軟件對儀表進行二次開發，可擴展儀表的測量功能，能夠更加靈活地運用現有儀器資源。本文基于LabVIEW開發4284A-LCR測量系統，通過Keithley-GPIB488轉接線實現計算機與4284A-LCR的通訊連接；在系統界面復現4284A-LCR的前面板功能；并增添圖形化實時顯示測量數據、自動掃頻測量、便捷存儲測量數據等功能。配合3146A萬用表的測溫功能，該系統還可實現介電溫譜的測量。這種將計算機、軟件及儀器相結合的虛擬儀器模式可更充分、高效地發揮普通儀器的測量功能，為科研人員提供更大助力。

[1] 董軼龍,溫思歆,余曉銘,等.一種新型LCR測試儀系統設計[J].無線互聯科技,2016,1(13):72-73.

[2] 李江全.LabVIEW虛擬儀器技術及應用[M].北京:機械工業出版社,2019.

[3] 王蕾,成鳳敏.LabVIEW仿真軟件在電工學教學中的應用[J].中國現代教育裝備,2013,11(13):10-12.

[4] 王瑞.LabVIEW數據交互及處理技術在測試軟件中的應用[D].太原:中北大學,2016.

[5]KRISMER F, KOLAR J W. Accurate small-signal model for the digital control of an automotive bidirectional dual active bridge[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(12): 2756-2768.

[6] 張金,王伯雄,張力新.基于LabVIEW的GPIB總線獨立儀器集成測試平臺[J].儀表技術與傳感器,2010,47(9):13-15.

[7] 魏義虎,陳雷.基于LabVIEW-VISA方式的串口通信研究[J].電子設計工程,2015,23(24):129-131.

[8] 吳偉.基于VISA的儀器通信技術的研究與實現[D].西安:西安科技大學,2009.

[9] 張凱宇,范艾杰,蔡志明,等.基于LabVIEW的3146A多功能測量系統的開發[J].實驗室研究與探索,2016,35(1):121-124．

[10] WANG Z, SHANG Y, LIU J, et al. A LabVIEW based auto-matic test system for sieving chips[J]. Measurement, 2013,46 (1):402-410.

[11] 王道發,李沼岐,陳愛平,等.基于LabVIEW的TH2827C數字電橋多功能測量系統開發[J].自動化應用,2021(1):8-11.

Development of 4284A-LCR Measurement System Based on LabVIEW

Li Zhaoqi Wang Daofa Chen Aiping Gu Dawei

(Department of Physics, School of Mathematical Sciences, Nanjing Tech. University, Nanjing 211800, China)

A multifunctional measurement program for the Agilent 4284A-LCR instrument was developed based on LabVIEW. The computer and the 4284A-LCR instrument was connected by a Keithley-GPIB488 adapter cable. The VISA communication functions of LabVIEW and the program commands of 4284A were used to develop the functional modules of the measurment program. In this way, the 4284A-LCR instrument is controlled by a computer program. All keys functions on the 4284A-LCR front panel were ported into this program. Further, functions such as frequency range fast setting, dielectric spectrum measurement, real-time graphical display data and measurement data storage were integrated in this program. Combining a heating device with 3146A multimeter, the system was also capable of measuring dielectric temperature spectra.

LabVIEW; frequency-dependent electrical parameters spectra; temperature dielectric spectrum; measuring system of LCR

李沼岐，男，1999年生，本科在讀，主要研究方向：虛擬儀器技術及單片機技術應用。

顧大偉（通信作者），男，1978年生，工學博士，副教授，主要研究方向：虛擬儀器技術及光電功能材料。E-mail: dwgu@njtech.edu.cn

TP274+.2

A

1674-2605(2021)05-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.05.006