LCR表的自由轴法量测技术讨论

Sullivan

gzhuli 发表于 2011-10-28 18:04
回复【67楼】rlogin
台式表上了1mhz用的什么鉴相器？还是分立原件？
----------------------------------- ...

借窝下蛋，跟帖请教大师：
1、CD405X系列的电子开关用于相敏检波，能在100KHz的频率下工作吗？会引起多少检波误差？
2、ADC部分的问题，假设不使用积分式ADC。
如果改用sigmadelta型的，那么从原理上讲应该由低通滤波器优先完成AC-DC的转换，而且转折频率要远低于信号频率。如果最低测量频率是100Hz，那么转折频率可能要0.X甚至0.0XHz，这显然是要严重影响测量速度的。
如果使用逐次比较型的，可以将滤波器转折频率设置到1/2采样率以下，然后用直接将波形进行采样并计算，虽然能够提高速度，但是在高频时，比如10K甚至100KHz的测试频率下，采样率将要求极高（100K和1M？），而且此时ADC分采样精度估计也要受到影响。
如此分析之后，似乎必须使用积分式ADC，不知大师怎么看这段分析？
3、有没有其他的手段直接避开开关式相敏检波？

Sullivan

gzhuli 发表于 2011-10-28 18:04  回复【67楼】rlogin  台式表上了1mhz用的什么鉴相器？还是分立原件？  ----------------------------------- ...

又仔细想了想，其实Sigmadelta型ADC也是对一段时间的输入有反应，这点上有积分式ADC的特点，因此应该可以用来代替。前级加个转折频率在十几赫兹的二阶低通就好了。不知对否？

Sullivan

gzhuli 发表于 2012-9-12 17:47
1.有高速的HC405x，还有更高速的FST3253，这个不是关键问题。主要的影响来自开通/关断时间的不平衡，CD40 ...

感谢您的回复！
1、看来首先应该换成74HC电子开关。
2、第二点我还有些问题，就是那个sigmadelta前面的fs/2滤波器。一般这种adc输出速度也就几个hz到几百hz，但是它的采样率应该不等于输出速率吧？那么我怎么选择这个抗混叠滤波器呢？
还有就是相敏检波过来的信号有没有必要用一个远低于抗混叠截止频率的低通滤波器先预处理一下，再传递给deltasigma ADC？仅仅靠抗混叠滤波器恐怕adc结果会跳动啊。
3、其他的检波方式离我太遥远，暂时不敢考虑了。我看俄版电路里icl7135之前有个30几hz的一阶RC，我如果把这里改成2阶甚至4阶有源滤波器会不会改善滤波效果，同时增加响应速度？如果行的话，必须是巴特沃斯型吗？切比雪夫行不行？这个更陡峭一些。
期盼您的回复！

Sullivan

gzhuli 发表于 2012-9-12 18:34
2.输出速率就是采样率。
3.没办法同时兼顾高速度和低频的，除非你用可变低通。一阶无源低通的好处就是没 ...

我是这么理解的，比如一个1Khz的信号，用离散的方式采样则需要至少2k的采样率才不会混叠，这是采样定理说的。
但积分式采样我的理解是“一直”监视输入的变化，累加到一定时间后集中输出一次。虽然输出频率很低，但这个“一直”似乎可以等效成一个无穷大的采样速度（当然受前端模拟电路的限制）。因此这个抗混叠频率我感觉应该很高，至少远高于数据输出速度。不知对否？
我现在手里有AD7799,24位的sigmadelta，打算用这个，不过数据输出频率不是很高。
关于dc offset的事，我打算加入调零电路。前级仪表放大器的两个输入端都短接到参考地，此时的输出软件标定为零点，这样能修正整个路径中的所有失调电压吧？
如果用高阶有源滤波器，RC参数失配或漂移导致幅频特性不平坦，在这里会影响测试结果吗？

Sullivan

gzhuli 发表于 2012-9-12 18:34
2.输出速率就是采样率。
3.没办法同时兼顾高速度和低频的，除非你用可变低通。一阶无源低通的好处就是没 ...

或者是不是可以这么说，积分采样的过程实际就是一个低通滤波过程。在一个低通滤波器之前加上一个低通滤波器，我总是感觉这里不好理解，似乎没有必要。

Sullivan

上传一份资料一起学习《Delta-Sigma_ADC模数转换器的优点》

Sullivan

按照文章中说的，只要高于内部实际的采样率就行了。24bit的adc恐怕内部的实际采样率是极高的，远不是几十赫兹的水平，所以滤波器放在10Hz应该是毫无问题的。

Sullivan

100K的电桥还可以用运放平衡吗？有没有实践过的？

Sullivan

gzhuli 发表于 2012-9-13 13:47
带外信号会折进来成为噪音，开关式相敏检波的高频分量可以很大，积分的低通作用也是有限的，多滤一下还是 ...

明白了。
我正在画的原理图中加的就是一阶的RC，高阶了怕出些意想不到的麻烦。
100Khz我也放弃了，改成了50Khz。
还有个问题：
如果我用24bit的Σ-ΔADC(AD7799)，在这么高分辨能力的基础上是不是可以省掉类似俄版电路中的两级增益控制放大器？
我觉得布线稍微下下功夫，再怎么也有18bit的有效数字了吧，这就是262144个字，考虑不能满量程，只用了其中50%，也有131077个字的分辨能力，应该是够用的了。

Sullivan

gzhuli 发表于 2012-9-13 18:17
应该是可以省掉PGA的，就由你做小白鼠了。
50k感觉可以用192k的音频CODEC和数字处理来做了。 ...

没问题！坚决做好小白鼠。
192kcodec的思路是以高速采样做基础然后全数字处理？是不是能绕开开关鉴相器啊。

Sullivan

gzhuli 发表于 2012-9-13 19:33
是的。不过数字处理算法的研究难度不比模拟电路小啊。

设想一下：CPLD+高速ADC，根据检波相位角度，半个半个周期采样完了求和，然后把结果给CPU算算。那边的DDS也让CPLD兼职完成，相位不乱。
可惜我现在还不会玩CPLD。

Sullivan

gzhuli 发表于 2012-9-13 19:33
是的。不过数字处理算法的研究难度不比模拟电路小啊。

我忽然又有了一个问题……：
自平衡电桥的这个“自平衡”是否多余？
理由如下：假设运放为理想运放，那么反相端虚断，相当于不接入电路。那么我们去掉这个运放，此时只剩下DUT和量程电阻。量程电阻原来接运放输出的一端现在接地。
原来二者的中点被运放给虚短到地了，而现在不再是。
但是DUT和量程电阻之间的电流相等、电压、相位关系与之前是完全一样的。
俄版电路中采用了仪表放大器来取电压，去掉自平衡放大器（null detector）后仪表放大器依然可以通过其强大的共模抑制能力来把悬浮的信号转化为对地的信号。
所以感觉自平衡三个字有点多余。
除非这样解释：……仪表放大器的共模抑制能力是有限的，仅仅靠它无法有效消除共模干扰，必须让两个被测量中的共模分量都几乎被消除之后，仪放再进一步共模抑制，锦上添花。
对吗？

Sullivan

gzhuli 发表于 2012-9-13 20:53
嘿嘿，那个声卡LCR就是这样做的，我用LM358做了一个，精度还不错哦，估计是得益于声卡ADC的高分辨率。 ...

我英文比较烂，磕磕绊绊看了一些，那张图片。
你做的那个精度能到多少？0.5%可以达到吗？
我之前一直纠结于这个自平衡运放，因为我没看到它的实际意义，除了上面我猜测的给仪表放大器减轻CMRR的压力。
我猜测，之所以最早有人做自平衡电桥，一定是因为他没有用仪放去取差模信号，而是把中点虚短到地之后用普通运放电路取电压。
在此基础上，后来的人又发挥“聪明才智”把普通运放“升级”成仪放了。不知猜测是否正确。

话说回来，既然这个ZRLC完全不需要balance opa，那么我用三套电源（互相隔离）：
电源A的电路做激励；
电源B（以DUT和量程电阻连接点为地）的电路对DUT进行相敏检波和电压测量；
电源C（与电源A的地相同，但考虑再三，还是与A隔离比较好，最起码四线法的时候不存在共模干扰）的电路对量程电阻进行相敏检波和电压测量。
A、B、C之间的同步用6N137进行同步。这样一来，我就完全抛开null detector了！

以上分析请大师指点。

Sullivan

fickle 发表于 2012-9-13 21:50
"我猜测，之所以最早有人做自平衡电桥，一定是因为他没有用仪放去取差模信号，而是把中点虚短到地之后用 ...

根据你的观点我画了一幅图：

左边是用采样电阻检测电流，右边是用IV转换器检测电流。
你的意思是，左边的噪声大，右边的噪声小？这个我不能同意。
原因就是右侧的IV转换器在实际使用中往往加上小的滤波或者说积分电容在运放输出和反相输入之间，除了超前补偿的作用还有低通滤波作用，所以表现为噪声小，如果不考虑那个电容应该噪声是一样大的。
IV转换器的存在意义及必要性我目前认为有两点：
1、用一套电源搞定LCR，简化设计。
2、在原因1的基础上，不论用或是不用IA取电压，都能把DUT这个悬浮信号（图左R2两端电压）变成单端信号（图右R4两端电压）。从而极大提高CMRR（用IA）或者说使测量成为可能（不用IA）。

欢迎继续跟帖讨论。

Sullivan

fickle 发表于 2012-9-13 22:54
这里还有一个技术传承因素。

以往的微弱信号的测量，往往采取桥式测量。后来一个美国人，采用了I-V方式， ...

说得好啊！
微小电阻和超大电阻我还真是没什么概念，很少接触。能给讲下为什么IV的方式噪声要小吗？
另外就是提到了成本，这个确实很关键。不过我是diy玩的话不会太计较成本，应该说是在不太离谱的情况下，如果花点钱就能搞定的问题就不是问题，毕竟我面对的用户是我自己而不是市场。
还有，能评价一下我在103楼说的方案吗?我想用这个方案达到100K甚至更高的频率的测试。
最后，麻烦回帖时用一下回复功能，我直接就看到提醒了

Sullivan

fickle 发表于 2012-9-13 22:54
这里还有一个技术传承因素。

以往的微弱信号的测量，往往采取桥式测量。后来一个美国人，采用了I-V方式， ...

100K包括更高频率的电桥用什么电子开关进行相敏检波呢？

Sullivan

gzhuli 发表于 2012-9-14 00:39  要注意CMRR和频率的关系，尤其共模电压还是同频异相信号，这还关系到放大器的互调失真，实际情况估计会比 ...

我先做好这个50KHz的感受一下。
PS，微弱电流用IV的确是标准做法，但见过的IV都是低频应用场合，高频是否仍然适用有待验证。