自动平衡电桥原理分析，为自制 LCR 冲锋了

heize · 发表于 2010-10-18 14:29:01

我找的资料，里面把原理和公式推导都讲得很清楚，而且是详细的电路原理分析

点击此处下载 ourdev_590654KX8WPZ.pdf(文件大小:368K) (原文件名:LCR原理.pdf)

(原文件名:Snap1.png)

以上图片中的相敏检波器与楼上我传的资料中不同之处在于：
它对负半周期用模拟开关变换方向后也进行了积分，结果是只对正半周积分值的两倍，而且重要的是消除了直流偏置电压误差

heize · 发表于 2010-10-18 14:34:06

新增两幅电路图，一个为产品的，一个为俄国朋友的

产品ourdev_590758E5HRXG.pdf(文件大小:260K) (原文件名:LCR Handmessgeraet R41 V1.4.pdf)

俄国人的ourdev_590759VF8GVY.pdf(文件大小:186K) (原文件名:Scheme.pdf)

doom · 发表于 2010-10-18 14:38:21

楼上不就是那个老掉牙的帖子里的德国俄国两电路吗？

heize · 发表于 2010-10-18 14:54:18

下面对量程电阻切换电路的创新设计之处进行分析：

原理图：

(原文件名:Snap2.png)

原理简图：

(原文件名:Snap4.png)

这个电路的创新之处在于既可以使用电子开关，又可以忽略其导通电阻的影响，而精确度只决定于量程电阻

原理：我们只关心量程电阻上的电压，而且仪表运放具有极大电阻，因此我们只从量程电阻上取出电流转换
成的电压值，而不是直接从运放输出端取出，从而 4052 导通电阻对精确无影响，

rlogin · 发表于 2010-10-18 23:15:08

先mark后看

jt6245 · 发表于 2010-10-18 23:45:37

谢谢！lz 的 LCR原理.pdf

更多有关LCR meter project 的信息
http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4220879&bbs_page_no=1&search_mode=1&search_text=lcr&bbs_id=9999

ju748 · 发表于 2010-10-19 01:02:14

哈哈，终于有人又要做LCR了，报名~

不知道我的只言片语会对你有帮助没有，

poseidonstorm@126.com

jt6245 · 发表于 2010-10-19 01:19:05

请问楼主
3楼的原理图里c1-c4（并行量程电阻的电容器）的功能？

rlogin · 发表于 2010-10-19 06:52:24

回复【7楼】jt6245
请问楼主
3楼的原理图里c1-c4（并行量程电阻的电容器）的功能？
-----------------------------------------------------------------------我业同问

fickle · 发表于 2010-10-19 09:05:02

支持楼主，期待中。

wxfhw · 发表于 2010-10-19 09:21:37

谢谢

zwei99999999 · 发表于 2010-10-19 10:12:07

期待...............也

longquan · 发表于 2010-10-19 10:45:45

mark

hotyong · 发表于 2010-10-19 12:34:29

我们公司的4052一直是这样用的。。

heize · 发表于 2010-10-19 16:48:27

回复【7楼】jt6245
请问楼主
3楼的原理图里c1-c4（并行量程电阻的电容器）的功能？
-----------------------------------------------------------------------

原理上并不要求有那个与量程电阻并联的电容，这个电容与常用的音频放大器负反馈电阻上并联的电容类似，
只是进行超前相位补偿。可以参考以下的产品电路：

(原文件名:Snap1.png)

logics · 发表于 2010-10-19 16:53:01

mark.

QZDZ · 发表于 2010-10-19 17:01:19

不错

lm78l05 · 发表于 2010-10-19 17:07:05

标题看成了如何做冲锋_枪

fickle · 发表于 2010-10-19 17:48:14

这几种方案的设计思路基本一致的，都是采样同步检测原理实现微小信号测量。

至于俄版的创新，大概是正弦波产生部分，保证了信号产生和测量严格同步。至于7135的使用，也许借用别人的。

我自己倒是有了一个新idea，使用音频芯片，比如wm7831，作为发生信号和采集部分。只是最多做到10kHz，商业价值不大，犹豫做还是

不做。

而俄版的电路理论上可以做到100kHz，因此期待楼主的结果。

bmagui · 发表于 2010-10-19 17:58:50

mark

mcu_lover · 发表于 2010-10-19 18:13:48

支持。

dogg · 发表于 2010-10-19 19:44:16

留个爪印

heize · 发表于 2010-10-19 19:47:53

回复【18楼】fickle
-----------------------------------------------------------------------

一般都是使用自由轴方法来测量，因为实现起来比固定轴容易多了
对于正交的两个信号，由于是数字电路产生的，因此精度等不是问题
主要是由方波到正弦波的变换是个大问题，实用的 LCR 电桥都有好几个测量频率可选，
这就意味着要么做好几个低通（或带通)滤波器，要么使用开关电容集成电路滤波器（这实在是贵啊），
如果仅用使用一套滤波电路，然后用模拟开关来切换滤波器参数，模拟开关内阻影响太大，可能效果并不好
至于模数转换电路，那要求并不高，就算给你一个 24bit的，一个温飘就可以要你的命了，还是 ICL7135实用点

wajlh · 发表于 2010-10-19 19:51:16

make

jt6245 · 发表于 2010-10-19 20:18:44

谢谢楼主回答

wukong · 发表于 2010-10-19 20:25:37

MARK

heize · 发表于 2010-10-19 21:08:08

【5楼】jt6245
谢谢！lz 的 lcr原理.pdf
更多有关lcr meter project 的信息
http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4220879&bbs_page_no=1&search_mode=1&search_text=lcr&bbs_id=9999
-----------------------------------------------------------------------

虽说是自由轴方法，但正交的两个方波信号和测试电路加的正弦波必须保持固定的相位差，这是基本的原则。
我没看到这个设计是怎么来保证这个的？

fickle · 发表于 2010-10-19 22:19:20

回复【22楼】heize
回复【18楼】fickle
-----------------------------------------------------------------------
一般都是使用自由轴方法来测量，因为实现起来比固定轴容易多了
对于正交的两个信号，由于是数字电路产生的，因此精度等不是问题
主要是由方波到正弦波的变换是个大问题，实用的 lcr 电桥都有好几个测量频率可选，
这就意味着要么做好几个低通（或带通)滤波器，要么使用开关电容集成电路滤波器（这实在是贵啊），
如果仅用使用一套滤波电路，然后用模拟开关来切换滤波器参数，模拟开关内阻影响太大，可能效果并不好
至于模数转换电路，那要求并不高，就算给你一个 24bit的，一个温飘就可以要你的命了，还是 icl7135实用点
-----------------------------------------------------------------------
1、自由轴方法。实在不明白这个名称，在我看来就是锁相放大实际应用，在频域看是硬件的傅立叶变换。当然，名字不是这里重点。

2、由方波到正弦波，滤波器是必不可少的。以为俄版滤波器做的还是有问题，因为电阻只能测到10m ohm。

3、使用7135的目的是它的积分特性，而不是在于它的14 bit。

4、使用自动平衡电桥的目的就是可以有效提高测量精度，否则，说句不客气的话，使用谐振方法，不是更简单么？

5、关于温漂。俄版采用同一路前端和adc，目的之一，就是为了处理要了你的命的温漂。

sweetgirl · 发表于 2010-10-19 23:25:13

mark

heize · 发表于 2010-10-20 09:20:37

回复【27楼】fickle
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1.所谓自由轴方法，是因为被测阻抗的端电压和流过的电流两个矢量没有任何一个与坐标轴重合。

3.不敢苟同，积分是直接由ICL7135输入端的电阻加电容直接完成的。

5.温飘，并不是这样就可以简单解决的，ICL 基准端的参考电压就会稳定到即使你的模数转换器有多少bit 都没影响吗？

这里上传一个仿真（不过要注意正弦波与正交方波是要保持固定相位差的，虽然这里看不出）

点击此处下载 ourdev_591414EYW3EL.rar(文件大小:18K) (原文件名:phase decoder.rar)

dachun · 发表于 2010-10-20 09:50:52

MARK!

hustrong70 · 发表于 2010-10-20 13:19:09

电路是不是落后啦？

hustrong70 · 发表于 2010-10-20 13:32:06

LCR论文资料ourdev_591476KRCTE5.pdf(文件大小:318K) (原文件名:李念强_一种新型RLC数字电桥的研究.pdf)
点击此处下载 ourdev_591477Y19NJW.pdf(文件大小:107K) (原文件名:基于VHDL 的正弦波发生器设计.pdf)
点击此处下载 ourdev_591478JMKX0O.pdf(文件大小:318K) (原文件名:于振生_用双斜积分器对正弦电压模数变换.pdf)
点击此处下载 ourdev_591479DWKPQT.pdf(文件大小:433K) (原文件名:周景升_智能RLC元件参数测量仪方案选择.pdf)

fickle · 发表于 2010-10-21 12:14:20

请问楼主回复【32楼】hustrong70
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呵呵，偏微分都用上了，有个还使用z80，古董的可以。

这些大学的论文，混混事，离实际差的太远。

fickle · 发表于 2010-10-21 12:18:51

请问楼主，考虑过做成手持式的么？功耗考虑过么？

8s209 · 发表于 2010-10-21 16:24:12

mark

jt6245 · 发表于 2010-10-21 21:33:40

回复【32楼】hustrong70
lcr论文资料 (原文件名:李念强_一种新型rlc数字电桥的研究.pdf)
点击此处下载  (原文件名:基于vhdl 的正弦波发生器设计.pdf)
点击此处下载  (原文件名:于振生_用双斜积分器对正弦电压模数变换.pdf)
点击此处下载  (原文件名:周景升_智能rlc元件参数测量仪方案选择.pdf)

-----------------------------------------------------------------------

很有参考价值感激！！

heize · 发表于 2010-10-21 21:43:37

我并不这样认为这个落后，除非有理论上的创新，不然实现的根本原理都是相同的管它是3DG6 还是 9014 。

功耗应该不成问题，因为没有使用耗电大的继电器等

walker · 发表于 2010-10-21 22:00:47

如果不做手持表，需切换的地方还是用继电器吧。功耗体积不是主要矛盾的情况下，我认为继电器在高精度测量系统里还是有优越之处的。

fickle · 发表于 2010-10-21 22:12:11

回复【38楼】walker
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一语中的

fickle · 发表于 2010-10-21 22:19:01

回复【37楼】heize

我并不这样认为这个落后，除非有理论上的创新，不然实现的根本原理都是相同的管它是3dg6 还是 9014 。
功耗应该不成问题，因为没有使用耗电大的继电器等

-----------------------------------------------------------------------

呵呵，兄弟，也许可以按照上面文献任何一种做做看看。再有，你对俄版研究过了，你觉得成的把握那个大点？

highnose · 发表于 2010-10-21 22:22:06

嗯，很不错，留个印

fickle · 发表于 2010-10-21 22:23:47

楼主对校准有什么考虑？可以学习学习。

heero · 发表于 2010-10-21 22:50:07

先mark后看

uzufk · 发表于 2010-10-21 23:19:22

学习,关注中.....

af00 · 发表于 2010-10-21 23:19:28

谢谢

koon · 发表于 2010-10-21 23:29:47

mark

adai · 发表于 2010-10-22 02:29:14

mark

RightZL · 发表于 2010-10-22 08:27:23

jielove2003 · 发表于 2010-10-22 08:30:30

mark

luojiyin · 发表于 2010-10-22 08:48:07

mark

heize · 发表于 2010-10-22 09:48:01

回复【40楼】fickle
-----------------------------------------------------------------------

以上文献确实是学院派的，只说了个到处都可以找到的知识，实在是为了论文而论文，没有价值
俄版的最大困扰莫过于编程时那个模数转换器输出的量代表什么，可以参考楼主为的高价值文献，一目了然，
其他的不过是把界面设计得好看点罢了

继电器作高频切换，肯定是最优的选择
不过这里可能反而是累赘。量程电阻的切换通过创新的电路设计已经比使用继电器好至少10 倍以上了。
俄版的方波到正弦波变换使用专用开关电容滤波器集成电路，有点贵且难买，而且供给的时钟必须是100 倍的截止频率，
我的想法是使用4 级的2 阶低通滤波器级联，有几个测量频率就做几个，并用电子开关来切换
既然是实用的仪器，肯定要校准，但最好的方法还是靠电路设计来保证。个人实在难有相应仪器老做对比校准
这个电路关键部位的电阻，电容精度要求还是比较高的

0123456789 · 发表于 2010-10-22 10:51:26

这个要看看的

locky_z · 发表于 2010-10-22 11:32:05

我觉得难点就是产生相差90度的正弦波，

如果不用开关电容滤波器，用计数器+R网络，构成8级阶梯的逼近正弦波，再经过简单低通滤波如何
因为计数器的频率是相同，低通也是尽量匹配，因此产生的两路正弦波相位差应该是固定的

就不知8级阶梯（正负半周加起来的话就是15级阶梯)的正弦波经过简单低通后的失真有多少？

以前看过一本书上推导过，16级阶梯正弦波的失真好像已经0.X%了。

heize · 发表于 2010-10-22 21:01:06

回复【55楼】locky_z
-----------------------------------------------------------------------

这位朋友还没真正理解原理

鉴相器要求正交的两个方波，而测试端加的正弦波只要和任一方波保持恒定相位差（当然，对该数值无明确要求）即可

walker · 发表于 2010-10-23 12:06:56

个人认为需解决好几个问题：
1 测量源的失真，理论上偶次谐波对结果影响小，奇次波影响大，方波滤成正弦波后，失真仍为奇次波。因此认为方波滤波的方法不是好方案；
2 要使相位差恒定，需整个模拟测量系统，在不同测量频率、规定温度下附加相移要恒定。因此信号耦合尽量直流耦合，不得已的交流耦合，要让耦合截止频率远远低于最低测量频率，以求影响甚微；
3 必须考虑测量端子短路开路的情况，被测元件加电压信号，短路或被测阻抗很低时不容易控制电流。因此以恒流测量较好。

heize · 发表于 2010-10-23 19:00:25

回复【57楼】walker
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1.这不具有建设性意义

2.原理都没理解

3.恒流？无从谈起，因为信号源已经串联了电阻

abs123 · 发表于 2010-10-23 19:36:40

mark

hyzqq · 发表于 2010-10-23 21:31:19

mark，自动平衡电桥原理分析

lwy86 · 发表于 2010-10-23 22:59:32

mark

www1519 · 发表于 2010-10-24 12:37:14

mark

xiazhengwu · 发表于 2010-10-26 22:47:02

用数字的方法实现起来比较简单前面的电路很少主要是放大然后直接进ADC 不过测试频率可能上不去

我用数字方法实现了不过现在只用来测电阻性质的东西主要是考虑测量很弱的信号

xiazhengwu · 发表于 2010-10-26 22:47:47

microchip公司有一个文档是介绍这个的

fickle · 发表于 2010-10-26 23:10:28

回复【63楼】xiazhengwu
用数字的方法实现起来比较简单前面的电路很少主要是放大然后直接进adc 不过测试频率可能上不去
我用数字方法实现了不过现在只用来测电阻性质的东西主要是考虑测量很弱的信号
-----------------------------------------------------------------------

能否透露下adc是几位的么？

呵呵，测量电阻达什么水平？毫欧，或者以下？

af00 · 发表于 2010-10-26 23:32:40

顶了

uzufk · 发表于 2010-10-27 09:05:46

图中的R3,R4有什么作用啊? 有明白的给讲讲!

图中的R3,R4有什么作用? (原文件名:未命名.JPG)

luojiyin · 发表于 2010-10-27 09:26:09

mark

f7a7 · 发表于 2010-10-27 09:33:46

mark

fickle · 发表于 2010-10-27 09:40:36

回复【67楼】uzufk
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在100欧姆以上，可以采用2线测量。

uzufk · 发表于 2010-10-27 12:15:47

谢谢,楼上的回答,能给讲讲原因吗?

charlie2008 · 发表于 2010-10-27 12:21:03

mark!

xiazhengwu · 发表于 2010-10-27 21:36:04

回复【65楼】fickle
能否透露下adc是几位的么？
呵呵，测量电阻达什么水平？毫欧，或者以下？
-----------------------------------------------------------------------
毫欧肯定是没有问题电压至少能分辨到1uV 现在用的是24bitADC 低频测试还有很大的改进余地比如我基本没怎么放大 ADC只用了量程很小的部分测试电流低（毫安微安因为我不是做LCR表是做其他东西测试电流小这样激励源功率才小）

如果测毫欧单片机自带的ADC肯定没问题

litteworm · 发表于 2010-10-27 21:42:58

好资料····

fickle · 发表于 2010-10-27 22:02:10

回复【71楼】uzufk
-----------------------------------------------------------------------

所谓2线就是使用仅仅2条电流线，如图的I和I'。

测量相对大的电阻，导线引入的误差可以忽略。

jt6245 · 发表于 2010-10-27 22:10:31

回复【67楼】uzufk
-----------------------------------------------------------------------

当测试头不连接，r3 和 r4 是耦合电阻获取当前整个测试电压。
整个电路是四线检测(Kelvin).

四线检测(Kelvin) 请参考
http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=3955690&bbs_page_no=1&search_mode=1&search_text=四线&bbs_id=9999
http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4227358&bbs_page_no=1&search_mode=1&search_text=四线&bbs_id=9999

uzufk · 发表于 2010-10-27 22:44:04

明白四线的原因了,谢谢楼上!

但R3,R4的作用还是不太明白?

是为了给电容提供个放电回路吗?

fickle · 发表于 2010-10-27 23:09:11

回复【77楼】uzufk
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呵呵，还不明白？换个思路，去掉2个电阻，能2线测量么？

jt6245 · 发表于 2010-10-27 23:46:01

回复【77楼】uzufk
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不是为了给电容提供个放电回路

确保甚至探头不良的接触，也不会错误操控
resistors between drive(+) and sense(+) and between drive(-) and sense(-). The
resistors assure that the output voltage is monitored even if the sense leads fail to make contact with the sample

jt6245 · 发表于 2010-10-28 01:01:13

回复【78楼】fickle
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四线测量不一定需要这2个电阻（R3,R4)

2线测量:
四线换成2线测量，需要使drive(+)和sense(+)连接同 drive(-)和sense(-)连接
（注意：不是电阻连接,要直接连接)

zhuhanliang · 发表于 2010-10-28 08:36:35

mark

uzufk · 发表于 2010-10-28 22:12:31

哦,谢谢,热心朋友的回答!

heize · 发表于 2010-11-5 22:35:26

初步设计的原理图

(原文件名:RLC Meter_页面_1.png)

(原文件名:RLC Meter_页面_2.png)

(原文件名:RLC Meter_页面_3.png)

fickle · 发表于 2010-11-5 22:42:04

呵呵，一直惦记楼主呢，这几天还琢磨呢，怎么没动静了？

heize · 发表于 2010-11-5 22:52:29

布局的电路板和自动布线结果：

(原文件名:布局.PNG)

(原文件名:自动布局结果.png)

fickle · 发表于 2010-11-5 22:59:59

信号采用直流耦合？也许，线路产生的直流偏置电压可不好处理。

fickle · 发表于 2010-11-5 23:01:53

anyway，期待楼主结果，呵呵，上这个论坛最关注你这个帖子。

heize · 发表于 2010-11-5 23:03:17

这只是初步的，偏压电路还没想好怎么加。最近找工作，比较忙！

fickle · 发表于 2010-11-5 23:09:37

呵呵，找工作呢。

关于滤波也许可以参考这个，

http://cqham.ru/RLC_usb.htm，这个俄国人做的，已经出来了，想必滤波部分没问题。

heize · 发表于 2010-11-7 18:16:01

工作找到了，签了星网锐捷。以后轻松多了，希望可以尽快出样机！

hclcwx · 发表于 2010-11-7 19:07:28

ding

zwei99999999 · 发表于 2010-11-7 19:11:38

回复【90楼】heize
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恭喜恭喜找到工作。。。。。。。。。。。。。。

lljyes · 发表于 2010-11-7 21:34:40

关注中

zhoulz · 发表于 2010-11-7 22:38:00

关注

ITOUR · 发表于 2010-11-8 13:23:13

不错啊到时候也来一个

0123456789 · 发表于 2010-11-8 15:10:05

我也想做一个,不过要求测量速度要快,所以7135在这里就不合适了,不知道是不是可以直接换成其他高速ADC呢?

heize · 发表于 2010-11-8 16:58:38

回复【96楼】0123456789
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肯定是可以的，不过位数多的而且速度快的，价格不菲吧

0123456789 · 发表于 2010-11-8 17:15:26

回复【97楼】heize
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你说的主要是ADC器件的价格吗?还是整体部分?

heize · 发表于 2010-11-8 19:06:15

回复【98楼】0123456789
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我说的是ADC 器件价格。不过即使做快了，你换待测元件的速度可以跟上去吗？

0123456789 · 发表于 2010-11-8 19:14:02

回复【98楼】0123456789
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我说的是ADC 器件价格。不过即使做快了，你换待测元件的速度可以跟上去吗？
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换元件的速度不是问题.

你的LCR什么时候能出来?到时再仔细学习一下你发上来的资料,我现在对工作原理还不是太了解呢!

ndust · 发表于 2010-11-8 19:18:47

自动平衡电桥原理分析，为自制 LCR 冲锋了

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