LCR表的自由轴法量测技术讨论

PSIR

各位先进大家好：

小弟研究 LCR 表的理论有一段时间，但一直不明白其中几个关键点，因此希望能提出来和大家做技术上的交流，
以了解自由轴法的测量原理及计算公式为何？
原理图引用自版上的另一个讨论帖『自動平衡電橋原理分析，為自制 LCR 衝鋒了』中版主Heize兄的最新研究成果，
连结如下：
http://www.ourdev.cn/bbs/bbs_content.jsp?bbs_sn=4331093&bbs_id=9999

我先贴上原理图以及我所收集到的几篇相关论文：
原理图：
點擊此處下載 ourdev_646488Q0WTTJ.pdf(文件大小:130K) (原文件名:RLC_Meter_V2.1.pdf)
自由轴法相关文章：
點擊此處下載 ourdev_646489X408H4.pdf(文件大小:318K) (原文件名:於振生_用双斜积分器对正弦电压模数变换.pdf)
點擊此處下載 ourdev_646490ACQ705.pdf(文件大小:368K) (原文件名:LCR原理.pdf)
點擊此處下載 ourdev_646491PBDS0O.pdf(文件大小:5.61M) (原文件名:基於MSP430的手持式LCR數字電橋的設計與實現.pdf)
點擊此處下載 ourdev_646492R2K9FQ.doc(文件大小:968K) (原文件名:自由轴法的RLC测量仪表设计.doc)
點擊此處下載 ourdev_646493PTRN91.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)
點擊此處下載 ourdev_646494MPC0AO.pdf(文件大小:1.86M) (原文件名:杨继生等_基於PIC单片机控制的RLC智能测量仪.pdf)

小弟所知有限，若有不足欢迎版友们补充指教，谢谢。

fickle

阻抗测试原理和技术公式，我想安捷伦的那个阻抗手册是最好的吧？

kingsabbit

顶

PSIR

首先我就我所瞭解的量測原理說明一下，如有錯誤煩請先進們不吝指正，謝謝。

（1）請看以下截圖，乃是原理圖的第四張圖右邊部分
U9 74HC4053 模擬開關選擇 U 電壓（負載上的電壓）或是 I 電流（量程電阻上的電壓），
U/I 腳為 0 時選 U，為 1 時選 I，由 U9 的 14 和 15 腳送到第 5 張圖的 U12 AD8253 做差分放大，
並由第 7 腳(INA_OUT)輸出。

(原文件名:RLC2-U9.jpg)

(原文件名:RLC2-U12(AD8253).jpg)
（2）接著 U 或 I 的正弦波送到以下的第 6 張原理圖牆面的截圖，亦即是 U14 組成的模擬乘法器。

(原文件名:RLC2-U14(4053).jpg)
U14 的第 9 腳（CLK_SEL）若為 0 的時候選 CLK_0 的方波，為 1 時選 CLK_90 的方波，這兩個方波頻率和量測信號相同，
但是相位相差 90 度，他們是以下原理圖第 2 張中的截圖。

(原文件名:RLC2-U4_U5 Phase Generator.jpg)
（2）接著再由 U13 ICL7135 雙積分 A/D 轉換器做 A/D 值變換，請參照原理圖第6張圖右邊。

問題1：請問 U14 模擬乘法器的動作原理如何運作？對乘法器來說，CLK_0 和 CLK_90 不都是方波嗎？11
為何能夠分離出交流電壓的實部和虛部？

問題2：自由軸法的 4 個投影向量的对应為何？
以下截圖取自『基於MSP430的手持式LCR數字電橋的設計與實現』論文牆面的地 10 頁。

(原文件名:Free coordinate axis theory.jpg)
其中 Ux 應該就是 U 電壓（負載上的電壓），而 Us 就是 I 電流（量程電阻上的電壓）。
所以自由軸法簡單的來說就是採樣下面 4 個投影份量：
U 電壓的 0 度 A/D 轉換值
U 電壓的 90 度 A/D 轉換值
I 電流的 0 度 A/D 轉換值
I 電流的 90 度 A/D 轉換值

而這 4 個 A/D 轉換值應該就是圖中的 a,b,c,d  這 4 個投影份量，
可是哪一个对应哪一个呢？

問題3：取得4個 A/D 值後，用哪一些公式換算出 R、Xc以及Θ（相角）以及 Q 值、D 值等其他參數？
因為我看了所有的文章中都找不到一個計算範例，有人可以示範一下如何計算嗎？謝謝。

PSIR

(原文件名:RLC2-U7(LM6172).jpg)
我发现一件事情，就是上面原理图第3张图的截图中，
如果将 SIN_O 的信号改用台式信号产生器给他送一个正弦波信号代替的话，
显示数值都不正常了，这代表电路需要某种同步。

还有我发觉下图的 SIN_CLK 脚的频率要为 CLK_0 的 100 倍，
难怪自由轴法的 LCR 表很少做到 100KHz 以上，
因为若 CLK_0 = 100KHz，SIN_CLK 则必须是 100KHZ × 100 = 10MHz

(原文件名:RLC2-U6(MAX293).jpg)

如下图中的相位产生器真的需要做到 100 被除频吗？为什麽不是 10 倍？
是为了要给 ICL7135 足够的积分时间吗？

(原文件名:RLC2-U4_U5 Phase Generator.jpg)

kingsabbit

不错,继续

heize

回复【6楼】PSIR  
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这个我可以回复你，用100倍是因为MAX293的滤波转折频率是其时钟频率的100分之一。
如果改用其他滤波方法，其实只要4分频(产生正交方波)就可以了

PSIR

回复【8楼】heize  
回覆【6楼】psir  
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这个我可以回覆你，用100倍是因为max293的滤波转折频率是其时钟频率的100分之一。
如果改用其他滤波方法，其实只要4分频(产生正交方波)就可以了
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原来如此哦，难怪要100倍的频率，
这样如果要做测试频率100KHZ以上的话不就很难做？

gzhuli

回复【9楼】PSIR
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不一定要用MAX293将方波滤成正弦这么低效率的办法，100kHz可以用DDS，一个三阶有源低通足够了。

fickle

回复【10楼】gzhuli  咕唧霖
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恩，选来选去还是dds芯片，ad9834。

fickle

回复【9楼】PSIR  
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psir 见过2MHz的lcr？

PSIR

回复【12樓】fickle  
回覆【9樓】psir  
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psir 見過2mhz的lcr？
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没有耶，我只看过台式的 LCR 表频率最多到 1MHz。

Receiver

回复【4楼】PSIR  

……
問題3：取得4個 A/D 值後，用哪一些公式換算出 R、Xc以及Θ（相角）以及 Q 值、D 值等其他參數？
因為我看了所有的文章中都找不到一個計算範例，有人可以示範一下如何計算嗎？謝謝。
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Hi PSIR：
关于取得A/D值后的计算，请参考我整理的下面这篇文档，希望有用。
数学计算过程不是很严谨，不过结论应该是正确的，已经通过仿真验证过。
LCR meter中阻抗测量的矢量计算_By Receiver.pdfourdev_651490CMOK34.pdf(文件大小:266K) (原文件名:LCR meter中阻抗测量的矢量计算.pdf)

mu03029827

回复【14楼】Receiver
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你这个原理讲的真透彻，不过要是简单理解就是那个4053是对正弦波进行整流，再经过低通滤波器，把相对x轴对称的波形全过滤掉了，剩下的直流分量就是cosθ的函数，其中θ为方波与正弦波的相位差。

jt6245

回复【14楼】Receiver
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page 9 -----
"图 9：激励=0 度，本振=0 度时的波形
[Vdc= 0V]"

(只是文字失误  本振=90)

写作非常好,够完整.

fickle

回复【14楼】Receiver  
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看得出来对于俄版电路很熟悉。

PSIR

回复【14樓】Receiver  
回覆【4樓】psir  
……
問題3：取得4個 a/d 值後，用哪一些公式換算出 r、xc以及θ（相角）以及 q 值、d 值等其他參數？
因為我看了所有的文章中都找不到一個計算範例，有人可以示範一下如何計算嗎？謝謝。
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hi psir：
關於取得a/d值後的計算，請參考我整理的下面這篇文檔，希望有用。
數學計算過程不是很嚴謹，不過結論應該是正確的，已經通過仿真驗證過。
lcr meter中阻抗測量的矢量計算_by receiver.pdf (原文件名:lcr meter中阻抗測量的矢量計算.pdf)

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Receiver 您好：

您的文章將原理解釋的很詳細，謝謝。

PSIR

回复【10楼】gzhuli  咕唧霖
回覆【9楼】psir
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不一定要用max293将方波滤成正弦这么低效率的办法，100khz可以用dds，一个三阶有源低通足够了。
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回复【11楼】fickle  
回覆【10楼】gzhuli  咕唧霖
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恩，选来选去还是dds芯片，ad9834。
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请问两位所说的 DDS 是用像 AD5932 这种 IC 直接产生正弦波吗？ad9834 也是 DDS，
我试过用 AD5932 产生 10KHZ 的方波，通过自动平衡电挢，如下图所示：

(原文件名:Axis+Shift.jpg)
但是下面那个分频电路它会将频率除以4，变成2.5KHZ，
这样送入模拟乘法器後量测的结果就不准了，
看来我需要做一个4倍频电路以让两个正交方波的频率和正弦波频率一致，
大侠们能否出来指导一下怎麽做倍频的电路啊？谢谢。

gzhuli

DDS和MCU共用主时钟，正弦测试信号由DDS产生，正交方波由MCU计数器产生即可。

fickle

回复【21楼】gzhuli  咕唧霖
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呵呵，厉害。

这个问题我曾写信给ad工程师，回答就是用时钟同步。

ht203

mark

PSIR

回复【22樓】fickle  
回覆【21樓】gzhuli  咕唧霖
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呵呵，厲害。
這個問題我曾寫信給ad工程師，回答就是用時鐘同步。

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大家都好深入哦，我也是做到现在才发现必须要有某种同步才能令模拟乘法器输出正确的信号，

请看一下我上面的原理图，AD5932 的第 16 脚输出正弦测试信号 10KHZ，

同时在第 8 脚也会输出同频率的方波信号，请注意看我将 DDS 的第 8 脚接到 74HC74 组成的分频器，

虽然它能够产生两个正交方波，可是頻率變為 1/4 只有 2.5KHZ，

因此我想用一個4倍頻電路先把 DDS 第 8 脚的 10KHZ 方波變為 40KHZ，

再送到 74HC74 分频器，這樣就可以產生和正弦测试信号同頻率的 0度和 90度 正交方波，

不知道大家認為這樣是否可行？如果可以的話4倍頻電路要怎麼做呢？謝謝。

gzhuli

其实不用每个帖子都发同样的问题，一直在一个帖子里面讨论更有延续性，不会越说越乱。

PSIR

(原文件名:CD4046+4017.jpg)
我用 74HC4046 做了一个 4 倍频电路如上所示，
将 AD5932 的 第8脚 MSB 的 10KHZ 方波变为 40KHZ，
再送到 74HC74 产生两个 10KHZ 正交方波，
但这样量测起来结果还是不对，看来倍频的方法不可行，
请问大家有没有什麽意见想法可以提供给我的？

我现在想用 DDS 直接产生正弦波当测试频率，
但不知道如何做成正交信号和正弦波的时钟同步？
还是自由轴法的限制就是一定要由方波产生正弦波才可以？

PSIR

回复【21樓】gzhuli  咕唧霖
dds和mcu共用主時鐘，正弦測試信號由dds產生，正交方波由mcu計數器產生即可。
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请注意看一下 AD5932 的第 8 脚就已经有输出和测试正弦波相同频率的方波了，
但是我将这个方波 4 倍频後送到 74HC74 的分频器，却还是无法得到同步，
问题在哪里呢？自由轴法真难做。

gzhuli

没完整电路，无法分析，最好上各关键点的波形。
你这和自由轴没什么关系，方法没选对而已，PLL倍频再分频实在是钻牛角尖了。

PSIR

点击此处下载 ourdev_659712WL1IXW.pdf(文件大小:353K) (原文件名:Axis-Circuit.pdf)
各位好：

上传一下较完整的电路图，图较大请点开来看会比较清楚，
其实这也是从1楼那位原创者的原理图变化而来，
单片机的部分我就略去不划了，因为我用的 CPU 和原电路图不同，
只要照着原创者公布的的源代码去发展程序，就能做出精度不错的 LCR  表。

现在这个版本是希望用可以产生正弦波的 AD5932 来代替原本用 MAX293 组成的低通滤波器，
原本在 AD5932 的第 8 脚和 U1A 的第 3 脚之间我有串接一个 4 倍频电路，也就是 26 楼的那一个电路，
但是这样一来量测结果变得极为不准确，不知道到底要怎麽样才能得到同步？

会想做 4 倍频電路是因為 U1 的分頻器會除以4，希望能得到和測試頻率同樣的正交信號，
無奈這樣試的結果沒有成功，各位大俠請幫幫小弟吧。

huayuliang

引用图片【4楼】PSIR  
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(原文件名:RLC2-U14(4053).jpg)
这个图，有点迷糊，模拟乘法器俺不懂，这个图怎么看怎么像同步检波器。
话说俺还有两片MC1495L呢。

想起来了点，吉尔伯特乘法器，好像是这个名字，差分放大的一种应用。

jt6245

LS
推荐阅读【14楼】 LCR meter中阻抗测量的矢量计算_By Receiver.pdf
---主要解释模拟相敏检波器.

leeseel

我做的毕业设计就是这个

参考高晋占的《微弱信号检测》和远坂俊昭．测量电子电路设计-滤波器篇


个人认为在FPGA上实现DDS好得多，正交参考信号也容易参数

huayuliang

回复【31楼】jt6245  
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多谢！ Reciever 写的～～感谢。

largeboss

mark

xoneftws_123

这个LCR表的资料很透彻哦

huayuliang

点击此处下载 ourdev_660395BGX32X.zip(文件大小:3.94M) (原文件名:Impedance Analyzer.zip)

www1519

mark

yyp20034

看了两天终于明白了，信号放大是最终的关键，一定要注意模拟开关的漏电流和导通电阻对信号的影响。三版原理图各有特点，原理都是一样的：自由轴法。后面的A/D芯片必须使用积分式A/D，否则就面临着高速采样+数字信号处理（积分算法）。

60333tim

GOOD!

PSIR

我发觉依照原理图的结构，也就是俄版的电路，
测试频率极限只能达到 10KHZ，
因为信号正弦波是由 MAX293 转换方波而来，
而又因为 MAX293 的时钟频率必须为滤波频率（转换频率）的100倍，
所以才需要用 74HC390 + 74HC74 做 100 倍分频和制造两个正交信号，
如果今天我想将测试频率提高到 200KHZ 的话，恐怕这个电路就无法使用了，
所以我才想用 DDS 像是 AD5932 来直接产生 200KHZ 的正弦波，
可是这样一来模拟乘法器的时钟同步不知道要如何解决？
可以帮我研究一下吗？谢谢。

gzhuli

10k极限不在MAX293，在模拟开关组成的鉴相器，频率再提高精度就要插水了。
DDS也可以用同样的方案，74HC390 + 74HC74对DDS时钟分频和制造两个正交信号，只要DDS的频率步进字和HC390分频数对得上就同步了嘛，之前已经说过好多次了。

PSIR

TO gzhuli 大：

我正在画DDS版本的完整线路，这样比较方便和您就细节部分讨论，
因为这一句：「只要DDS的频率步进字和HC390分频数对得上就同步了」，
我不知道该如何实现。

huayuliang

DDS 比较贵，ADI 好像有个信号发生器的IC，忘记型号了。。

PSIR

回复【43樓】huayuliang  花生
dds 比較貴，adi 好像有個信號發生器的ic，忘記型號了。。
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我是用 AD5932 DDS 来当信号发生器。它的好处是可以产生任意的频率。

huayuliang

回复【44楼】PSIR  
回复【43樓】huayuliang  花生
dds 比較貴，adi 好像有個信號發生器的ic，忘記型號了。。
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我是用 ad5932 dds 来当信号发生器。它的好处是可以产生任意的频率。
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实际上并不需要任意频率，有限的点频就足够了。

xml2028

mark

PSIR

大家好：

我想把测试频率提高，但发现有个问题就是担任低通滤波器的 MAX239，
它的时钟必须要是转换频率的 100 倍，这样子就很苦恼，
万一我想测试 200KHZ 的信号时，就需要 20MHZ 的时钟，
请问有没有什麽方法可以不需要 100 倍时脉频率的低通滤波方法，
此处的低通滤波器是将方波转成正弦波。

PSIR

请教一下大家：

这个低通滤波器的截止频率是多少，如何计算？
它是属于哪一种结构的呢？谢谢。

(原文件名:Low Pass Filter.jpg)

huayuliang

回复【48楼】PSIR  
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这电路咋感觉不对呢？

滤波器有仿真、设计软件可以用

PSIR

我实做都做出来了，所以不需要仿真了，只是不知道它的截止频率是定在哪里，怎麽计算？

huangdog

记号~

0123456789

学习.....

huangjianah

回复【48楼】PSIR  
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这个电路乍一看长得像二阶巴特沃斯滤波器。
仔细一看是一个一阶无缘低通滤波器+负向电压放大。后面那个R3和C2貌似一点用处也没有。

个人感觉。电脑没有仿真软件。纯属猜测。。。

ITOP

MARK!

mu03029827

楼主还折腾呢，呵呵，我也在做这个，现在卡在AD9834上了，怎么调都不出来正弦波，关键是现在示波器挂了，也没法检测了，只能用万用表测下低频的输出，好像只有零点几伏直流电压输出，不知道怎么搞的。
一气之下我准备用ad5933来当信号源（上次申请了两片），ad5933里面也有个dds，能扫频。或者干脆直接用它测量阻抗算了，所需要的它在片内全部集成了，能直接对信号进行傅里叶分析，直接得出阻抗的实部和虚部。就是最小只能测到100欧的，再小就有点困难了。

PSIR

你的 AD9834  应该是送的资料格式不对所以产生不出正弦波，
不然可以试试看用 AD5932 DDS 也可以用。

PSIR

我上来报告一下近况，信号源部分我改用带通滤波器将方波转成正弦波当测试信号，

目前在挑战200KHZ，因为频率做越高觉得测量误差越大，尚不知原因为何？

有想到的话再来分享心得。

mu03029827

回复【57楼】PSIR
我上来报告一下近况，信号源部分我改用带通滤波器将方波转成正弦波当测试信号，
目前在挑战200khz，因为频率做越高觉得测量误差越大，尚不知原因为何？
有想到的话再来分享心得。
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那你的方波产生方案呢？

我发现的ad9834资料中有一段话不好理解啊
The 80C51/80L51 outputs the serial data in an LSB-first format. The AD9834 accepts the MSB first (the four MSBs being the control information, the next four bits being the address, and the eight LSBs containing the data when writing to a destination register). Therefore, the transmit routine of the 80C51/80L51 must take this into account and rearrange the bits so that the MSB is output first.
这难道是说80C51单片机要给ad9834送频率数据的话，必须先送28位频率字的高14位吗？那我以前的频率难道全送反啦？比如要设置10KHZ的正弦波，要是反过来的话，就变成输出大概3MHZ的正弦波啦，晕~~~~~
还有这一段
COMPARATOR
As the comparator input is ac-coupled, to operate correctly as a zero crossing detector, it requires a minimum input frequency of typically 3 MHz. The comparator output is a square wave with an amplitude from 0 V to DVDD.
这是说AD9834内置的比较器只能接受3MHZ以上的频率的正弦波吗？那么它就只能输出3Mhz以上的方波啦。

gzhuli

回复【57楼】PSIR
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频率高了那种运放反相放大形式的平衡电桥就开始不平衡了，所以100k以上就要开始考虑用null detector。

bluehans

mark

w8796

顶顶--

PSIR

回复【58樓】mu03029827  
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我没有用过 AD9834，我是用 AD5932，目前方波也是由它产生，

估计 AD9834 也是和 AD5932 一样，要送正确的串列资料来设定输出频率，

请再尝试看看，应该可以有结果。

mu03029827

回复【62楼】PSIR
回复【58樓】mu03029827   
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我没有用过 ad9834，我是用 ad5932，目前方波也是由它产生，
估计 ad9834 也是和 ad5932 一样，要送正确的串列资料来设定输出频率，
请再尝试看看，应该可以有结果。
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AD5933搞定了，呵呵，通过外加一个运放(opa627)降低输出阻抗，现在能测20欧以上的阻抗啦，再小的话运放输出电流就不够啦，除非把测试电压拼命衰减.opa627的开环输出阻抗55欧，闭环输出阻抗远小于1欧，所以对所测的20欧以上的阻抗没什么影响。感觉ad5933最大的好处是能扫频，外围电路简单，测量的准确度还凑合吧，正在调，看能否更准确点。
AD9834等有空再折腾吧~~~~~

PSIR

恭喜您，原来你是用 AD5933 来做，有没有兴趣尝试一下用自由轴法来做？

rlogin

null detector结构是怎样的？

gzhuli

回复【65楼】rlogin
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低于100k，运放自身相移可以忽略，根据“虚短”原则，本身就是一个null detector。
高于100k，很多电压反馈型运放的相移都比较大了，开始影响到测量精度，所以需要用鉴相器做null detector才能保证相位精确一致。


Agilent Impedance Measurement Handbook中介绍的Auto-balancing bridge结构 (原文件名:1.jpg)

rlogin

回复【66楼】gzhuli  咕唧霖
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台式表上了1MHz用的什么鉴相器？还是分立原件？

PSIR

请问 null detector 是什麽意思？

我目前做 100KHZ 和 200KHZ 的 LCR 测量电路，

信号源用方波通过带通滤波器转出正弦波，

但是在测量纯电容很小的容抗时，计算出来的相角超过 90 度，

不晓得是不是跟相移有关系？

huayuliang

回复【68楼】PSIR  
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null detector 是“检零器”，一般是用于平衡电桥的指示。
以前有一种指针式的电压表零电压时指示在中间。

gzhuli

回复【67楼】rlogin
台式表上了1mhz用的什么鉴相器？还是分立原件？
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这个就没有仔细研究过了，理论上有很多方式都可以实现，上了1MHz估计双平衡混频器就能工作得很好了吧。

aaaqingting

好好

sxzxy

有出套件的就好了，好好学习一下。

PSIR

回复【66楼】gzhuli  咕唧霖
回覆【65楼】rlogin
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低于100k，运放自身相移可以忽略，根据“虚短”原则，本身就是一个null detector。
高于100k，很多电压反馈型运放的相移都比较大了，开始影响到测量精度，所以需要用鉴相器做null detector才能保证相位精确一致。

agilent impedance measurement handbook中介绍的auto-balancing bridge结构 (原文件名:1.jpg)
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請問这种 null detector 有没有具体的电路可以叁考？谢谢。

analoglamb

受教了，，，，，

wsygb

看过站内几个LCR的测量的资料,其实并不一样,虽然都说是自由轴法.没有完整数学依据,都是废话.

PSIR

大家好：

我目前在用 ICL7135 双积分A/D转换IC，但是这颗很大一颗，我想寻找有没有小颗一点的，
若各位大大有在使用双积分IC的话能否推荐我一些厂牌型号，谢谢。

alfredc

good,mark!

PSIR

看到我发表的主题被设为精华，身为台湾人实在很感动

这表示国内对於技术研究很重视，不像台湾都在讨论3C产品。

szddg

GOOD      

0900820417

0000...0

0900820417

good
man

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？

gzhuli

Sullivan 发表于 2012-9-12 16:30
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 ...

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，CD405x相差数百ns，频率高了就会有误差，74HC405x相差只有几ns，几乎没影响了。
2.Σ就是积分的符号，输入特性跟双积分ADC差不多的，输入加fs/2抗混叠滤波器就好了。如果直接分析波形，ADC需要有足够的精度余量来弥补运算损失，高速高精度ADC成本很高，划不来。
3.原理上来讲，就是DUT的电压和电流分别乘以正交信号，所以乘法运算少不了，要么就是开关式（包括RF的双平衡混频器都是开关式的），要么就是模拟乘法器，还有就是DSP了。

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！

gzhuli

Sullivan 发表于 2012-9-12 18:18
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.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有DC offset，运放总是会引入offset的，够用就好，没必要做过度设计。

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？

gzhuli

Sullivan 发表于 2012-9-12 18:59
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 ...

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，多滤一下还是有好处。

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。

gzhuli

Sullivan 发表于 2012-9-13 17:50
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 ...

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。

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。

gzhuli

Sullivan 发表于 2012-9-13 19:27
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 ...

是的。不过数字处理算法的研究难度不比模拟电路小啊。

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？

gzhuli

Sullivan 发表于 2012-9-13 20:18
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 ...

人家不是这样弄的，理论上是采样N个周期的完整波形，然后跟参考波形（DDS波表）做复数FFT，直接就得出被测波形的IQ分量了。
不过据说FFT法精度不太好，所以有用LMS算法的，具体我没仔细研究，附件有篇介绍声卡LCR原理的文章，数学好的可以研究研究（最后列出那些参考文献看样子也挺精彩），记得分享成果哦～

gzhuli

Sullivan 发表于 2012-9-13 20:27
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 ...

嘿嘿，那个声卡LCR就是这样做的，我用4558做了一个，精度还不错哦，估计是得益于声卡ADC的高分辨率。

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。

fickle

Sullivan 发表于 2012-9-13 21:16
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 ...

"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。"

--- 有道理。

-- 之前，也思考过这个问题，采用V/I和I-V的比较问题。为什么要采用I-V方式，所谓的自动平衡电桥方式（好像多高深的技术）？

-- 我以为，电流采样选用电阻取样，会比运放放大产生的噪声更低，大概小一个数量级以上，甚至更多。到目前为止，也找不出比这种I-V更简洁的测量小电流的方法了。