抛砖引玉基于DSP的LCR表试制供大家参考

一天的蓝 · 发表于 2014-8-3 22:20:50

本帖最后由一天的蓝于 2014-8-3 22:20 编辑

12年区赛题目设计的测量范围不大以验证为目的还不具备实用性，仅作为实验上传源码以供大家参考。
由于去年做国赛的一些感触，一直以高频、连续测量为目标，而平衡电桥结构在100kHz以上表现不太好提高测量频率和精度是下一步的研究方向。
现常用的方案是开关鉴相器和积分AD做复数变换，提高测量频率较为困难元器件也比较多，而利用模拟乘法器&LPF I/Q解调方法虽频率高结构简单但有比较大的offset 动态范围不大，故转向研究基于数字信号处理的测量方法。
通过对同步采集的I/V两路数据做傅里叶变换得相应频点的实部和虚部数据，复数计算得两路信号的模值之比和相位差其计算方法与开关鉴相一致不赘述。

主控是STM32F103Ze 模拟前端使用Linear的零漂运放和PGA，切换Rfb的是TI的高速视频开关，手头正好有片子所以没有认真选型器件可以降低要求。
利用STM32 DAC DMA 做波形发生器 200点正弦表 600mVrms，STM32 ADC12 DMA TIM做双路同步采样，采样一个周期用F1的DSP库做64点FFT。
程序使用了FreeRTOS做任务调度液晶是坛友的AMOLED 下面上图：

100uF电解 100Hz 测量速率10SPS

20pF瓷片 10kHz 测量速率我锁在100SPS，空载显示有0.x p的容性负载暂未校准，系统相移1kHz 0.x° 10kHz约4° 比较大了暂未校准

显示内容从上至下分别是: V/I 通道模值；直流分量/其它频域分量；V/I 通道相位差；模值换算的增益系数；换算的阻抗；换算的电容量；换算的电感量；测试频率/增益/Rfb；刷新帧率/测量速率；
做了自动增益控制和自动频率控制数据稳定时间最大1s，全量程R/L/C 千位跳动1个字基本准确度5% 初步校准可做到1%以内 D/Q可根据相移计算暂未加入该功能，漂移还没测试。
其它图片就不上了太占空间，下面是仿真图，调试时增加了相位补偿电容（不得已而为之系统相移主要来源）

代码尚未整理注释很少但核心就是几行，附件如下：

部分运算过程：

CosB = (x1*x2+y1*y2)/(sqrt(x1*x1+y1*y1)*sqrt(x2*x2+y2*y2)); //求向量夹角的坐标运算 x/y分别为FFT结果的实部/虚部数据
Phase = acos(CosB)*57.29578; //角度换算
if((x1*y2-x2*y1) < 0) //判断向量夹角方向的坐标运算，0-π Sin符号为正
Phase = -Phase;

复制代码

改进思路：
1.DAC输出信号频谱成分复杂一定条件下运放出现多个极点产生自激和相当多的无用频率成分，增加相位补偿有所减轻，拟增加开关电容滤波器增加几组Rfb 减少极点。
2.输出阻抗100R 设计的测量最小阻抗10R，未设电压通道程控放大，增加差分放大器及模拟开关进行切换，扩大量程。
3.改用4线测量。
4.提升测量频率，I-V转换或将不平衡还在考虑解决方案。
5.参考DDS原理使用相位累加器增设LPF 改善信号质量。
6.固定AD采样率增设抗混叠滤波器。
7.增加USB通信，上位机。

接触LCR尚不久电路、程序还不完善望各位高手不吝赐教一同探讨！

mubei · 发表于 2014-8-3 22:59:27

dsp用在哪里？没看到

Jigsaw · 发表于 2014-8-3 23:02:32

mubei 发表于 2014-8-3 22:59
dsp用在哪里？没看到

他应该指的是数字信号处理，不是指器件

1109 · 发表于 2014-8-3 23:24:22

一直都没有搞懂开关鉴相器的工作原理，LZ可否详细的讲一下，谢谢~

JackFrost · 发表于 2014-8-4 09:14:27

这没用开关鉴相器，是高速AD采样之后进行运算分解得到实部虚部，再计算得到各种参数，这种方式比传统的鉴相器现代多了。运算经过优化后速度也很快，72MHZ的STM32足够足够了，不过对ADC的速度要求较高，还有ADC的分辨率，我当时分析12BIT的ADC是不够的，主参是没问题的，但是LCR表很多情况下希望要准确的副参，这个12BIT就不够用了，我后来用的是AD的200KSPS的16BIT ADC SPI接口的还是，用来采样最高10KHZ。原来想做到100KHZ，用2MSPS的16BIT ADC配合FPGA+STM32架构的，后来实在买不起ADC了，也没地方申请高性能样片只好作罢，。参考信号我没有采用STM32的DAC来做，而是直接用TIM生产稳定的方波再用8阶LPF来实现的，因为当时发现STM32 DAC生成正弦波相位不稳，计算后得出的副参数值跳动的厉害，后来改成这个方式后就稳定多了。自己用感光板DIY出来LCR测试仪还是很准确的。后来人懒了，也没精力搞个壳，就扔在一旁没再玩了，个人感觉搞下LCR测试仪可以学到非常多的东西，很有意义

JackFrost · 发表于 2014-8-4 09:21:28

还有楼主根本没必要采用现成FFT库来做计算，把傅里叶算法吃透，完全可以自己写，很简洁，而且速度快很多倍

一天的蓝 · 发表于 2014-8-4 13:28:41

1109 发表于 2014-8-3 23:24
一直都没有搞懂开关鉴相器的工作原理，LZ可否详细的讲一下，谢谢~

我对相敏检波器的应用并无经验！理解并不深刻您的问题请大师们回答更好~

一天的蓝 · 发表于 2014-8-4 13:35:03

JackFrost 发表于 2014-8-4 09:14
这没用开关鉴相器，是高速AD采样之后进行运算分解得到实部虚部，再计算得到各种参数，这种方式比传统的鉴相 ...

您已走了很远！这样的系统ADC速度和精度影响很大，因为主要考虑内部AD减少连线使用DMA比较方便~所以用了内部AD DA，12bit够呛噪声也不小现是用改变增益的办法做一些补偿动态范围并不大。
AD和DA触发时钟锁定在64:200 测量的初相很稳定又因为是通过向量坐标算夹角所以测得相位差大约只在千位跳一个字下一步也准备统计出各参数的分布如果符合期望是可以改进的！几百SPS的计算可以做很多事了。
DA&DMA合成的正弦波 10k的频率和相位还没有发现异常，或许是因为这样设计的初相稳定的缘故，我认为更大的问题是其谐波，如果被测网络是电容这样的频率特性谐波在I-V转换电路中的增益比基波还大极易自激，考虑增加开关电容滤波器或是LPF！

mcu5i51 · 发表于 2014-8-4 15:56:11

不错,有时间做一个

lht5631080 · 发表于 2014-8-21 18:30:13

LCR副参主要取决于相位差，不知STM32的DSP库3种采样FFT后，实际相位分辨率能做到多少。

WITSOFT · 发表于 2014-12-27 21:53:18

收藏了。准备试试

qiaogang2006 · 发表于 2015-1-8 09:26:52

一天的蓝：
看了你的设计，有两点疑问，请赐教：
1、为什么你的未知阻抗上的电压测量（U3输出）没有信号放大处理，如果测量很小的电阻（比如1欧），U3上岂不是采不到电压值。

2、采样电阻上的电压测量，看你的设计只用了两个采样电阻，如果用多个采样电阻取代后面的可编程放大器，效果应该优于后者吧。

一天的蓝 · 发表于 2015-1-8 17:33:49

qiaogang2006 发表于 2015-1-8 09:26
一天的蓝：
看了你的设计，有两点疑问，请赐教：
1、为什么你的未知阻抗上的电压测量（U3输出）没有信号放 ...

1.输出阻抗100欧，设计测量的最小阻抗在1欧左右 12bit ADC有10个字读数就没有设置放大电路，再小的话就接近底噪了增设放大器可以改善
2.牺牲PGA的动态范围的设计，如果PGA级数不够多就要增设采样电阻了，这里没有留裕量增加两对采样电阻效果会好一些

因为只是为了验证该方案的可行性，所以电路是非常精简的元器件也没有认真地选型，思路可行还需改进才可实用

migrant · 发表于 2015-2-9 11:28:09

一天的蓝发表于 2015-1-8 17:33
1.输出阻抗100欧，设计测量的最小阻抗在1欧左右 12bit ADC有10个字读数就没有设置放大电路，再小的话就 ...

请教个电路公式
对于FFT计算的结果Zx和相位，如果是RC并联等效电路，实际电容值、电容损耗和电阻值的公式怎样计算？
数学都丢给老师了，网上查了一下也不是很理解
谢谢

chinaboy25 · 发表于 2016-10-14 15:35:54

收藏了。准备试试

xxc007 · 发表于 2016-10-29 10:17:27

果断收藏

KunShan_a_dai · 发表于 2016-10-29 10:36:01

不错，学习了

xukaiming · 发表于 2016-12-7 09:21:53

这个帖子我觉得荧光至酷啊

taoworking · 发表于 2016-12-7 10:07:15

这个可以学习一下。

pic_flash · 发表于 2016-12-23 10:16:12

谢谢，学习了

主楼一区401 · 发表于 2016-12-23 11:06:00

学习了，收藏

l.htlht · 发表于 2016-12-25 10:47:06

基于STM32 DSP的LCR表

Xiyuhexuan · 发表于 2016-12-25 11:37:24

呵呵可以得啊

Xiyuhexuan · 发表于 2016-12-25 11:42:05

果断mark！

stevenh · 发表于 2016-12-25 20:56:00

谢谢分享！

ddcour · 发表于 2018-1-21 14:09:31

本帖最后由 ddcour 于 2018-1-21 14:48 编辑

JackFrost 发表于 2014-8-4 09:14
这没用开关鉴相器，是高速AD采样之后进行运算分解得到实部虚部，再计算得到各种参数，这种方式比传统的鉴相 ...

大师！DAC用DMA来产生的也会相位不稳定么？

moment · 发表于 2018-5-4 06:30:55

先mark，以后多加学习。

xxc007 · 发表于 2018-8-19 16:38:43

楼主好强

122402902 · 发表于 2018-9-3 20:32:25

学习了 mark一下

Garrys · 发表于 2018-9-3 21:35:41

2013年花了几千买了一台LCR数字电桥，2010年出厂的，里面的微机部分居然是用8031做的方案，还外挂了几个EPROM,其中一个是陶瓷的，中间还有个圆窗，能看到里面的芯片，看上去很高大上。。。那机器里是一整块大主板，其他逻辑芯片，运放电容电阻都是直插的

Garrys · 发表于 2018-9-3 21:37:57

楼主能自己设计制作LCR感觉很强，虽然不懂这些深奥的理论，也得见识一下，谢谢分享！

wsammy880 · 发表于 2018-10-16 21:23:48

good topic

crazy_stone · 发表于 2019-3-25 00:51:20

向大师学习，致敬

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阿莫论坛20周年了！感谢大家的支持与爱护！！

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