一种大范围高精度的RLC测量装置及测量方法.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104330640 A (43)申请公布日 2015.02.04 CN 104330640 A (21)申请号 201410679911.1 (22)申请日 2014.11.24 G01R 27/14(2006.01) G01R 27/26(2006.01) (71)申请人 武汉大学 地址 430072 湖北省武汉市武昌区珞珈山武 汉大学 (72)发明人 李希希 李卓 熊畅 翁新烁 陈小桥 (74)专利代理机构 武汉科皓知识产权代理事务 所 ( 特殊普通合伙 ) 42222 代理人 鲁力 (54) 发明名称 一种大范围高精度的 RLC 测量装置及测量方 法 (57) 。

2、摘要 本发明涉及一种电器元件测量装置， 特别涉 及一种大范围高精度的 RLC 测量装置及测量方 法。本发明包括测量电路， 按键及通道选择电路、 显示电路。所述的测量电路包括双运放构成的 用来测量电阻电容的恒流源电路及用于测量电感 的 LC 振荡电路。按键与通道选择电路包括键盘 以及多通道模拟开关。显示电路包括蜂鸣器电路 和 LCD 显示屏。本发明能够实现对于电阻， 电容， 电感的自动测量， 范围大， 精度高， 多档位， 实时显 示， 可以用于实验室， 竞赛培训， 电子电气工程师 测量工作以及任何需要 RLC 测量的场合， 应用需 要较广。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 5。

3、 页 附图 4 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书2页 说明书5页 附图4页 (10)申请公布号 CN 104330640 A CN 104330640 A 1/2 页 2 1. 一种大范围高精度的 RLC 测量装置， 其特征在于， 包括测量电路， 按键及通道选择电 路， 显示电路 ； 以及单片机MSP430F6638和FPGA ； 其中按键与通道选择电路以及显示连接到 FPGA 的外设接口上面 ； 所述的测量电路包括双运放构成的用来测量电阻电容的恒流源电 路及用于测量电感的 LC 振荡电路 ； 其中恒流源的输出 V1out 接待测电阻 RL 以及电容测。

4、量 电路中单向选择开关 TS12A4516-1 的 V1out ； 所述的测量电路包括双运放构成的用来测量电阻电容的恒流源电路及用于测量电感 的 LC 振荡电路， 输出接 FPGA ； 所述电阻测量电路包括由仪表放大器INA133和精密放大器OPA228构成的双运放恒流 源电路， 还包括4V电压参考芯片REF5040以及22位AD芯片ADS1212， 电阻测量采用恒流源 基于欧姆定律利用欧姆定律线性化 ； 其中 INA133 的输出接 OPA228 正相输入， OPA228 的正相输入即为恒流源的输出 V1out， V1out 接 ADS1212 的 AINN 作为输入 ； 4V 电压参考芯片。

5、 REF5040 的输出接 INA133 的输入， 提 供稳定的电压 ； ADS1212 的 SCLK， SDIO， SDOUT， DRDY 接入 FPGA 进行控制 ； 其中 VC1 通过键 盘由 FPGA 输出高低电平进而控制继电器触点 K1， K2， K3， K4， K5 的通断， 继电器驱动电路中 的 Kx 即为 K1， K2， K3， K4， K5 ； 所述电容测量电路与电阻测量电路公用同一个由仪表放大器 INA133 和精密放大器 OPA228 构成的双运放恒流源电路， 还包括 2V 电压参考芯片 REF5020， 比较器 TLV3501， 单向 选择开关 TS12A4516-1 。

6、； 电容采用恒流源实现了电容容值与充电时间的线性化关系 ； 其中信号由电容测量通道选择开关TS12A4516-1的V1out输入， 信号经过TS12A4516-1 控制接入待测电容CL， 2V参考电压芯片REF5020接到比较器TLV3501的正相输入端， VC2接 到 FPGA 来控制， TS12A4516-1 的输出接入 TLV3501 的反相输入端， 比较器的输出 OUT 接到 FPGA， FPGA 在 OUT 输出出现下降沿的时候对 TS12A4516-2 进行控制 VC2， 使其导通， 从而待 测电容接地进行放电， FPGA 计数从 VC2 控制电容开始充电到 OUT 输出下降沿为止。

7、的时钟脉 冲数， 从而获得电容充电时间 ； 所述LC振荡电路包括包括集成的压控振荡器MC1648振荡电路以及其输出信号的放大 整形电路 ； MC1648 作为独立的测量模块， 有四路继电器实现档位的切换， 其中 VC4 通过键盘由 FPGA 控制高低电平进而控制继电器 K1， K2， K3， K4， K5 是否导通， 继电器驱动电路中的 Kx 即 为K6， K7， K8， K9 ； MC1648的输出经过隔直电容C5接放大器OPA690对输出信号饱和放大后， 输出接 TLV3501 的输入， 经过滞回比较输出稳定的方波， TLV3501 的输出 OUT2 接入 FPGA 进 行频率测量 ； 按。

8、键及通道选择电路包括包括键盘， 继电器和模拟开关 TS12A4516 ； 显示电路包括蜂鸣器电路和 LCD 显示屏 LCD12864。 2.一种采用权利要求1所述的大范围高精度的RLC测量装置的测量方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 测量电阻步骤 ： 由仪表放大器 INA133 和精密放大器 OPA228 构成的双运放恒流源电路输出恒定的电 流 ； 公式 ： Io (V3-V2)/R 权 利 要 求 书 CN 104330640 A 2 2/2 页 3 电阻测量根据欧姆定律 ： R V/I 求出电阻的大小， 其中被测电阻两端的电压由高分辨率 A/D 转换芯片 ADS1212 进行电 压采样。

9、得到， 另外采用精密电阻作为参考基准进行误差拟合校正， 提高测量精度 ； 为了使得输出的电流电压值在合适的范围内， 不同测量范围的电阻采用不同的参考电 阻， 这里根据常用电阻范围将其分为了多档 ； 通过继电器选择档位， 由键盘输入来控制， 测 量结果可以通过单片机 MSP430F6638 由 LCD12864 显示 ； 电容测量步骤 ： 由仪表放大器 INA133 和精密放大器 OPA228 构成的双运放恒流源电路输出恒定的电 流 ； 公式 ： Io (V3-V2)/R 电容测量基于电容充放电原理， 电流恒定， 充电时间与充电电压成线性关系 ； 公式 ： V Q/C It/C 由高分辨率的 A。

10、D 测量电容充电到达某一定值， 从而根据以上公式求得电容的大小 ； 为了使的充电时间在合适的范围内， 不同测量范围的电容采用不同的参考电阻， 这里 根据常用电容范围将其分为了多档 ； 通过单向模拟开关控制电路是否选通， 由键盘输入来 控制 ； 测量结果可以通过单片机 MSP430F6638 由 LCD 显示 ； 电感测量步骤 电感测量采用集成的压控振荡器 MC1648 形成振荡回路， 电路很稳定 ； 根据振荡公式 ： 从而求出电感的大小 ； 为了使的振荡频率在合适的范围内， 不同测量范围的电感采用 不同的电容形成振荡回路， 这里根据常用电感范围将其分为了多档 ； 通过模拟开关选择档 位， 由键。

11、盘输入来控制。 权 利 要 求 书 CN 104330640 A 3 1/5 页 4 一种大范围高精度的 RLC 测量装置及测量方法 技术领域 0001 本发明涉及一种电器元件测量装置， 特别涉及一种大范围高精度的 RLC 测量装置 及测量方法。 背景技术 0002 电阻、 电容和电感的测量是实验室以及电子电气工程师经常需要测量的电参数。 目前市场上面常用的万用表一测量电阻为主， 而可以用来测量电感电阻电容的一般又比较 简易， 范围小， 精度低， 且不稳定， 不具有大范围高精度的测量功能。因此， 设计可靠， 安全， 便捷的 RLC 测试装置有很大的现实必要性。 发明内容 0003 本发明主要是。

12、解决现有技术所存在的技术问题 ； 提供了一种较为简单、 易于实现 的测量电阻、 电容和电感的装置， 实现大范围、 高精度的测量。 0004 本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的 ： 0005 一种大范围高精度的 RLC 测量装置， 其特征在于， 包括测量电路， 按键及通道选择 电路， 显示电路 ； 以及单片机MSP430F6638和FPGA ； 其中按键与通道选择电路以及显示电路 连接到 FPGA 的外设接口上面 ； 所述的测量电路包括双运放构成的用来测量电阻电容的恒 流源电路及用于测量电感的 LC 振荡电路 ； 其中恒流源的输出 V1out 接待测电阻 RL 以及电 容测量电。

13、路中单向选择开关 TS12A4516-1 的 V1out ； 0006 所述的测量电路包括双运放构成的用来测量电阻电容的恒流源电路及用于测量 电感的 LC 振荡电路， 输出接 FPGA ； 0007 所述电阻测量电路包括由仪表放大器INA133和精密放大器OPA228构成的双运放 恒流源电路， 还包括4V电压参考芯片REF5040以及22位AD芯片ADS1212， 电阻测量采用恒 流源基于欧姆定律利用欧姆定律线性化 ； 其中 INA133 的输出接 OPA228 正相输入， OPA228 的正相输入即为恒流源的输出 V1out， V1out 接 ADS1212 的 AINN 作为输入 ； 4V。

14、 电压参考芯 片 REF5040 的输出接 INA133 的输入， 为恒流源提供稳定的电压 ； ADS1212 的 SCLK， SDIO， SDOUT， DRDY 接入 FPGA 进行控制 ； 其中 VC1 通过键盘由 FPGA 输出高低电平进而控制继电器 触点 K1， K2， K3， K4， K5 的通断， 继电器驱动电路中的 Kx 即为 K1， K2， K3， K4， K5 ； 0008 所述电容测量电路与电阻测量电路共用同一个由仪表放大器 INA133 和精密放大 器 OPA228 构成的双运放恒流源电路， 还包括 2V 电压参考芯片 REF5020， 比较器 TLV3501， 单 向选。

15、择开关 TS12A4516-1 ； 电容采用恒流源实现了电容容值与充电时间的线性化关系 ； 0009 其中信号由电容测量通道选择开关 TS12A4516-1 的 V1out 输入， 信号经过 TS12A4516-1 控制接入待测电容 CL， 2V 参考电压芯片 REF5020 接到比较器 TLV3501 的正相 输入端， VC2 接到 FPGA 来控制， TS12A4516-1 的输出接入 TLV3501 的反相输入端， 比较器的 输出 OUT 接到 FPGA， FPGA 在 OUT 输出出现下降沿的时候对 TS12A4516-2 进行控制 VC2， 使 其导通， 从而待测电容接地进行放电， 。

16、FPGA 计数从 VC2 控制电容开始充电到 OUT 输出下降 说 明 书 CN 104330640 A 4 2/5 页 5 沿为止的时钟脉冲数， 从而获得电容充电时间 ； 0010 所述LC振荡电路包括包括集成的压控振荡器MC1648振荡电路以及其输出信号的 放大整形电路 ； 0011 MC1648 作为独立的测量模块， 有四路继电器实现档位的切换， 其中 VC4 通过键盘 由 FPGA 控制高低电平进而控制继电器 K1， K2， K3， K4， K5 是否导通， 继电器驱动电路中的 Kx 即为 K6， K7， K8， K9 ； MC1648 的输出经过隔直电容 C5 接放大器 OPA690。

17、 对输出信号饱和放大 后， 输出接 TLV3501 的输入， 经过滞回比较输出稳定的方波， TLV3501 的输出 OUT2 接入 FPGA 进行频率测量 ； 0012 按键及通道选择电路包括包括键盘， 继电器和模拟开关 TS12A4516 ； 0013 显示电路包括蜂鸣器电路和 LCD 显示屏 LCD12864。 0014 一种采用大范围高精度的 RLC 测量装置的测量方法， 其特征在于， 包括以下步骤 ： 0015 测量电阻步骤 ： 0016 由仪表放大器INA133和精密放大器OPA228构成的双运放恒流源电路输出恒定的 电流 ； 公式 ： 0017 Io (V3-V2)/R 0018 。

18、电阻测量根据欧姆定律 ： 0019 R V/I 0020 求出电阻的大小， 其中被测电阻两端的电压由高分辨率 A/D 转换芯片 ADS1212 进 行电压采样得到， 另外采用精密电阻作为参考基准进行误差拟合校正， 提高测量精度 ； 0021 为了使得输出的电流电压值在合适的范围内， 不同测量范围的电阻采用不同的参 考电阻， 这里根据常用电阻范围将其分为了多档 ； 通过继电器选择档位， 由键盘输入来控 制， 测量结果可以通过单片机 MSP430F6638 由 LCD12864 显示 ； 0022 电容测量步骤 ： 0023 由仪表放大器INA133和精密放大器OPA228构成的双运放恒流源电路输。

19、出恒定的 电流 ； 公式 ： 0024 Io (V3-V2)/R 0025 电容测量基于电容充放电原理， 电流恒定， 充电时间与充电电压成线性关系 ； 公 式 ： 0026 V Q/C It/C 0027 由高分辨率的 AD 测量电容充电到达某一定值， 从而根据以上公式求得电容的大 小 ； 0028 为了使的充电时间在合适的范围内， 不同测量范围的电容采用不同的参考电阻， 这里根据常用电容范围将其分为了多档 ； 通过单向模拟开关控制电路是否选通， 由键盘输 入来控制 ； 测量结果可以通过单片机 MSP430F6638 由 LCD 显示 ； 0029 电感测量步骤 ： 0030 电感测量采用集成。

20、的压控振荡器 MC1648 由外部电感和电容形成振荡回路， 电路 很稳定， 输出频率稳定性高 ； 根据振荡公式 ： 0031 0032 从而求出电感的大小 ； 为了使的振荡频率在合适的范围内， 不同测量范围的电感 说 明 书 CN 104330640 A 5 3/5 页 6 采用不同的电容形成振荡回路， 这里根据常用电感范围将其分为了多档 ； 通过模拟开关选 择档位， 由键盘输入来控制。 0033 因此， 本发明具有如下优点 ： 能够实现对于电阻， 电容， 电感的自动测量， 范围大， 精度高， 多档位， 实时显示， 可以用于实验室， 竞赛培训， 电子电气工程师测量工作以及任何 需要 RLC 测。

21、量的场合， 应用需要较广。 附图说明 0034 图 1 本发明的系统结构示意图。 0035 图 2 本发明中涉及的双运放恒流源电路图。 0036 图 3 本发明中涉及的电阻测量电路图。 0037 图 4 本发明中涉及的电容测量电路图。 0038 图 5 本发明中涉及的电感测量电路图。 具体实施方式 0039 下面通过实施例， 并结合附图， 对本发明的技术方案作进一步具体的说明。 0040 实施例 ： 0041 如图1所述的一种RLC测量装置， 包括测量电路， 按键及通道选择电路、 显示电路。 0042 包括测量电路， 按键及通道选择电路以及显示电路。其中按键与通道选择电路以 及显示连接到 FP。

22、GA 的外设接口上面。 0043 所述的测量电路包括双运放构成的用来测量电阻电容的恒流源电路及用于测量 电感的 LC 振荡电路。 0044 其中恒流源的输出 V1out 接待测电阻 RL 以及电容测量电路中 TS12A4516-1 的 V1out( 电容测量电路的输入 )。 0045 电阻测量电路由仪表放大器INA133和精密放大器OPA228构成的双运放恒流源电 路， 还包括4V电压参考芯片REF5040以及22位AD芯片ADS1212， 电阻测量采用恒流源基于 欧姆定律利用欧姆定律线性化。 0046 其中 INA133 的输出接 OPA228 输入， OPA228 的输出即为恒流源的输出 。

23、V1out， V1out 接 ADS1212 的 AINN 作为输入。4V 电压参考芯片 REF5040 的输出接 INA133 的输入， 提供稳定的电压。ADS1212 的 SCLK， SDIO， SDOUT， DRDY 接入 FPGA 进行控制。其中 VC1 通过 键盘由 FPGA 控制高低电平进而控制继电器 K1， K2， K3， K4， K5 是否导通， 继电器驱动电路中 的 Kx 即为 K1， K2， K3， K4， K5。 0047 电容测量电路与电阻测量电路公用同一个由仪表放大器 INA133 和精密放大器 OPA228 构成的双运放恒流源电路， 还包括 2V 电压参考芯片 RE。

24、F5020， 比较器 TLV3501， 单向 选择开关 TS12A4516。电容采用恒流源实现了线性时间化。 0048 其中信号由 TS12A4516-1 的 V1out 输入， 信号经过 TS12A4516-1 控制接入待测电 容CL， 2V参考电压芯片REF5020接到比较器TLV3501的正相输入端， VC2接到FPGA来控制， TS12A4516-1 的输出接入 TLV3501 的反相输入端， 比较器的输出 OUT 接到 FPGA， FPGA 在 OUT 输出低电平的时候对 TS12A4516-2 进行控制 VC2， 使其导通， 从而待测电容接地进行放电， FPGA 记录充电时间。 说。

25、 明 书 CN 104330640 A 6 4/5 页 7 0049 电感测量采用稳定的压控振荡器形成振荡回路实现了被测参数的频率化。 0050 包括集成的压控振荡器 MC1648 振荡电路以及其输出信号的放大整形电路。 0051 MC1648 作为独立的测量模块， 有四路继电器实现档位的切换， 其中 VC4 通过键盘 由 FPGA 控制高低电平进而控制继电器 K1， K2， K3， K4， K5 是否导通， 继电器驱动电路中的 Kx 即为 K6， K7， K8， K9。MC1648 的输出经过隔直电容 C5 接放大器 OPA690 对输出信号饱和放大 后， 输出接 TLV3501 的输入， 。

26、经过滞回比较输出稳定的方波， TLV3501 的输出 OUT2 接入 FPGA 进行频率测量。 0052 按键及通道选择电路包括键盘， 继电器和模拟开关 TS12A4516。 0053 显示电路包括蜂鸣器电路和 LCD 显示屏 LCD12864。 0054 本发明为一种大范围高精度的 RLC 测量装置， 具体实现方法如下 ： 0055 1. 测量电阻。 0056 由仪表放大器 INA133 和精密放大器 OPA228 构成的双运放恒流源电路。如图 2 方 框内的 4 个电阻其数值是一样的。即输出恒定的电流。公式 ： 0057 Io (V3-V2)/R 0058 由公式可看出 ： 当 V32 幅。

27、度与 R 的数值恒定不变时， Io 恒定输出且与负载电阻 Load的数值大小无关(在运放的线性工作区域以内)。 通过精密的基准芯片提供输入电压。 电阻测量根据欧姆定律 ： 0059 R V/I 0060 可以求出电阻的大小， 其中被测电阻两端的电压由高分辨率 A/D 转换芯片 ADS1212 进行电压采样得到， 另外采用精密电阻作为参考基准进行误差拟合校正， 提高测量 精度。 0061 为了使的输出的电流电压值在合适的范围内， 不同测量范围的电阻采用不同的参 考电阻， 这里根据常用电阻范围将其分为了多档。通过继电器选择档位， 由键盘输入来控 制。 0062 测量结果可以通过单片机 MSP430。

28、F6638 由 LCD12864 显示。 0063 2. 电容测量 0064 如附图 4 由仪表放大器 INA133 和精密放大器 OPA228 构成的双运放恒流源电路。 如图 2 方框内的 4 个电阻其数值是一样的。即输出恒定的电流。公式 ： 0065 Io (V3-V2)/R 0066 由公式可看出 ： 当 V32 幅度与 R 的数值恒定不变时， Io 恒定输出且与负载电阻 Load 的数值大小无关 ( 在运放的线性工作区域以内 )。通过精密的基准芯片 REF5040 提供 输入电压。 0067 电容测量基于电容充放电原理， 电流恒定， 充电时间与充电电压成线性关系。公 式 ： 0068 。

29、V Q/C It/C 0069 由高分辨率的 AD 测量电容充电到达某一定值， 从而根据以上公式求得电容的大 小。 0070 为了使的充电时间在合适的范围内， 不同测量范围的电容采用不同的参考电阻， 这里根据常用电容范围将其分为了多档。通过单向模拟开关控制电路是否选通， 由键盘输 说 明 书 CN 104330640 A 7 5/5 页 8 入来控制。 0071 测量结果可以通过单片机 MSP430F6638 由 LCD 显示。 0072 3. 电感测量 0073 如附图 5， 电感测量采用集成的压控振荡器 MC1648 形成振荡回路， 输出频率稳定 性很高。根据振荡公式 ： 0074 007。

30、5 从而求出电感的大小。 0076 为了使的振荡频率在合适的范围内， 不同测量范围的电感采用不同的电容形成振 荡回路， 这里根据常用电感范围将其分为了多档。 通过模拟开关选择档位， 由键盘输入来控 制。 0077 本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。 本发明所属技术领 域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替 代， 但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。 说 明 书 CN 104330640 A 8 1/4 页 9 图 1 图 2 说 明 书 附 图 CN 104330640 A 9 2/4 页 10 图 3 说 明 书 附 图 CN 104330640 A 10 3/4 页 11 图 4 说 明 书 附 图 CN 104330640 A 11 4/4 页 12 图 5 说 明 书 附 图 CN 104330640 A 12 。