DIY数字电桥说明(4)

2020-03-27 19:58

5键(Q键):参数切换键,向左 5键(F键):参数切换键,向右 6键(Rng键):快速校准时使用

首次使用时,请设置好这些参数,否则LCR表无法正常工作。 如果对LCR表的副参数精度要求不高,直接采用默认值即可。 六、校准LCR表

校准前,请选检查信号源输出的幅度是否正确。即100Hz约200mV峰值,1kHz约180mV峰值,7.8Hz约190mV峰值。幅值大了10%不可以,小了10%不要紧。接线无误,100Hz与1kHz档的幅值是确定的,无须调整,7.8kHz档有可能偏差,请检查。

菜单7为调校菜单,共10个参数,标识为M0、M1、M2、M3、M4、M5、M6、M7、M8、M3.,M4.,M5.,M6.,M7.,M8.,phX含意如下:

M0是100Hz时的零点校准。默认值是20,单位是“字”。 M1是1kHz时的零点校准。默认值是20,单位是“字”。 M2是7.8kHz时的零点校准。默认值是14,单位是“字”。

M3指V/I变换器20欧档的相位补偿值。默认值是0,单位是“0.001弧度”。 M4指V/I变换器1k欧档的相位补偿值。默认值是0,单位是“0.001弧度”。 M5指V/I变换器10k相位补偿值。默认值是2,单位是“0.001弧度”。 M6指V/I变换器100k相位补偿值。默认值是23,单位是“0.001弧度”。 M7指第二可控增益运放的相位补偿。默认值是18,单位是“0.001度”。 M8指第一可控运放的相位补偿值。默认值是18,单位是“0.001弧度”。 M3.是V/I变换器20欧下臂电阻校准。默认值是0,单位是百分之0.01。 M4.是V/I变换器1k欧下臂电阻校准。默认值是0,单位是百分之0.01。 M5.是V/I变换器10k欧下臂电阻校准。默认值是0,单位是百分之0.01。 M6.是V/I变换器100k欧下臂电阻校准。默认值是0,单位是百分之0.01。 M7.指第二可控增益运放的增益校准。默认值是0,单位是百分之0.01。 M8.指第一可控运放的相位增益校准。默认值是0,单位是百分之0.01。 phX指1kHz档的相位校准。默认值是1,单位是“0.001弧度”。 在LCD1602版中,以上15参数分别表示为:

Z0、Z1、Z2、R1X、R2X、R3X、R4X、G1X、G2X、R1、R2、R3、R4、G1、G2 如果参数设置乱了,可以连续按5次C键(清除键)恢复为默认值,再按L键保存。 测量之前,需准备好几个电阻:

校准V/I变换器,需四个已知阻值电阻:20欧、1k、10k、100k 校准可控增益放大器,需两个已知阻值电阻、3.3k、10k欧

在1kHz和7.8kHz下、分别在相应的档位接入20、1k、10k、100k被测电阻,上下臂的可控增益状态必须相同,否则无法进行幅、相校准。用“M+R”键进入检查菜单,显示为“1,1”说明上下桥臂相对平衡,且信号放大采用了同一增益。如果是“1,0”或“0,1”说明信号幅度不正确。

(一)调校零点偏移(M0、M1、M2参数)

零点调校这是LCR表主参数准确的前提。是调校的第一步。 100Hz的零点调校参数是M0调校步骤: 1、频率置为100Hz,档位置为10k欧 2、接上1%精度的10欧电阻

3、在菜单1(启动后的默认菜单)中读取R值

用10k档测量10欧电阻,精度会比较差的,读值跳动2%是正常的,因此,读取平均值即可。如果读值与10欧偏离超过2%,则应调整M0的值。

1kHz和7.8kHz的零点调校参数是M1和M2,须把频率设置为1kHz和7.8kHz。 (二)V/I变换器、后级放大器相位补偿(M3、M4、M5、M6、M7、M8) 这些项是相位误差补偿的千分数

(三)V/I变换器、后级放大器幅度补偿M3.、M4.、M5.、M6.、M7.、M8. 这些项是幅度相对误差万分数。 (四)快速校准:

以上校准,实际操作比较麻烦。实际校准,可以采用快速校准法。 进入菜单7之后,用Q(向左)或F(向右)键换各参数。

1、M0(Z0)校准,接入10欧电阻,按Rng进入测量值显示状态,档位会自动切换,按X或R键进行增减,使R读值为10欧,按Rng退出。(须调校)

2、M1(Z1)校准同M0。(须调校) 3、M2(Z2)校准同M0。(须调校)

4、M3(RX1)校准,接入20欧被测电阻,按Rng进入测量值显示状态,按X或R键进行增减,使Q读值为0(四线法),按Rng退出。 (建议校准,通常为-1)

5、M4(RX2)校准,接入1k欧电阻,按Rng进入测量值显示状态,按X或R键进行增减,使Q读值为0,按Rng退出。 (建议校准,通常为0或-1)

6、M5(RX3)校准,接入10k欧电阻,按Rng进入测量值显示状态,按X或R键进行增减,使显示值为开路残余电容值。 (须校准,采用TL084,约为1或2)

7、M6(RX4)校准,接入100k欧电阻,校准方法同M5。(须校准,采用TL084,约为20左右)

8、M7(GX1)校准,接入3.3k欧电阻,校准方法同M5。(须校准,采用TL084,约为18左右)

9、M8(GX2)校准,接入10k欧电阻,校准方法同M5。(须校准,采用TL084,约为17左右)

10、M3. (R1)校准,接入已标定的20欧电阻,校准方法同M0。 (如果电阻筛选精确,本档可不校准,置0即可)

11、M4. (R2)校准,接入已标定的1k欧电阻,校准方法同M0 。(如果电阻筛选精确,本档可不校准,置0即可)

12、M5. (R3)校准,接入已标定的10k欧电阻,校准方法同M0。(如果电阻筛选精确,本档可不校准,置0即可)

13、M6. (R4)校准,接入已标定的100k欧电阻,校准方法同M0。(如果电阻筛选精确,本档可不校准,置0即可)

14、M7. (G1)校准,接入已标定的3.3k欧电阻,校准方法同M0。(如果电阻筛选精确,本档可不校准,置0即可)

15、M8. (G2)校准,接入已标定的10k欧电阻,校准方法同M0。(如果电阻筛选精确,本档可不校准,置0即可)

16、M9. (phX)校准,是1kHz各档的相位校准。默认值为1。接上1k电阻,在1kHz、1k欧档测量,如果Q值不为0,请调整该参数,使Q值为0

每次按下按键,蜂鸣器响起,单片机电流变大,引起测量不稳,所以要等蜂鸣器停响才会稳定。

校准M0、M1、M2时,读值跳动比较多,取平均值即可。LCD1602版,屏上会提示待接入电阻的阻值。然后按下X或R键调整,校准到1%精度左右。

相位校准时,残余值(如残余电容)也跳得比较多,要尽量校准到0.1pF的精度。如开路3.7pF,接上100k后,也须是3.7pF。也可以接上一个高Q的220pF独石电容复核,Q值须显示为500至999,且并联电抗最好是正负高阻跳变。

GX1与GX2的值几乎是相同的,因为,TL084运放的移相与闭环增益成正比,设比例系数是k,那么对于9倍增益档,档位切换后附加移相为k(9-1)=8k,对于3倍增益档为

k(13/1-13/3)=8.7k,这就是说,GX1/GX2 = 8.7/8 = 1.1。因此,调试后,正常情况下GX1比GX2大10%左右。同样道理,RX3应为RX4的1/10

校准RX1时,采用四线法。如果采用二线法,应校准到串联电感为短路残余电感。

我的LCD1602版LCR表参数:

Z0=20,Z1=19,Z2=14(这3个参数,是R37=10欧条件下的,如果R37=20欧,这三个参数会增加50左右)

RX1=-1,R2X=0,RX3=1,RX4=22,G1X=17,G2X=17 R1 =10,R2 =16,R3 =8,R4 =8,G1 = 6,G2 = -8,phX=1

相位校准后,测Q精度有提高,大约有效测量可以提升到300,误差为Q/300,相当于D值误差0.003左右。测得Q=300,即D=0.0033,它的真值0.0033±0.003,或者说Q的真值在150至无穷大之间。

校准后,测量Q大于1000的电容,应显示为999。

请注意,用200pF或200pF以下的独石电容(NPO),应测得高Q(它的Q值可达1000至3000),通常是无极性介质制造的,不同频率下Q基本相同,在这个LCR表中应测为500至999,否则说明LCR表的相位没有校准好。

低阻档相位验证法:用0.38mm的漆包线平绕在1寸给水管上,约60至100圈,此法,不同频率下测得Rs应几乎相同(与直流电阻相同,适用于10kHz以下)

(五)校准原理与注意事项

色环小电阻存在残余电感,1MHz频率下,0.2欧电阻表现出来的电抗已明显含有感抗成份,在5MHz频率下已变成电感了,因此,0.2欧色环电阻的纯阻工作频率估算为1MHz,同样20欧电阻则为100MHz。本电桥工作频率只有7.8kHz,与100MHz频率相差了10000倍。所以感抗可以忽略。因此,20欧色环电阻可以作为标准相位元件。

对于10k欧或100k欧的色环电阻,也可以作为标准相位元件。LCR表存在残余电容,约4pF左右。残余电容会造成移相,这是不可以忽略的。所以,用这些电阻校准相位时,应测得10k(或100k)与残余电容的并联值才是正确的,也就是说,相位校准时,要校准到等效并联电容为开路残余电容。

零点校准Z0、Z1、Z2要事先校准好,它关系到零点误差问题,这是后继RX1、RX2、RX3、RX4及GX1、GX2校准的前提。

零点校准误差,基本不影响R1、R2、R3、R4、G1、G2的校准。因为这六项校准是在桥平稳状态下校准的。

phX校准是为了提高1kHz频率下的相位精度。

100Hz频率下的相位精度,不再进行相位校准,因为这个频率下读值本身存在正负1左右的晃动。

要注意校准的序。零点校准Z0、Z1、Z2必须最先校准;R2校准之后才能校准G1和G2;RX2校准之后才能校准GX1和GX2;phX是1kHz的相位校准是独立的,零点校准之后,即可校准,与其它校准没有关联。R1、R3、R4、RX1、RX3、RX4也是独立的。

推建校准顺序:校Z0、Z1、Z2,再校R1、R2、R3、R4,再校G1、G2,再校RX1、RX2、RX3、RX4,再校GX1、GX2,再校phX

相位校准后,测最630V/CBB电容,1kHz和7.8kHz应测得999左右的结果。100Hz档,正常应为400至999之间晃动。

进行9倍增益校准时,建议采用1kHz与7.8kHz频率的的均值校准。校准之前,先用1k欧档分别在1kHz和7.8kHz测量9.xxx k欧电阻,得知两频率下的偏差。如偏差a,那么校准时采用偏移a/2的目标值校准。例如,校准前测得1kHz和7.8kHz下分别为9.735k与7.725k,显然高频档偏小10字,假设电阻真值是9.710k,那么精确校准到9.710k,1kHz档准了,7.8kHz档就会误差10字,折中的方法就是校准到9.715k欧。 七、关于误差

误差主要来源:

1、AD分辨力、单片机内的DDS噪声等引起的电桥计算误差。约引入0.2%误差。简易测试方法:接入1k电阻,1kHz档校准后,查看7.8kHz与100Hz的测值偏差情况。

2、V/I变换器误差,误差0.15%,这与校准精度、下臂电阻温漂,差动三运放电阻温漂等有关系。校准时,尽量采用99xx阻值电阻,而不要使用10xx电阻。它们的分辨力相差10倍。

3、三倍可控增益校准误差0.1% 4、九倍可控增益校准误差0.1% 5、高阻测量时,还有一些干扰引起误差

主量程内的误差,是上述误差的均方值。即sqrt(0.2^2+0.15^2+0.1^2+0.1^2)%=0.3% 实测比对,误差一般在0.1%至0.3%之间 考虑到长期稳定性问题,误差估计为0.5% 关于基本误差: 基本量程精度是0.5%

Zx电抗在下臂电阻的1/30至50倍时,1kHz档精度达到0.5%,实际上,1kHz下做了一个小测试,测定了100至200k的十个电阻,精度全部达到0.25%左右


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