基于數(shù)字鑒相的自由軸法RLC測量
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在自由軸法測量RLC原理電路(圖1)中，正弦信號發(fā)生器、相敏檢波器及基準(zhǔn)相位發(fā)生器是RLC測量儀的關(guān)鍵部分。
2．1 正弦信號源
為了保證RLC測試儀的精度，要求信號源U0產(chǎn)生的正弦信號波形失真小，幅值穩(wěn)定。自由軸法中，還要求信號源頻率和相敏檢波器相位基準(zhǔn)信號的頻率相同。所以正弦信號源與基準(zhǔn)相位發(fā)生器在電路上密切相關(guān)。為了保證測試精度，采用直接數(shù)字頻率合成DDS技術(shù)產(chǎn)生正弦信號激勵(lì)源。DDS具有系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)，以及相位、頻率精確可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)。圖3所示為采用DDS的正弦信號源及相敏檢波器原理圖。本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/195707.htm
圖3中時(shí)鐘信號CLK經(jīng)分頻器后，得到依次二倍頻率關(guān)系的8路信號，作為ROM1的地址輸入，ROM1存放有256個(gè)按正弦規(guī)律變化的數(shù)據(jù)，即每一個(gè)存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)的樣點(diǎn)數(shù)據(jù)與其地址之間的關(guān)系和正弦波的幅值與時(shí)間軸的關(guān)系一致。在分頻器輸出8路信號作用下，ROM1依次輸出正弦曲線樣點(diǎn)數(shù)據(jù)，經(jīng)D／A轉(zhuǎn)換器后輸出階梯正弦波，再經(jīng)濾波、放大，就得到了測試用的正弦激勵(lì)信號。信號基礎(chǔ)頻率由單片機(jī)的P1．2和P1．3控制，若P1．2，P1．3分別為00，10，01，則基礎(chǔ)頻率廠依次為100 Hz，1 kHz，10 kHz。
2．2 基準(zhǔn)相位發(fā)生器
基準(zhǔn)相位發(fā)生器由ROM2實(shí)現(xiàn)，ROM2的高兩位地址A9，A8由單片機(jī)的P1．1和P1．0提供，低8位地址A7～A0與ROM1地址對應(yīng)相連。ROM2分為4個(gè)區(qū)，每區(qū)有64個(gè)數(shù)據(jù)，分別代表了4組相差90°的正弦波信號值。由P1．0，P1．1選擇不同的區(qū)域。當(dāng)P1．1，P1．0分別為00，01，10，111，ROM2依次輸出相位相差90°的正弦信號(相位參考基準(zhǔn)信號)。
2．3 相敏檢波器
相敏檢波器由乘法型D／A轉(zhuǎn)換器和低通濾波器構(gòu)成。乘法型D／A轉(zhuǎn)換器用于實(shí)現(xiàn)數(shù)字鑒相。ROM2輸出的8位數(shù)字式基準(zhǔn)正弦信號送到8位乘法型D／A轉(zhuǎn)換器，與加至D／A轉(zhuǎn)換器參考電壓VREF端的被測電壓UX(或US)相乘，再經(jīng)低通濾波便得到被測信號UX(或US)在坐標(biāo)軸上的投影分量。分析如下，先使P1．1，P1．0＝00，設(shè)ROM2輸出正弦信號為cos(ωt)，被測信號UX=Umcos(ωt+ψ)，經(jīng)乘法型D／A后輸出為：
再經(jīng)低通濾波器后輸出為Umcosψ，它是被測信號UX在x坐標(biāo)軸上的投影。然后使P1．1，P1．0=01，實(shí)現(xiàn)90°移相操作，此時(shí)ROM2輸出為cos(ωT+π／2)，被測信號UX仍然為Umcos(ωt+ψ)，D／A轉(zhuǎn)換器輸出為：
經(jīng)低通濾波可以得到UX在y坐標(biāo)軸上的投影分量Umsin ψ信號。
同理，可以得到US在x，y坐標(biāo)軸上的投影分量。
3 結(jié) 語
本電路所采用的數(shù)字相敏檢波器比傳統(tǒng)的模擬相敏檢波器具有無法比擬的優(yōu)點(diǎn)。通過乘法型D／A轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)字鑒相，減少了傳統(tǒng)模擬鑒相器開關(guān)動(dòng)作過程中出現(xiàn)的尖脈沖，提高了測量精度；兩個(gè)相互垂直的相位參考基準(zhǔn)信號通過ROM2準(zhǔn)確獲得，相位參考基準(zhǔn)信號電路比模擬相敏檢波器大大簡化；此外鑒相器使用D／A轉(zhuǎn)換器后電路的溫度系數(shù)進(jìn)一步減小。
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