毕业论文(虚拟LCR测试仪的研究与设计)

本科生毕业论文（设计）中文题目虚拟LCR测试仪的研究与设计英文题目ResearchandDevelopmentofVirtualLCRInstrument学生姓名李维博班级650505学号65050537学院仪器科学与电气工程专业电气工程及其自动化指导教师张秉仁职称教授中文摘要近年来出现的虚拟仪器突破了传统仪器的束缚，是仪器发展史上的一次革命。本文研究并设计了基于虚拟仪器技术的LCR测试仪，并以LabVIEW为软件平台，开发了相应的控制界面。该LCR测试仪采用经典的阻抗测量方法——自由轴法，实现对被测参数的测量。系统由软硬件两部分组成。硬件部分通过FPGA制作的地址译码器锁存电路实现与单片机的通信；通过FPGA制作的数字波形ROM，实现正弦波激励源及四路基准相位信号的发生；采用模拟乘法器芯片AD5428实现全波鉴相；采用A/D转换芯片ADS1232实现模数转换功能。软件部分采用虚拟仪器软件平台LabVIEW开发应用程序，实现数据的处理与操作界面的设计。LCR测试仪通过计算机串口实现与计算机的通信。设计的基于虚拟仪器技术的LCR测试仪工作稳定，取得了良好效果。关键词LCR测试串行通信FPGALabVIEW外文摘要TitleResearchandDevelopmentofVirtualLCRInstrumentAbstractInrecentyears,theemergenceofthevirtualinstrumentisarevolutioninthehistoryofthedevelopment.Itbreakstheshacklesofthetraditionalinstruments,representingthelatestdevelopmenttrendoftheinstrument.Inthisresearch,thestructureanddesignofvirtualLCRtesterwhichisbasedonvirtualinstrumenttechnologyarestudied.Theconstructionprocessisalsodescribedandintroduced.AndthesoftwareplatformadoptsgraphicvirtualinstrumentsoftwareLabVIEWtodevelopmentthecontrolinterface.ThedesignoftheLCRtestboardbasedonthefree-axismeasurement,oneofthetraditionalmethodofmeasuringthemostclassicvoltammetry.TheresearchdescribestheLCRtestersystemfromtworespects,oneisthehardwareandtheotheristhesoftware.Inthehardwaresystem,useFPGAchipsin-houseproductionofaddressdecoderandlatchcircuittoachievecommunicationswithSingle-ChipMicrocomputer.UseFPGAchipsin-houseproductionofdigitalwaveformROMtoachievethefront-endexcitationsignalandthefour-wayreferencesignal.Twogroupofdiscretedigitalwaveformarecontrolledbythesameaddressaccumulatorandprogrammableclockcontrol,thereforeexcitationsignalandreferencesignalmayguaranteethesamefrequencystrictly.Selectanalogmultiplierphase-sensitivedetectorAD5428coreandusefront-endsinusoidalsignalasareferencesignal,toachievefull-wavephase.UsetheADS1232coretorealizetheanalog-to-digitalconversion..Inthesoftwaresystem,choosetheVirtualinstrumentsoftwareplatformLabVIEWtodevelopapplications,inordertorealizethedataprocessinganduserinterface.TheuniquegraphiclanguageofLabVIEWisapplicabletotheproductionofinstrument’sfrontpaneltoachievethevisualizationofmeasurementresults.LabVIEWprovidesalargenumberofVISAI/Olibrary,torealizewithGPIB,VXIortheserialportcomponent’sinterfacecorrespondence.ThehardwareoftheLCRtestercommunicatewiththecomputethroughthecomputerserial.LCRtesterdesignedbasedonvirtualinstrumenttechnologyworksstability,achievinggoodresults.KeywordsLCRtestingserialcommunicationFPGALabVIEW目录1引言.......................................................11.1论文研究背景.........................................11.2论文研究意义.........................................21.3论文的主要内容.......................................32系统测试原理与总体方案设计.................................42.1LCR测试原理的研究与选择..............................42.2总体方案设计.........................................82.3系统设计中的难点和关键技术...........................93LCR测试仪硬件部分实现....................................103.1硬件系统总体设计....................................103.2硬件电路的设计与实现................................114LCR测试仪软件部分设计....................................204.1LabVIEW简介.........................................204.2LCR测试仪的VI设计..................................205系统测试..................................................265.1系统硬件部分测试....................................265.2系统软件部分测试....................................295.3系统测试及误差分析..................................29总结........................................................32参考文献.....................................................33致谢........................................................35吉林大学本科生毕业论文引言11引言1.1论文研究背景随着计算机技术和软件技术的发展，新的测量方法以及新的仪器结构不断出现。近年来出现的虚拟仪器是仪器发展史上的一次革命，代表着仪器发展的最新方向和潮流。虚拟仪器（VirtualInstrumentation）是指，在以通用计算机为核心的硬件平台上，由用户自己设计定义，具有虚拟的操作面板，测试功能由测试软件来实现的一种计算机仪器系统。它通过应用程序将通用计算机与功能化硬件结合起来，用户可以通过友好的图形界面来操作这台计算机，就像在操作自己定义、自己设计的一台仪器一样，从而完成对被测试量的采集、分析、判断、显示、数据存储等功能。吉林大学虚拟仪器实验室成功的将虚拟仪器技术引入实验室，构建了集信号发生、数据采集、分析处理于一体的可重构实验系统VIETS(虚拟仪器实验教学系统)总线系统。VIETS系统具有低成本、可重构等特点，它可以实现一套系统替代多种仪器设备的目的，从而提高了实验教学的效率与质量。VIETS测试系统采用模块化的设计思想，将一些通用的测试仪器模块化，并按照一定的规范集成到一个机箱中。系统硬件平台采用“一个控制器+多个功能模块”的结构，通过控制器模块控制各功能模块的工作。系统软件平台采用图形化语言LabVIEW开发应用程序。总体机构如图1-1所示，体系结构如图1-1所示。预计模块化仪器包括：任意波形发生器、数字存储示波器、多通道同步采集卡、LCR测试仪、频率计/计数器、矩阵开关、数字I/O和程控直流电源等。吉林大学本科生毕业论文引言2图1-1VIETS测试系统体系结构1.2论文研究意义在电子产品中,电感(L)、电容(C)和电阻(R)是构成我们所有电子设备最基本的元器件，其特性直接关系到产品的性能质量，甚至所设计产品的成功与否。在充满激烈竞争的电子行业中,要求电子产品必须具有越来越高的性能、质量及性价比，从而对所使用的元器件提出了更高、更严格的要求。元器件在不同的信号频率、不同的信号电平下，其性能和技术指标会发生变化。尤其在高频段，元器件参数以及元器件所表现出的特性变化更大。所以，元器件虽然能满足出厂时的技术指标，但装入实际电路中会表现出不同的特性。正如我们实际使用的电阻、电容、电感并不是理想的元件，而是存在着寄生电容、寄生电感和损耗。因此，了解元器件在实际工作条件下的性能特性，有助于设计出高质量的电路，提高产品的性能和可靠性。目前市面上的LCR测试仪，硬件电路往往比较复杂，体积比较庞大，不便携带。而LCR测试仪性能的实现基本上都是依赖于硬件，要达到智能化就一定要采用更高性能的硬件电路，这样的代价是价格的昂贵与更新速度的缓慢。虚拟LCR测试仪是以软件为核心的，其结合了计算机强大的信吉林大学本科生毕业论文引言3息处理能力，将一部分硬件所难以达到的功能交予软件来实现，使设计的投资小，更新速度快。利用虚拟仪器技术研制具有较高稳定性和精密度的LCR测试仪是非常必要的。该LCR测试仪板卡可以实现在工作中方便快捷的对所需要的无源器件，电感(L)、电容(C)和电阻(R)进行测量，从而了解元器件在实际工作条件中的特性。另外LCR测试仪的开发可以丰富VIETS系统，使其更广泛的应用在实验教学当中。1.3论文的主要内容本文的第一章是引言部分，介绍了本题目的研究背景和研究意义。在第二章中，首先对LCR参数的测量方法：电桥法、谐振法、和伏安法，做了详细的研究和比较。确定了本次设计进行测量的基本原理—伏安法中的自由轴法。另外给出了系统的整体设计方案，分析了系