2023电子设计竞赛 C题 电容电感测量装置 国一 - 嘉立创EDA开源硬件平台

## 一、团队介绍 团队有三名成员，来自西安交通大学，有幸在本次比赛中获得国一。 ## 二、题目要求 一、任务 基于 TI 公司的 MCU，设计并制作电感及其品质因数 Q、电容及其损耗角正 切 D 的测量装置。被测元件接入，一键启动后，在规定时间内自动完成测量。 测量装置要提供专用于监测测试频率的信号输出接口，用于实时监测装置的测试 频率，如图 1 所示。  二、要求 1. 基本要求 完成电容量及其损耗角正切 D 的测量。 （1）电容量测量范围：1nF～100nF，测量相对误差的绝对值不大于 5%。 （2）电容 D 值测量范围：0.005～1，测量相对误差的绝对值不大于 5%。 （3）在 1kHz～100kHz 范围内，自定某一固定测量频率。 （4）测量时间不大于 1 秒。 2. 发挥部分 完成电感量及其品质因数 Q 的测量。 （1）电感量测量范围：10μH～100μH，测量相对误差的绝对值不大于 5%。 （2）电感 Q 值测量范围：1～200，测量相对误差的绝对值不大于 5%。 （3）装置可分别在不高于 2MHz 和不低于 20MHz 的两个频率范围内测量， 测量频率自定。 （4）测量时间不大于 5 秒。 （5）其他。 三、说明 （1） 本测量显示装置的所有处理器必须使用 TI 公司的 MCU（具体型号不 限），否则视为违规，不予测试。 （2）参赛队需要自备商用测量仪器，简称自备测量仪器，以便校准自制测 量装置。测评时，以自备测量仪器的测量值作为标准值计算测量误差。 （3）建议自制测量装置的测试频率与自备测量仪器的一致。 （4）可用并联或串联电阻的方式构成等效阻抗元件，校准自制测量装置的 参数。 ## 三、设计摘要 本装置利用伏安法实现了对电容以及电感的测量。装置由 DDS 信号发生、 驱动电路、核心待测电路、信号调理电路、TM4C123 核心控制模块、串口屏显 示模块构成。DDS 产生固定频率测试信号，在对输入和输出核心待测电路两端 口电压信号的调理后，将信号送入 MCU 内置的 ADC 模块，通过时域互相关的 方法得到两路信号的幅度和相位信息，进而反推电容值或电感值。对于寄生电容 引入的误差，我们采用平均和标定的方法进行校准。经过测试，本装置能够测量 1nF~100nF 的电容以及 10𝜇𝐻~100𝜇𝐻的电感，及其对应的 D 值或者 Q 值，且测 量时间及测量精度满足题目要求。 ## 四、题目分析 伏安法是利用测试信号经过被测网络后幅度的损失和相位的移动，来计算网络阻抗 的方法。对于理想电容元件，我们将其等效为一个复阻抗，即：  其中，𝑍为电抗值，𝑗为虚数单位，𝜔为角频率，𝐶为电容值。Q 值定义为一个周期内， 储能元件存储和能量和损耗的能量之比，将实际电容或电感等效为理想储能元件与一等 效电阻的串联，由于串联下电流相同，因此对于电容，Q 值定义为：  其中，𝜔为角频率，𝑅为等效电阻值，𝐶为电容值。伏安法测量优点在于电路简单， 参数容易计算，且不会受到频率限制。 ## 五、总体设计框图  ## 六、硬件电路组成 ### 1 信号发生装置(成品模块)： AD9959 是 ADI 公司发布的四通道、500MSPs、带 10 位 DAC 的直接数字频率合成 器，其每个通道的信号幅度、频率和相位均可独立控制，同时具备扫频功能。由于电感 的感抗值在低频下过小，考虑到对电感量和 Q 值的测量精度限制在 5%之内，我们选用 1.5MHz 的正弦波作为测试信号，可以利用 AD9959 和 MCU 进行 SPI 通信从而产生测 试信号。 ### 2 核心模块 用继电器驱动切换两个状态，一路是简单的电阻分压，用于对两路乘法器自带偏移进行校正，另一路是我们的测试电路，即伏安法中电阻与电容或电感的串联。 注意，上面描述的是电路原理。在实物电路图中可以从“核心模块”PCB中展示。核心模块用继电器选择两路，其中一路是上述描述的“工作状态”，另一路是“校准状态”即两个电阻分压。附件中的代码展示了切换模式的思路。 ### 3 下变频电路 测电感时，我们采用1.5MHz的频率，但由于选用的MCU采样率有限，因此需要将其下变频至10kHz。 下变频电路使用AD835+低通滤波器模块即可。 ### 4 驱动电路（可用其他型号代替） 利用高速、电流反馈型运放例如 AD8007 构建驱动电路。AD8007 是 ADI 公司生产 的超低失真、高速电流型运算放大器，具有较强的后级驱动能力。利用本运放搭建同向 比例放大器，可以充分利用 AD8007 的带载能力，完成后级驱动。 ### 5 放大抬升调理电路 信号题最基本的电路了，将一个DC为0的信号经过放大或缩小后抬升至单片机可以接收的范围，此处不多赘述。我们使用的是TL081这款芯片，由于需要调理的信号只有10Khz，大部分运放都可以满足。 ## 七、程序流程图  ## 九、注意事项 为了使电路可靠工作，不受噪声影响，在实际实现过程中我们注意了以下细节： 1) 由于调理电路存在驱动电路、低通滤波、放大抬升等模块，需要考虑级间阻抗匹配 以达到尽可能小的幅度损失。同时级间通过电阻进行隔离防止信号串扰。 2) 在制作 PCB 时，化学蚀刻方式会导致电路板存在 pF 级别的寄生电容，会对后续测 量产生印象，因此待测电路走线时应当尽可能短，且走线与地信号间隔适当增大。 ## 十、开源PCB使用方法 由于赛前已经在嘉立创准备了很多通用模块，因此在比赛中可以直接使用。 开源PCB中标记（通用模块）的便是赛前准备的模块，为了降低成本（haoyangmao），我们手动对单块PCB做了拼版。 下面解释开源PCB的用法： 放大抬升+驱动电路（通用模块）：集成了DC放大、AC放大、DC+AC放大、加法多种功能的小模块\*6，是该作品中利用率最高的通用模块，同时建议大家准备电赛期间批量打板！ 乘法器+滤波电路（通用模块）：板上有电压基准\*3+AD835乘法电路\*3+低通滤波器\*3。由于本作品没有用到电压基准，因此没有公开原理图，这块PCB的左侧没有用。主要用到中间（AD835）和右侧（MFB低通滤波器）电路，选用的电阻电容见开源原理图。 ## 十一、附件内容 附件一：视频 附件二：NUEDC2023.rar——程序代码与串口屏工程