2023年电赛C题-电感电容测量装置

一、团队介绍

团队成员：王进涛、吴朝颖、邱志铧
指导教师：张志坚
团队成员均来自东莞理工学院国际微电子学院，且均为20级电子信息工程专业
有幸获得2023年全国大学生电子设计竞赛C题国一

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

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。
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）自制测量装置的测试频率与自备测量仪器的一致。
（4）测量时间不大于 5 秒。
（5）其他。

三、设计摘要

本电感电容测量装置，以TI的微处理器MSP432E401Y作为主控板，通过TI主控板控制AD9834输出固定频率到达LCR电桥测量电容值、电感值、D值和Q值，然后再用TI板采集处理数据，并且显示在串口屏上

四、题目分析

根据设计任务和要求可知，需要在固定一个频率的条件下去测量电容和电感的阻抗和相关参数。
经过考虑，我们确定采用LCR电桥方式去测定电抗元件Z_x中电压U_1与电流I，利用欧姆定律就可以得到Z_X=U_1/I，当Z_x串联了已知电阻R，那么测定了R上压降U_2，就可得到Z_X=U_1/I=U_1/(U_2/R)=R(U_1/U_2)。

然后使用硬件开关鉴相（即相敏检波法）将U_1和U_2转换成直流信号，最后用TI开发板进行数据处理，得出元件的复数阻抗，经过公式的换算，可以算出对应电容值、电感值、D值和Q值。

五、总体设计框图

整体设计思路：

六、硬件电路组成

1.AD9834电路：
用MSP432E401Y控制两路AD9834芯片，一路作为DDS，产生频率为12khz，幅值为600mv的正弦波，并且通过一个低通滤波器，能够有效滤除高频噪声，使波形更加稳定。另一路作为开关鉴相，产生和DDS频率和幅值都相同的正弦波信号。DDS信号输入LCR电桥，经过开关鉴相调理后，最后MCU使用ADC采集信号。由于鉴相需要两路正交的信号，所以为方便直接使用两块AD9834共用同一晶振。

2.鉴相器信号电路：
用于鉴相的信号通过一个跟随电路，滤除直流分量，便于比较器过零比较，最后经过一个高速比较器，将波形转换成占空比为50%的方波信号。
跟随电路用OPA197双电源低噪声运放，该运放为双电源供电，把DDS输出和比较器隔开，防止信号噪声串扰。
比较器电路用TLV3501高速比较器芯片，负输入端用一个二极管钳位，限制负输入的信号的幅值在-200mv以上。

3.LCR电桥电路：
DDS输入后用一个反向比例器控制使信号输入小于200mv，利用模拟开关进行量程档位选择，使用由三个运放构成的差分运算放大器测量元件两边的电压，再利用一个运放负反馈虚地进行I/V转换，再利用由三个运放构成的差分运算放大器输出I/V转换后的电压，后面用两级程控放大器控制前两个差分放大器的输出信号，使其保持在一个合理的范围之内。最后进行鉴相输出。