【正文】 DIY數(shù)字電橋說(shuō)明許劍偉 莆田十中 13850262218一、概述：本LCR數(shù)字電橋，主要用于準(zhǔn)確測(cè)定元件L、C、R參數(shù)，量程寬、精度高。玩礦石收音機(jī)，大部分元件需要DIY，沒(méi)有標(biāo)稱技術(shù)參數(shù)。比如，需要知道諧振器件、檢波器件、天線、耳機(jī)、變壓器等器件的電抗特性。其中，高頻參數(shù)可以使用Q表解決問(wèn)題，而低頻參數(shù)Q表難以測(cè)定。為了解決這個(gè)問(wèn)題，筆者認(rèn)為L(zhǎng)CR數(shù)字電橋能夠勝任。設(shè)計(jì)目標(biāo)：能夠準(zhǔn)確測(cè)量電抗器的L、C、R，%，如果進(jìn)行逐檔校準(zhǔn)，%取材容易，電路簡(jiǎn)潔，易于制作，成本應(yīng)適當(dāng)控制。使之具有更強(qiáng)的業(yè)余DIY價(jià)值及研究?jī)r(jià)值，并通過(guò)設(shè)計(jì)、DIY學(xué)習(xí)到LCR電橋的相關(guān)細(xì)節(jié)、原理。本LCR表的基本特性AD轉(zhuǎn)換器的字?jǐn)?shù)：約1000字，采用了過(guò)采樣技術(shù)，有效分辨力約為4000字測(cè)量方法：準(zhǔn)橋式測(cè)定，測(cè)量原理類似于比例法測(cè)電阻。主要測(cè)量范圍：，%（理論），阻抗實(shí)測(cè)比對(duì)，%有效測(cè)量范圍：2毫歐至10兆歐，—1毫歐串聯(lián)殘余誤差：小于2毫歐，低阻測(cè)量時(shí)此誤差不可忽略并聯(lián)殘余誤差：大于50M歐，高阻測(cè)量時(shí)此誤差不可忽略Q值誤差：177。（Q），Q/300（Q2，相對(duì)誤差，簡(jiǎn)易算法），%左右估算D值誤差：177。（D），D/300（D2，相對(duì)誤差，簡(jiǎn)易算法），%左右估算注：Q = 1/DESR誤差：|Z| / 300高阻測(cè)量中，D、Q有效測(cè)定于40pF以上電容@，20pF以下D、Q精度變差很多。開(kāi)路、短路清零：LCD版提供此功能，以方便高阻及低阻測(cè)量。LED版沒(méi)有此功能，所以LED版測(cè)量小容量電容須人工修正才可以得到正確結(jié)果。信號(hào)源幅度：峰值200mV（100Hz），180mV（1kHz），190mV（）電感：，超出1000H未測(cè)試（理論上也可以正常測(cè)量的）。電容：分辨力與夾具有關(guān)。夾具好的話，，甚至只有1pF。上限沒(méi)有測(cè)試，只測(cè)過(guò)10000uF電容，手上沒(méi)有更大的電容。 推薦簡(jiǎn)易夾具：7cm至10cm長(zhǎng)，接上小夾子即可。本表基準(zhǔn)源：分別為4個(gè)基準(zhǔn)電阻，一個(gè)時(shí)間基準(zhǔn)。電阻基準(zhǔn)就是電橋的4個(gè)下臂電阻。時(shí)間基準(zhǔn)用32MHz石英晶振得到，精度可以滿足電橋要求的。頻率精度：、（）、簡(jiǎn)寫為100Hz、1kHz、。由于DDS的頻率分辨力有限，所以不采用整數(shù)頻率。%（由石英晶振電路決定）。信號(hào)源失真度：沒(méi)有專用儀器測(cè)試，只做估測(cè)。對(duì)輸出信號(hào)做一次高通濾波后，用示波器觀察，未發(fā)現(xiàn)可覺(jué)察失真。如果有可覺(jué)察失真，對(duì)D值測(cè)量有一些影響。創(chuàng)意設(shè)計(jì)：將正弦信號(hào)發(fā)生器、AD轉(zhuǎn)換器、0度方波、90度方波全部利用單片機(jī)完成，電路大大簡(jiǎn)化，而性能可以滿足一般要求。這使得仿制者更容易，更適合作為DIY儀表。二、常見(jiàn)問(wèn)題解答電感測(cè)量誤差很多帶磁芯的電感，在不同電壓下測(cè)得的電感量是不相同的。空芯線圈，高頻低導(dǎo)磁率磁芯，這類線圈電感量與電壓相關(guān)性較小。因此，這類線圈才能用于精度對(duì)比測(cè)試。晶振不起振25M以上的晶振，大多是泛音晶振。因此，我們買到的32MHz晶振，一般是三次泛音晶振。當(dāng)電路沒(méi)有匹配好，晶振可能振于基音，此時(shí)頻率只有預(yù)期值的1/3。在下載程序時(shí)，ISP程序會(huì)提示當(dāng)前晶振的振蕩頻率。當(dāng)晶振振蕩于基音，電路無(wú)法正常工作，單片機(jī)速度降為1/3，響應(yīng)遲鈍，按下鍵時(shí)要按住較長(zhǎng)時(shí)間才響應(yīng)，開(kāi)機(jī)時(shí)須等待8秒鐘左右（正常3秒鐘左右），1k歐檔指示才會(huì)亮起來(lái)。要讓它諧振在32MHz，先給晶振加上負(fù)載電容，即晶振兩端分別對(duì)地接上5pF電容。然后在晶振兩端并聯(lián)合適的電阻，就會(huì)諧振在32MHz有負(fù)載電容時(shí)，諧振時(shí)， 晶振表現(xiàn)為感抗，可以把晶振看作電感器L，它與負(fù)載電容諧振。之后，并聯(lián)一個(gè)電阻，LC回路Q值下降。負(fù)載電容不變時(shí)，低頻Q值下升快，因此基音更容易失振，使電路振于泛音。負(fù)載電容也不要超過(guò)5pF，以免負(fù)載過(guò)重，電路不起振。用5K、10k、20k、50k、100k……電阻試驗(yàn)，我得到的結(jié)果是：5k不起振，10k,20k,50k振于32MHz，100k及以上振于32/3=顯然，取20k電阻并聯(lián)于晶振最好。不同廠家，不同批次的晶振，此電路中采用的電阻是不同的。要自己試驗(yàn)氣溫變化，也可能造成晶振工作頻率不正確或停振。這可能是電阻沒(méi)有匹配好或晶振有問(wèn)題。如果停振，應(yīng)加大電阻，如果振于基音，應(yīng)減小電阻。如果通過(guò)調(diào)整電阻還是無(wú)法正常工作，則需要更換晶振。由于表筆輕微移動(dòng)，最終引起電容測(cè)量誤差。準(zhǔn)備一個(gè)排針插座，被測(cè)電容焊在排針上。先用表筆夾住插座，測(cè)出開(kāi)路電容。然后插入被測(cè)電容進(jìn)行測(cè)量。兩次測(cè)值之差就是電容的真值。測(cè)量期間，注意保持表筆間的距離不變。如何防止EEPROM數(shù)據(jù)丟失。用戶數(shù)據(jù)flash EEPROM數(shù)據(jù)易丟失。經(jīng)實(shí)驗(yàn)表明，數(shù)據(jù)丟失發(fā)生在異常上電、斷電過(guò)程，如電源插頭接觸不良引起電壓不穩(wěn)時(shí)，容易造成數(shù)據(jù)丟失，而且一般是第一扇區(qū)數(shù)據(jù)丟失。因此，建議加一個(gè)電源開(kāi)關(guān)，這樣可以使上電、斷電干脆、可靠。程序中應(yīng)把數(shù)據(jù)寫入第二或第三扇區(qū)，可以大大減小數(shù)據(jù)丟失的可能性，早期版本程序把數(shù)據(jù)寫入第一扇區(qū)，容易引起數(shù)據(jù)丟失，因此請(qǐng)使用最新版的程序。最新程序還做了第二重保護(hù)，即EEPROM觸發(fā)時(shí)，加入了觸發(fā)條件，當(dāng)電源易常時(shí)，內(nèi)存數(shù)據(jù)丟失，觸發(fā)條件將不滿足，EEPROM被保護(hù)。如何篩選R9——R16電阻R9——R12四個(gè)2k電阻請(qǐng)使用阻值相同的。%以內(nèi)電阻。然后在這四個(gè)電阻中，%以內(nèi)的電阻做為RR12，四個(gè)電阻溫漂應(yīng)小于50ppm/K且溫漂一致。R9——R12四個(gè)10k電阻請(qǐng)使用阻值相同的。%以內(nèi)電阻。然后在這四個(gè)電阻中，%以內(nèi)的電阻做為R1R16，四個(gè)電阻溫漂應(yīng)小于50ppm/K且溫漂一致。 %的電阻，溫漂小于25ppm/K RR21的比值應(yīng)為8:1，%以內(nèi)，溫漂小于25ppm/K RR29的比值應(yīng)為2:1，%以內(nèi)，溫漂小于25ppm/K如何測(cè)量電阻的溫漂本表要求使用溫度系數(shù)優(yōu)于50ppm/度的電阻，強(qiáng)烈建議使用優(yōu)于25ppm/度的電阻。在冬天，找個(gè)氣溫10至20度天氣。用小溫度計(jì)測(cè)出手指與氣溫之間的溫差T。然后測(cè)出電阻的阻值。用手指隔著塑料膜捏住電阻進(jìn)行加熱，測(cè)得電阻阻值的相對(duì)變化量dR。那么溫度系數(shù)為dR/T現(xiàn)在買到的2至4分錢的金屬膜電阻，溫度系數(shù)一般小于25ppm/度，達(dá)到50ppm/度的是少數(shù)，一般是小于10ppm/度。如果手指溫度不夠，可以用熱水燙手5分鐘，活血后再做實(shí)驗(yàn)，建議穿上保暖衣服。一整排電阻中，大部分溫度系數(shù)差不多，但也可能出現(xiàn)個(gè)別特別差的。如，測(cè)得10個(gè)，可能9個(gè)優(yōu)于10ppm/度，偏偏出現(xiàn)一個(gè)50ppm/度的。如果覺(jué)得篩選與測(cè)量麻煩，%的電阻。感覺(jué)測(cè)電解電容不準(zhǔn)電解電容、瓷片電容、獨(dú)石電容，實(shí)測(cè)值與標(biāo)稱值相差10%甚至50%都有可能的。因?yàn)?，這些電容本身不是精密電容。滌綸電容、CBB電容，測(cè)值與標(biāo)稱值一般相差在10%以內(nèi)。好一點(diǎn)的電容，一般相差2%以內(nèi)。電解電容的容量，用100Hz準(zhǔn)確測(cè)定，二線法即可。1kHz容量會(huì)減小的。隨頻率升高，容量減小越多，說(shuō)明電容頻響不好。電容精度有必要校準(zhǔn)嗎？ 不需要校準(zhǔn)的。電阻校準(zhǔn)了電容測(cè)量自動(dòng)準(zhǔn)確。驗(yàn)證電阻精度，至少要使用四位半的表，不能使用2000字的三位半的表。2000字的表，精度比本表低。因?yàn)椋?000字的表，測(cè)量2xx讀數(shù)的電阻，誤差可能高達(dá)1%，驗(yàn)證不了本電橋。6000字的品牌表，電阻檔精度一般也是比本表差，除非更換內(nèi)部分壓電阻。如何選擇量程被測(cè)阻抗有兩個(gè)參數(shù)，分別為電抗x和電阻r，串聯(lián)測(cè)量時(shí)取x、r中最大的為主參數(shù)Z（并聯(lián)時(shí)取x、r中最小的為主參數(shù)Z）。量程電阻記作RZ8R時(shí)，就是就最佳量程。如果找不到合適量程，Z10R 何時(shí)采用四線法測(cè)量小電阻，為了準(zhǔn)確到1毫歐，這時(shí)要采用四線法。3歐以上，通常使用二線法即可（即頭尾兩個(gè)端子），記得扣除短路殘余值。采用二線法，最多準(zhǔn)確到5毫歐，而且要盡可能排除接觸不良問(wèn)題。1表筆長(zhǎng)度要多長(zhǎng)建議總長(zhǎng)度（包括夾子）不要超過(guò)15cm用帶屏蔽的開(kāi)爾文四端夾子，長(zhǎng)度也不要太長(zhǎng)，建議小于40cm，且采用分布電容小的屏蔽線。1如何開(kāi)路、短路清零表筆開(kāi)路按下C鍵做開(kāi)路清零。表筆短路按下C鍵做短路清零。如果開(kāi)路清零不滿意，再按C鍵。清零后，可能出現(xiàn)超大電感殘余與超小電容殘余顯示之間跳變。切換為并聯(lián)模式，允許顯示小量的負(fù)電容，因此不易出現(xiàn)超大感的顯示。如果短路清零不滿意，再按C鍵。清零后，可能出現(xiàn)超大電容殘余與超小電感殘余顯示之間跳變。切換為串聯(lián)模式，允許顯示小量的負(fù)電感，因此不易出現(xiàn)超大容的顯示。清零前，請(qǐng)等顯示屏到相對(duì)穩(wěn)定，一般需要兩三秒鐘。開(kāi)路、短路清零只對(duì)當(dāng)前頻率及當(dāng)前量程有效，如， 100k歐檔清零，那么切換到其它檔位之后（如頻率或量程變更），那么無(wú)清零效果。按下L鍵或重新開(kāi)機(jī)則取消清零，開(kāi)路、短路清零數(shù)據(jù)同時(shí)置零。開(kāi)路、短跳清零數(shù)據(jù)在程序內(nèi)部是獨(dú)立的，互不影響。因此，同一檔位，可以同時(shí)做開(kāi)路、短路清零兩項(xiàng)工作。1如何精確測(cè)量NPO小電容首先。其二，建議進(jìn)行開(kāi)路清零。要使用插座，即表筆夾上小插座后進(jìn)行開(kāi)路清零其三，然后插入被測(cè)電容即可得到正確讀數(shù)。插入電容前后，要保持兩表筆間的相對(duì)位置不變化。1頻率不變，切換量程后電容測(cè)值相差較多，正常嗎？ Z10R，那么，對(duì)于CBB、滌綸等電容，%以內(nèi)才正常。獨(dú)石電容（非NPO）、瓷片電容（非NPO）切換量程，%是正常的，因?yàn)樗麄兊娜萘颗c測(cè)量電壓有關(guān)。1校準(zhǔn)后，零點(diǎn)參數(shù)Z0與Z1約75左右，而Z0小于40，正常嗎？通常，ZZZ2較為接近，如Z0=7Z1=7Z2=70，說(shuō)明cd4053頻響好。此例中，如果Z2=40，說(shuō)明CD4053頻響稍差一點(diǎn)，但對(duì)相位精度影響不大。如果Z2=10，可能不行，可能保不住D=。當(dāng)然，以實(shí)測(cè)為準(zhǔn)。1電感測(cè)量準(zhǔn)確嗎？L、C、R測(cè)量，基本上是等精度的，%的指標(biāo)。大部分壇友手上沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)電感器，所以此項(xiàng)工作不好驗(yàn)證?？梢允褂每招木€圈與商品精密電橋進(jìn)行對(duì)比測(cè)試，但有一些技巧。電感器的接線端子要固定好，不可使用軟線?？招木€圈周圍不能有鐵質(zhì)材料，也不能有磁鐵等東西，以免影響電感量。1電阻測(cè)試中，有時(shí)測(cè)量誤差不連續(xù)，，一字不差，卻相差了8字，正常嗎？ 是正常的，因?yàn)?，兩次測(cè)量中，程序自動(dòng)判斷量程，使用了不同的增益檔位。1二線法測(cè)量1000uF電容，容量變大，這正常的嗎？ 這是正常的。這是因?yàn)楸砉P串聯(lián)電感及電容器內(nèi)部的導(dǎo)體串聯(lián)電感的影響變大，使得電容的視阻抗變小，表現(xiàn)出的電容量就變大了。 四線法或短路清零法可以消除表筆電感的影響，但無(wú)法消除電容器內(nèi)部導(dǎo)體電感的影響。表筆并聯(lián)電容，長(zhǎng)度按單支筆計(jì)算表筆串聯(lián)電感，長(zhǎng)度按回路線長(zhǎng)計(jì)算，與線徑、導(dǎo)線回路形狀有一定關(guān)系表筆電阻，約15至150毫歐，與線徑、線長(zhǎng)度緊密關(guān)聯(lián)。二線法的殘余阻抗是比較大的。今測(cè)470uF電容，它的電抗將是50mR左右。受表筆電感的影響，實(shí)測(cè)到的串聯(lián)電抗將是10mR 50mR = 40mR，也就是說(shuō)，電抗測(cè)值將變小20%左右，所得容量會(huì)增加20%，因此，容量會(huì)變大很多，甚至變大幾倍或干脆變?yōu)殡姼?。引腳細(xì)的電容，電容內(nèi)部的導(dǎo)線電感更大，更容易變成電感，而不是電容。如果改用1kHz測(cè)量，那么該電容電抗約為400mR，顯然，表筆電抗可以忽略。所以測(cè)電解，要使用100Hz、1kHz測(cè)容量，1電解電容的ESR測(cè)量應(yīng)使用哪個(gè)頻率 三個(gè)頻率下都可以測(cè)量。，更能反應(yīng)電容器的質(zhì)量。測(cè)量結(jié)果為3xxx至9xxx讀數(shù)時(shí)，末字常有跳動(dòng)，特別是9xxx時(shí)，末字跳得更多，正常嗎？ 對(duì)于本表來(lái)說(shuō)，這是正常的，末字的小量跳動(dòng)，不影響精度。本表AD過(guò)采樣噪聲、DDS、相位發(fā)生器等全部集成在一個(gè)芯片，所以噪聲大一些，但對(duì)精度影響不大。 主量程內(nèi)，讀數(shù)為1xxx至3xxx，通常末字跳一字（高阻與低阻測(cè)量除外）。2用電阻與CBB/630V電容串聯(lián)，測(cè)試相位精度，可以嗎？ 可以的，但意義不大。因?yàn)椋苯佑肅BB/630V電容驗(yàn)證相位，如果LCR表準(zhǔn)了（顯示為999），那么串聯(lián)電阻測(cè)量，在誤差許可范圍內(nèi)一定會(huì)得到預(yù)期值的。 因此，只要電阻測(cè)量“阻值準(zhǔn)”，電容測(cè)量“相位準(zhǔn)”，那么這個(gè)LCR表就準(zhǔn)了。前提是晶振頻率要準(zhǔn)確。2相位校準(zhǔn)后，測(cè)量Q1000的電容，得不到999要怎么辦？ 如果測(cè)得損耗電阻是負(fù)數(shù)，而且顯示的Q值是600左右，說(shuō)明相位誤差大了一些，建議適當(dāng)微調(diào)R1X——R4X，通常微調(diào)1至2字即可，不可微調(diào)過(guò)多。 如果損耗電阻是正數(shù)，而且顯示的Q值是600左右，其實(shí)相位誤差很小了，不用調(diào)整了。2用兩個(gè)電容串、并聯(lián)驗(yàn)證精度，可以嗎？ 使用此法，要使用CBB或滌容等電容。滌綸電容還要求在同頻率下測(cè)試。 如，測(cè)得兩個(gè)電容是C1與C2，那么并聯(lián)后，測(cè)值應(yīng)為C1+C2，串聯(lián)后是C1*C2 / (C1+2)，以此驗(yàn)證。2兩個(gè)相同的高Q電容（Q1000），并聯(lián)或串聯(lián)后Q值是多少。 還是Q10002Q與D值的計(jì)算公式 一個(gè)電抗元件，可以等效為兩個(gè)串聯(lián)集中參數(shù)X與R，寫作Z = R + j X Q = | X / R |，習(xí)慣上只取正，所以取絕對(duì)值。 D = | R / X |，習(xí)慣上只取正，所以取絕對(duì)值。 一個(gè)電抗元件，也可以等效為兩個(gè)并聯(lián)集中參數(shù)X2與R2，寫作1 / Z = 1 / R2 + j / X2 Q = | R2 / X2 |，習(xí)慣上只取正，所以取絕對(duì)值。 D = | X2 / R2 |，習(xí)慣上只取正，所以取絕對(duì)值。 D與Q是互為倒數(shù)的。2什么是“串聯(lián)法”與“并聯(lián)法” 一個(gè)電抗元件，可以等效為兩個(gè)串聯(lián)集中參數(shù)X與R，寫作Z = R + j X 取倒數(shù)后，就轉(zhuǎn)為并聯(lián)參數(shù)，即1 / Z = 1 / (R+jX) = (RjX) / (R^2+X^2) = R / (R^2+X^2) – jX / (R^2+X^2) 相當(dāng)于并聯(lián)電抗為X2 = (R^2+X