论文研究-基于LabVIEW的安捷伦4284A-LCR测量系统的开发 .pdf

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基于LabVIEW的安捷伦4284A-LCR测量系统的开发,林支慷,陈爱平,利用LabVIEW2016开发了基于4284A-LCR测量仪的多功能测量系统。采用Keithley-GPIB488转接线实现计算机USB端口与4284A-LCR测量仪GPIB端口的物理连接��
山国科技论文在线 httpiiwww.paper.edu.cn 各淸零模块、ⅥSAΔ写λ模垬、ⅥSA读取模块、SA关闭模块。本文设计的多功能测量系 统是利用此子Ⅵ进行深入开发得到的。另外,我们将读写子ⅥI中ISA读取模块去除,创 建了初始化子Ⅵ,方便后期程序编写 三入缓中区 读卖取缓冲中区 GP1E资源名称 Labcl 256 instr 错羡〓 [ Timeout R 10000 Intf Type 富工T2 T 70 图2读写子ⅥI程序框图 如图2所示,VISA初始化模块主要将仪器通讯端口对应的GPIB端口按特定参数初始 化 VISA打开”函数,用于打开ⅥSA资源名称指定设备的会话句柄并返回公话句柄标识 75 符,该标识符可用于调用该设备的其他操作。 VISA设备清零”函数,用于对设备的输入和输出缓冲区进行清零。 VISA写入”函数,用于输入要发送的字符串即可。LabⅤlEW软件同样支持字节发送和 ASCII字符串发送两种通信方式。 VSA读取”函数,用于得到仪器执行"ⅤISA写入”的字符指令后的结果,需要注意字节 80 总数的设置。 VISA关闭”函数,用于在结束通信时,关闭设备对话句柄,释放ⅥSA资源。 指令语法 4284A-LCR的功能非常强大,具有10余种测量功能。依据安捷伦公司给出的指令语法, 85 将命令写入ⅥSA缓冲区发送给4284A可以实现相应的测量功能。表1给出了部分4284A 功能和参数设定所需的指令语法 表14284ALCR指令话法与参数说明 功能选择量稈选择速度选择电平电压偏置电压频设定 (5mV-2v) (5V-5V) (20Hz-20kHz FUNC. IMP FUNC.IMP RANG APER VOLT BIAS: VOLT MV FREQ CPD AUTO ON SHOR MED 30OHM LONG CPRP 100OLIM CSD 300OHM CSRS 1KOHM LPQ 10KOHM 30KOHM LPG 100KOHM 90 例如,将“HUNC: IMP CPD指令写入ⅥSA缓冲区,可以使4284A系统当前的测量功能 3 山国科技论文在线 httpiiwww.paper.edu.cn 的变为电容以及损耗因数的测量,即“CPD”,将“VOLT2V”写入缓冲区则可设置仪器的电 平电压为2V。通过程序向4284A发送指令,可方便的对测量系统的功能、量程、运行速度 电平电压、偏置电压以及频率范围进行设定。根据安捷伦公司提供的指令语法结合LabⅤIEW 程序中的相关ⅵISA函数我们编写了4284A测量系统程序所需的11个子ⅤI(图3),这样 95 既方便后续程序的编写与修改,又提高了程序的美观性和可读性。 基于 Labview的妄建伦4284ALCR测量系统的设计子Ⅵ Initialize Configurati。n Utility Close e=- 三rA .5L.T E FACE 22. L=- :工E READ 初始化 根据4284CR仪器根据4284CR仪器程字关闭 令说明编写的参令说明编写的仪器 故设置子Ⅵ,包括测操作子M包括触发方 量速度偏置电压 触发仪器观量 量功能、量程电次、仪器输出结果等 平电压、烦率没置等 操作 图3基于 LabView的安捷伦4284A-LCR测量系统的∫ⅤI 多功能测量系统程序 100 基于 LabVIew平台开发的测量程序结构分为前面板操作界面与后面板程序框图101 稈序操作界面集成了4284A的前面板功能,包括测量功能选择、量稈、速度、电平电压的 设定,频夲范围及步长的设定等。在此基础上,程序还增加了介电频谱测量、介电温谱测量 以及数摭存储等功能。如图4所小,4284A多功能测量系统程序操作界面可分为三个功能模 块:生成测量指令并写入仪器,图表化实时显示测量数据以及测量数据存储。 l05 4 山国科技论文在线 httpiiwww.paper.edu.cn 基于 LabVIEw技术予安捷伦4284A-LCR测量系统的开发 介电频谱 介电温塔 参数设置 :颐】m 43原名称 14 置《x LSCO)LI:5mv-2M 图44284A测量系统程序操作界面 生成测量指令并写入仪器 110 图5为生成测量指令部分所对应的前面板操作界面,其中功能选择下拉列衣共有20种 测量功能以供选择,包括电容(C)、电阻(R)、电感(L)、阻抗(Z)等。通过下拉列表进行 功能选择,量程选择和速度档位选择,设定测量所需电平电压。 参数设置 4284A女称 ALTO 1.UUL上+b 20Hz-20KHz J 5m~2v 量述(建议Long) 择 115 图54284A系统测量功能选择界面 如要实现图5中所示的系统参数设定,后面板程序框图中生成测量指令部分(图6) 生成字符串组合“ APER SHORT VOLT1V; FUNC. MP RANG: AUTO ON: FUNG: IMP CPD发 送给初始化了V,就可以实现相应的功能。此吋4284A测量系统的测量功能为电容以及损 l20 耗因数的测量,量程为自动选择方式,测量速度为慢速(10次/s),电平电压为1 山国科技论文在线 httpiiwww.paper.edu.cn 呈程[U 巧能择 则量速度(建议Lng[r 频率设置(Hz)[B 电平电压[ E区 4284A资源名称[ : error in (no error些r A∵ 010 量程、测量功能测量速度 烦设置、电平电压等参数 的设置 图64284A系统测量指令生成程序框图 125 LCR测量过程中,被测对象的各电参数随频率的变化关系需要在一定的频率范围内通 过扫频测量获得。在程序设计时,我们把频率范围的选取区别于其他参数的设定。图7为单 独设定频率范围以及扫频步长部分的程序框图,频率范围通过初始频率和最终频率两个参数 确定。 @ 好率 , 130 图?4284A系统测量频率范围设定程序框图 介电频谱实时图形化数据显示 在电容、电感以及电阻等电参效的交流测量过程中,各个电参数随频率的实时变化能够 帮助我们直观有效的观察到被测对象与频率之闫的变化关系。测量程序中介电频谱实时数据 135 图形化显小部分的 Lab VIew程序框图如图8所示。测量程序利用“定时顺序结构”改定好测 量周期,然后进行频率范围设置,经过0.5延时后,利用IMM子ⅥI和 FETCH子ⅥI结合“扫 描字符串”凶数输岀具体的电参数数值。利用FOR循坏结构对测量过程中读取的电参数数值 进行平均滤波,提髙测量准确度。针对不同的测量需要,平均滤波中FOR循环的循环次数 可以由使用者改变。平均滤波之后的测量结果以及对应的调制频率通过“创建数组”函数生成 l40 电参数与频率的二维数组,最后将该数组传递给XY波形图实现图形化实时显示。 山国科技论文在线 httpiiwww.paper.edu.cn 囚国 初始额案 [h4A然 些名程 图84284A测量系统介电频谱测量功能程序枉图 145 介电温谱实时图形化数据显示 在电容、电感以及电阻等电参数的测量过程中,周围环境温度的变化也会直接影响这些 电参数的测量结果,为此我们设计了一套介电温谱的测量系统。该测量系统能够帮助我们直 观有效的观察到被测对象的各个电参数与温度之间的变化关系。图9为介电温谱测量的前面 板操作界面。我们借助智能控温表 YUDIAN AI-516P结合环形电阻加热圈对元器件测量环 150 境温度(T)进行控制,温度传感器采用了铂电阻(PT1000)。 介电频谱 介电温谱 3146源名称 参数 COCE 曲线0"d 曲浅0 1.54万5 开始 2.19E-4 }后期(s 189E-4 0.5475 温度(°C) 2.189E-4 0.5474 2,1095-4 流温 温与尼多数 a0:000000000:0:0:00 保数据 +0E00+0000000c+000c00000口程止 图9介电温谱的前面板操作界面 155 本文中介电温谱测量温区最大范围可达0~300℃。在该温度氾围内,PT1000的阻值和 温度的变化近似成线性关系2 R(2)-1000 T() 3.85055 为∫在测试系统中能够实时测量温度,我们利用3146A多功能万用表的四端法测量功能精 密测量了PT00温度传感器的电阻(R)t3,图10为基于3146A万用表的温度测量子VI 国科技论文在线 httpiiwww.paper.edu.cn 程序框图。 10000 hi.nn: 温度T(O K COM3 EE 切要中图 励c 100 385055 9600 800Habc iI w國四 R叵 I None v 60 图10基丁3146A万用表的温度测量子ⅥI程序框图 图11为介电温谱测量程序框图。程序主要利用“事件结构ˆ触发运行,采用“平铺式顺序 结构”对3146A万用表进行初始化设置。经过5s的延时后,测量系统进行温度和电参数同时 165 测量:利用3146A温度测量子Ⅵ得出温度值;电参数的测量结果是利用4284A的IMM子 ⅥI和 FETCH子Ⅵ结合“扫描字符串”函数得到的。随后将电参数以及温度测量结果通过“创 建数组函数”生成电参数与温度的二维数组,最后将该数组传递给XY波形图实现图形化实 时显小。测量程序还可以通过改变“定时结构”的周期以实现不同速率的测量。 L首「「气产首「「首有「口「首首「首首广广首首「首首「 10C0 Buid av 民%E3 170 图114284A测量系统介电混谱测量功能稈序框图 数据保存 LabⅤIEW提供了丰富的函数和子Ⅵ用于实现测量数据的保存4。本文利用LabⅤIEW 175 基础软件包內的“写入测量文件”」ⅥⅠ对介电频谱和介电温谱的测量数据进行保存。将图8 或图11程序枻图中生成的“测量数据”数组,通过局部变量的形式传递给“写入测量文件” Ⅵ数据输入端,利用事件结构触发当前测量数据的保存。 8 山国科技论文在线 http:/iwww.paper.edu.cn □2·保存:區变叶 源 曰 控引 入测量文 保存 号 180 图124284A测量系统数据俣存的程序框图 数据处理与分析 为了验证测量程序的使用效果,我们利用4284A测量系统测量了电解电容器(220pF) 电容(686)、瓷片电容(C250)以及贴片电容(104)等元件的各项电参数。利用 ORIGIN9.0 185 绘图软件对导出的测量数据进行作图分析。 介电频谱 本文中我们给出了20H∠20kHz频率范围内瓷片电容的Cp、Lp及Cs等不同电参数随 频率的变化关系(图13)。从图13(a)中,我们可以看出并联电容随着频率的增大而不断 减小,相应的损耗因子在不断的类线性增加。图13(d)表明电容器的电导和电纳随着频率 190 的增大而增大。图13(e)显示电容器的等效电阻殖着频率的增大而减小,电抗随着频率的 增大而增大。本系统测量得到的介电频谱可以为研究人员提供更为丰富的电参数频率特性信 9 山国利技论文在线 http://www.paper.edu.cn 6 0 3.53 6.54 LL 352 -RpF4+e 6.42 .44 2.8 6.36 khz khZ G60 c 20 652 6.44 10 6 -87.9 -882 00 !…………" ■-■一■ -885 f/khz l95 图13瓷片电容不同电参数与频率的变化关系图 (a)(p-D随f的变化关系(bCp-Rp阻f的变化关系(c)CsQ随f的变化关系 (d)GB随f的变化关系(RX随f的变化关系(Z-θ随f的变化关系 介电温谱 200 为了考察介电温谱测试系统,我们在20℃-50℃温度范围内测量了钽电容、瓷片电容以 及电解电容等器件的CPD(电容以及损耗因数)和CPQ(电容以及品质因子)随温度的变 化情况。图14给出了三种电容器的电参数随温度变化关系。从图中可以看出瓷片电容的电 容和损耗因子随着温度的升高而减小,品质因子随着温度的升高而增大。电解电容的电容随 着温度的升高而不断减小,其损耗因子和品质因子随着温度的升高而增大。钮电容的电容、 205 损耗因了以及品质因了随温度的几高而增大。以上测量结果均表明我们设计的介电温谱测试 系统能够很好的完成测试L作。 10

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