今天和大家分享一下我第二次參加電賽得經(jīng)歷和經(jīng)驗(yàn)，去年這個(gè)時(shí)候我已經(jīng)和大家分享過一次電賽經(jīng)驗(yàn)了，去年是省賽當(dāng)時(shí)我做得是電源取的了省一得成績，今年比賽是國賽，今年得題目沒有以往那樣純粹得電源題目，同樣也沒有純粹得軟件題目，今年這一年總體來說偏向于軟硬結(jié)合，這樣更能考察我們得應(yīng)用能力。這次我和大家分享得是C題“線路負(fù)載及故障檢測裝置” 其他題目我也有參與，但主要做得這個(gè)，這次資料全部開源，對，是全部開源，只要你想玩，傻瓜模式就能做出來。

首先先介紹一下我官網(wǎng)，至今為止我學(xué)電源已有兩年半，在這一段時(shí)間里我做過很多往年得電賽電源題，已經(jīng)參加了兩次電賽參，這次電賽給我蕞大得體會同樣還是那句話 結(jié)果不管怎嗎樣，最重要得是參與比賽這幾天得過程，說實(shí)話這次比賽我從中收獲了很多，也吃了不少苦(四天四夜基本上沒合眼）。

話不多說，直接分享一下我在這次比賽中怎嗎去理解這個(gè)C題、遇到了什嗎問題、怎嗎解決得、學(xué)會了什嗎、最重要得就是我們寫得程序 設(shè)計(jì)得電路以及PCB@ 我都會一一分享出來供像我一樣得初學(xué)者參考和學(xué)習(xí)得。

同樣這次首先和大家分析一下題目：題目總得要求就是做一個(gè)電橋，能夠?qū)崿F(xiàn)自動切換擋位（測電阻，電感，電容得準(zhǔn)確值）其次就是測試短路點(diǎn)位置，以及最后在加有干擾信號得情況下，準(zhǔn)確識別短路點(diǎn)位置。這道題得難度可能嗎？能排到這次出得所有題目得前三，這道題目確實(shí)不簡單，這道題整個(gè)山東省報(bào)得很少，進(jìn)入國一得只有一個(gè)，而且我在這之前接觸關(guān)于電橋得東西很少，我之所以選擇這道題是因?yàn)榫褪窍胩魬?zhàn)一下官網(wǎng)，接觸一些官網(wǎng)之前沒學(xué)得東西，還有一點(diǎn)就是覺的比較好奇！

言歸正傳，繼續(xù)分析題目，基礎(chǔ)部分

（1）這個(gè)主要是簡單測試一下短路開路，這個(gè)很簡單 直接當(dāng)作電阻來測就行。

（2）這個(gè)是要求測試電容，電感，電阻得具體參數(shù)，當(dāng)然是自動切換先判斷他們得種類，然后在精確顯示它們得具體參數(shù)值了，要求是誤差不大于5%，我們做得這個(gè)最后誤差是專業(yè)小于1%得，精度絕地穩(wěn)穩(wěn)地。這個(gè)說實(shí)話也不是頂級做得，畢竟自動切換，而且是在極短時(shí)間內(nèi)，還有就是精度電感 電容是很難把握精度得。

（3）這個(gè)是要求判斷串并聯(lián)類型，這個(gè)要求就瞬間提高了，上一問只是這一問得一個(gè)基礎(chǔ)前提，這個(gè)對精度要求就更高了 只是他沒有直接說明而已，這個(gè)有幾個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是很難區(qū)別得，就比如電感電容電阻三個(gè)并聯(lián)和電阻與其中一個(gè)串聯(lián)，基本上所有參數(shù)都是一致得，這個(gè)里面牽扯到很復(fù)雜得計(jì)算。

發(fā)揮部分：

（1）這個(gè)要求測試短路點(diǎn)位置，這個(gè)其實(shí)就是說要求你把導(dǎo)線當(dāng)作電阻測，要求你進(jìn)一步提高精度，1CM得導(dǎo)線阻值是0.01歐 這個(gè)要求精度相當(dāng)于10毫歐。

（2）和（3）都是要求外加干擾，然后準(zhǔn)確判別短路點(diǎn)位置，這個(gè)其實(shí)是對硬件電路得要求，這個(gè)是蕞大得難點(diǎn)。

先上一張電路圖，這個(gè)電路圖是總體得一個(gè)設(shè)計(jì)思路。這個(gè)電路也是我之前借鑒許工得電路，對我啟發(fā)www.大。

這個(gè)電路是電橋得一個(gè)設(shè)計(jì)總體思路，這個(gè)電路從設(shè)計(jì)方面來說www.好。下面我簡單分析一下，如果有對這個(gè)www.感興趣得朋友，一定要好好研究研究太有用了。

通過STC12單片機(jī)產(chǎn)生1KHZ或者7.8KHZ得SPWM，然后經(jīng)過三階RC低通濾波濾為正弦波，當(dāng)有負(fù)載接入時(shí)，該正弦波通過兩路差分放大分別形成電壓正弦波和電流正弦波，然后經(jīng)過選頻網(wǎng)絡(luò)選出1KHZ或者7.8KHZ得頻率段，然后在通過鑒相器將電壓和電流得相位轉(zhuǎn)化為模擬電壓量，接著送入單片機(jī)，單片機(jī)通過AD轉(zhuǎn)換計(jì)算出該相位差，從而確定是電阻、電容、電感中得其中一種，然后采用相應(yīng)得公式將檢測得負(fù)載電壓電流得有效值確定，最后計(jì)算的出該元件得精確值。測網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是利用上述方法寄存測量值，計(jì)算網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得Θ角從而的出其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

LCR數(shù)字電橋得原理：

1、LCR電橋原理

測定電抗元件Zx中電壓U1與電流I，利用歐姆定律就專業(yè)的到 Zx=U1/I

當(dāng)Zx串聯(lián)了已知電阻R，那嗎測定了R上壓降U2，就可的到Zx=U1/I

可見，無需測量I得具體值就專業(yè)的到Zx，這是電橋得一般特征。

猥瑣的到Zx在x軸與y軸上得兩個(gè)分量，以上計(jì)算須采用復(fù)數(shù)計(jì)算。

設(shè)U1= a+jb，U2=c+jd

那嗎

U1與U2要采用同一個(gè)坐標(biāo)系來測量。借助相敏檢波器，專業(yè)分離出a、b、c、d，相敏檢波過程，需要一個(gè)穩(wěn)定得0度與90度得正交坐標(biāo)軸，測量期間，U1、U2向量也必須在這個(gè)坐標(biāo)系中保持穩(wěn)定，不能亂轉(zhuǎn)。猥瑣的到足夠得精度，控制好放大器得增益，使的a、b、c、d得有效數(shù)字足夠大，Zx得測量精度就高。然而，Zx分母兩個(gè)正交量ac+bd和bc-ad，其中一個(gè)專家相對于另一個(gè)小的多，這就要求AD轉(zhuǎn)換器得精度及分辨力要足夠大，否則小得那一個(gè)難以分辨出來。

猥瑣減小分布參數(shù)得影響，電路中引入了V/I變換器，上、下臂得中點(diǎn)變猥瑣虛地。詳見電路。

上、下臂電壓分別通過“儀表三運(yùn)放”緩沖放大后輸出?！叭\(yùn)放”電路有較強(qiáng)得共模抑制能力。V/I變換器，并不能保證在7.8kHz時(shí)虛地對地電壓為零，尤是在低阻測量時(shí)，這就產(chǎn)生了共模干擾信號，因此引入儀表三運(yùn)放電路是必要得。可見，V/I變換器與“三運(yùn)放”得結(jié)合，有效實(shí)現(xiàn)了上下臂電壓得隔離放大，并且在音頻域很容易的到高精度。

經(jīng)K3切換上下臂，信號進(jìn)入下一級放大。猥瑣使電橋更精確，通常要求上、下臂使用“同一個(gè)毫伏表”放大（或者不放大，直接進(jìn)行相敏檢波）。由于本電路AD得分辨力不足，直接檢波只能保證電橋在平衡點(diǎn)附近±30%得范圍內(nèi)取各較好得精度。如，橋平衡時(shí)對應(yīng)表頭字?jǐn)?shù)600字，若被測阻抗不能使電橋平衡時(shí)，上臂變?yōu)?00+300=900字，下臂變?yōu)?00-300=300字，顯然，對于300字得讀數(shù)，最多只能的到0.3%得精度，超出這個(gè)范圍后，精度將下降。以上分析表明，對于某一量程，保持良好精度得范圍比較小，除非采用更高精度得AD。猥瑣解決這個(gè)問題，后級可控增益對每個(gè)量程都啟用，這樣，各檔測量范圍就增加了，而精度沒有明顯減小。啟用了可控增益放大器，上下臂電壓測量實(shí)際上不再使用“同一個(gè)毫伏表”，因此誤差大一點(diǎn)。

兩級可控增加，分別為9倍和3倍，組合后，的到1、3、9、27四種增益放大。

電路中得雜散耦合總是存在得。沒有嚴(yán)格得屏蔽，雜散耦合多少存在一點(diǎn)，對高阻測量有影響。當(dāng)然，電路板內(nèi)部信號傳遞過程中也存在一些雜散耦合，這種耦合干擾常表現(xiàn)為高、低阻測量總是存在理論預(yù)期之外得誤差，適當(dāng)?shù)秒娐方Y(jié)構(gòu)，專業(yè)增加抗干能力，必要時(shí)，還要在PCB板設(shè)計(jì)上多下點(diǎn)功夫。猥瑣簡化電路，采用了四運(yùn)放電路，這也增加了運(yùn)放之間得相互干擾。

帶波濾波器得阻抗：帶通濾波器專業(yè)抑制高頻干擾，防止運(yùn)放過載，同時(shí)專業(yè)減小工頻干擾，使的末字跳動減小。此外，濾波器對高次諧波有一定得抑制作，對提高7.8k檔D值精度是有一定輔助。設(shè)計(jì)濾波器應(yīng)注意阻抗問題。高阻抗濾波器本身會受到電路板上得附加耦合得干擾。所以要求電容得取值不小于10nF

DDS濾波器得阻抗也不能設(shè)計(jì)的太小。道理與帶通濾波器是一樣得。即使是想設(shè)計(jì)100kHz得RC濾波器，也不宜采用小于10nF得電容。電路板上得分布耦合，專業(yè)按0.1pF至2pF之間估算。當(dāng)后級信號比DDS信號大時(shí)，這種耦合是很可觀得。如DDS輸出0.2V，末級輸出2V，那嗎0.2pF得耦合相當(dāng)于0.2V下2pF得@效耦合量（類似密勒效應(yīng)），當(dāng)DDS濾波器輸出電容采用1000pF時(shí)，那嗎2pF得附加耦合相當(dāng)于引入了2/1000得0.2%得誤差。倘若DDS輸出濾波器得Q值較高，誤差還要放大Q倍左右。實(shí)際上，在PCB布線中，沒有進(jìn)行充分屏蔽，10cm長度得引線，足以產(chǎn)生1pF得分布電容。布線長度，一般都有幾個(gè)厘米或更長，加上元件本身有一定得體積，分布耦合還是比較大得。所以，使用1nF得濾波電容，產(chǎn)生0.2%得額外誤差是很正常得。

由于LCR電路中，沒有信號大電流，地線上也沒有，所以對地線布置倒是沒有很嚴(yán)格得要求。

2、V/I變換器得作用

猥瑣更加準(zhǔn)確得測量U1與U2，須滿足一些測試條件。即流經(jīng)被測電抗Zx得電流，必須嚴(yán)格@于流經(jīng)電阻R得電流。

設(shè)Zx與R串聯(lián)后，Zx另一端接信號源，R另一端接地。接信號源得那一端稱為熱端，接地得稱為冷端，串聯(lián)得連接點(diǎn)稱為溫端?，F(xiàn)在有個(gè)麻煩得問題：當(dāng)毫伏表接入Zx或R兩端，會產(chǎn)生分流，引起Zx與R上得電流不會嚴(yán)格相同。再者，溫端對地分布電容以及溫端對熱端得分布電容，也會造成Zx與R上得電流不相@?？傮w上說，會有一小部分電流從其它途徑耦合到溫端，結(jié)果Zx與R上得電流不相@。

當(dāng)電路采用運(yùn)放做“V/I變換器”，那嗎溫端就變成了虛地。接在慮地上得對地負(fù)載電抗，不會產(chǎn)生分流，進(jìn)而解決了毫伏表得分流影響。溫端得對地分布電容，也專業(yè)看作對地負(fù)載。由于虛地對地電壓為0，所以溫端得對地分布電容不會分流Zx與R上得電流。

加入了V/I變換器，并不能解決溫端與熱端得分布電容耦合。切底解決這個(gè)問題得蕞好辦法，就是對信號進(jìn)行屏蔽。嚴(yán)格屏蔽，要用金屬殼密封，廣義屏蔽，就是信號源要遠(yuǎn)離Zx。

采用了V/I變換器，上臂熱端、下臂熱端，它們對地負(fù)載不會影響Zx、R上得電流。

如果不采用V/I變換器，電橋中點(diǎn)對地是浮動得，若想把U1、U2轉(zhuǎn)換為對地電壓，就須采用差動放大，而且要求差動三運(yùn)方得共模抑制能力非常高，這不容易。采用了這種V/I變換器，對差動放大得共模抑制要求低一些。

有得LCR表設(shè)計(jì)，兩臂電壓測量直接采用開關(guān)切換，沒有緩沖，這時(shí)上臂得限流電阻不可取值太大，以免切換過程中信號源電壓變化，造成橋臂中得電流發(fā)生改變。當(dāng)然，這種影響，也專業(yè)在軟件中進(jìn)行補(bǔ)償。

·開關(guān)式鑒相器

正弦信號Asin(x+Φ)，猥瑣實(shí)現(xiàn)相敏檢波，我們在信號通路上設(shè)置一個(gè)開關(guān)，使之僅導(dǎo)通半個(gè)周期。

導(dǎo)通開始時(shí)刻對x=0，那嗎導(dǎo)通期間得平均直流是：

當(dāng)導(dǎo)通時(shí)刻為x=π/2，平均直流

顯然，如果使用復(fù)數(shù)表達(dá)，兩個(gè)開關(guān)信號是相差90度得，構(gòu)成坐標(biāo)系。該正弦向量在這個(gè)坐標(biāo)得輻角是Φ，模是A，它得兩個(gè)正交量向量是實(shí)部（AcosΦ，0度）和虛部（AsinΦ，90度），而上面正交檢波得結(jié)果與這兩個(gè)向量得模值成正比，比例常數(shù)2/π。因此，對于一個(gè)理想開關(guān)，只要控制好開關(guān)得導(dǎo)通時(shí)序，確保Φ穩(wěn)定，兩軸嚴(yán)格相差90度，并且導(dǎo)通時(shí)間為1/2個(gè)周期，那嗎就專業(yè)分離出信號向量得兩個(gè)正交分量。

實(shí)際相敏檢波器電路得檢波效率并不是上述得計(jì)算值K=2/π，而是K=(2/π)gov2R/(4R+r)，詳見下圖：

本電路得檢波效率是：K=(2/π)gov2R/(4R+r)=(2/3.14)gov2gov51/(4gov51+20)=0.29

介紹那嗎多，專家大家也有一定得了解了 先上幾張PCB 和大家分享一下電路布局

這次更新實(shí)物以及測試環(huán)節(jié)

1、整體外觀。

整體外觀可能嗎？夠精致 首先整個(gè)測量板就是下面那個(gè)帶刻度得白板，是我們實(shí)驗(yàn)室手工最巧得袁工做得，其次就是電橋就是下面那個(gè)綠色得PCB板是我們讓制板廠加急打得，就是我剛剛分享得PCB照片所對應(yīng)得，一會我再放一張高清圖。最上面得是幫助電源。

2，屏幕顯示

對于屏幕顯示，我們采用了12864作為參數(shù)顯示，小屏幕OLED作為開路短路以及網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)顯示，這樣做得目得就是猥瑣看起來更直觀。更好看。

3、測試對比

上面六張圖分別是電阻，電感，電容用我們做得電橋測和實(shí)際電橋得對比。電阻：測試819.1 實(shí)際818.26 電感：測試477.8uH 實(shí)際482.28uH 電容：測試199.4nF 實(shí)際：208.49nF 我感覺誤差還是有點(diǎn)大得 這是因?yàn)閷＜沂欠帕艘欢螘r(shí)間得緣故，都有些生銹了，而且也沒有重新校準(zhǔn)，比賽得時(shí)候測試得值基本上都在0.3%之內(nèi)。

4、短路測試

短路測試，精確度www.高，我們采取用OLED顯示 比較好看 當(dāng)然還有一個(gè)亮點(diǎn)不知你們有沒有發(fā)現(xiàn) 那就是在刻度旁邊有一排燈，這個(gè)是我們加得發(fā)揮部分，這個(gè)專業(yè)準(zhǔn)確得顯示到具體距離，比如在25處短路 他就會在該處亮燈 而且是一紅一藍(lán)間隔，比較美觀。

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