实战运放制作LCR测试仪

概述：根据电路基础的知识，一个阻抗两端的电压除以流过其中的电流，就是阻抗值。阻抗包括电阻和电抗。电阻是阻抗的实部，电抗是阻抗的虚部。在交流电压情况下，电抗会使电流波形和电压波形产生相位差。

        根据阻抗的电学定义，测试到电压和电流，相位差，就可以计算出阻抗。运放电路中有一个基础单元电路，IV转换电路（电流转电压）。使用这个电路，就可以进行阻抗测量。

        通过这个案例的实验，可以将学习过的电路基础知识，模拟电路知识应用到实践中。通过实践，掌握电路调试方法，仪器的使用方法。

知识点：阻抗，运放IV转换，差分放大器，相位差

所需物料：100Ω，470Ω，1k，10k，100k的直插电阻各5个。1nF，10nF，100nF，4.7uF，1mH电感，uA741运算放大器3个。0.6毫米直径实心导线若干。硬木课堂测试平台。

电路原理图：

        根据已经学过的运放电路知识，C点处于“虚地”，C点流入运放的电流可以忽略。这样I1≈I2，这样 AIN2 / Rf ≈ AIN1 / Zx，|Zx|≈ |AIN1| / |AIN2| *Rf。其中|AIN1| 是AIN1的交流有效值。 |AIN2|为AIN2的交流有效值。α是 AIN2和AIN1的夹角，电抗 = |Zx|*sin（α）。

        在硬木课堂平台上搭建电路，然后用平台自带的信号源提供激励信号。用平台示波器测试交流有效值和两个信号之间的相位差。对电路的有效性和测试原理进行验证。

        这是一个基础电路，由于C点是“虚地”，也就是C点信号近似为零。实际中，由于运放的物理参数限制，C点在交流信号下有微小幅度，并且频率越高，幅度越大。要消除C点虚地的误差，需要添加减法器将A和B两点间的电压差求出。并且添加Rf的分档开关，将输出的幅度调整为大于C点幅度的100倍以上。

硬件实物图

调试测试过程：

        测试一个标称10nF电容

        检查电路后，打开平台的电源给电路供电。小技巧，在电路首次上电时，可以根据电路的理论电流选择限流，例如限流100mA，以防电路接错。

开启信号源，给电路提供激励信号。这里设置为1kHz，1Vpp。

        插上一个待测元件，例如插上10nF的陶瓷电容。Rf选10kΩ。实测一下Rf的阻值和待测电容值。点击DMM打开万用表。

然后打开示波器观察AIN1和AIN2 。小技巧，在示波器测量区，点击右键，可以添加测量值。

        根据示波器的测量值，计算一下阻抗值。计算公式可以用公式写到excel里，每次输入测量值就可以计算出电容值。

测试一个标称4.7uF电容

        再测试一个电容，插上标称4.7uF的电容，Rf选择1k。由于4.7uF的容值大，所以高频下的阻抗很小，为了减小测试误差，信号源频率设置为100Hz，峰峰值1Vpp。

        实测一下电容和Rf。

打开示波器测量，并填表格计算。

实测4.7uF电容串联一个470欧电阻

        在这个4.7uF测试基础上，跟4.7uF串联一个470Ω电阻（实测472.1Ω）。对这个串联阻抗进行测试，看看实部的计算结果。

        可以看到实部跟串联的电阻很接近（472.1和477.8误差1.2%），阻抗的实部对应的就是等效串联电阻。

测试一个空心绕线电感。

        测试带有磁芯的电感时注意磁芯损耗和频率的关系。比如铁芯和铁氧体芯，高频下铁芯的损耗大，增大了测试误差。

        空心绕线电感用万用表测试线圈直流电阻，17.3Ω。用电感表测试978uH。

设置信号源1KHz，幅度1Vpp。示波器观察

可以看到，实部反应的就是线圈的直流电阻。电感值误差小于1%。

 

最后再测试一个电阻2KΩ

万用表实测1.955kΩ。

可以看到实部就是电阻值。误差 1- 1.93/1.955 = 1.2%。

总结：

        通过自制一个LCR测试电路，将电路基础，模拟电路的知识融合起来。将所学的知识灵活运用到实践当中。如果要提高测试精度，可以采用带宽大一些的高精度运放来替换uA741 。对于练手，uA741就够用了。

        本实验是使用示波器和信号源来进行测试，锻炼了仪器的使用。如果要做成仪表那样可以单独运行，就要配合上单片机电路。由单片机内部的DAC来产生正弦波，由内部ADC来采集电压信号和电流转电压后的信号。然后编程计算。

        LCR测试仪是一个不错的练手题目。同学们可以在硬木平台上一展身手。