DDS扫频技术实现寄生电感测量仪

　　本文介绍了一种利用LC 谐振原理测量电容自身寄生电感的方法。利用直接数字合成器产生可编程的扫频信号激励含有寄生电感的电容，同时采用对数检波器对经过待测网络后的信号进行检波，在利用AD 转换器采集检波器输出的直流信号。利用特定的程序算法比较连续的频率点的输出电平，最终找出谐振点频率，求出电容的自身寄生电感。

　　引言

　　实际的电容元件存在着分布参数，其中对电容本身特性影响最大的是寄生电感，这些寄生电感与电容本身构成谐振回路，使电容在使用时有了一定的局限性，因此，能够测量出电容本身寄生电感的大小，可以在使用时更合理的选择电容元件。由于寄生电感的电感量很小，多为nH 级别，导致绝大部分LCR 电桥无法测量电容本身的寄生电感。为了准确的测量寄生电感，文中描述了一种利用自谐振原理的测量方法，结合DDS 扫频技术可以快速完成寄生电感的测量，其测量方法简单精确，将能够满足大多数场合的应用。

　　1 测量原理

　　实际电容由于制造的工艺导致本身存在寄生电感和寄生电阻， 其等效电路模型如图1 所示。

　　

 

　　图1 实际电容等效电路模型

　　其中C 为实际电容本身的标称电容， L 是其寄生电感， Rp是其并联等效电阻， Rs 是其串联等效电阻。寄生电阻会对经过电容的信号造成衰减， 但不会影响电容本身的频率特性。寄生电感会与电容构成串联谐振回路， 会使实际的电容在某个频率上发生谐振， 这种现象称为电容的自谐振 。实际电容的阻抗和频率特性曲线如图2 所示。

　　

 

　　图2 实际电容频率特性曲线

　　图2 中的f 0 是电容与其寄生电感构成的谐振回路的谐振频率， 称之为自谐振频率， 实线部分为实际的电容频率特性曲线， 虚线为理想无寄生电感的电容特性曲线。可见， 在低于自谐振频率时， 电容呈现容性， 阻抗随频率增高而减小; 然而当频率超过自谐振频率时， 电容表现出阻抗随频率增高而上升的趋势， 这恰好是电感的特性。该曲线表明实际的电容仅能工作于自谐振频率以下， 高于自谐振频率时， 电容则表现为感性， 无法再继续作为电容使用了。可见， 准确的测得电容的自谐振频率， 求出其寄生电感， 对于电容的正确使用有着非常重要的意义。然而该电感往往非常小， 通常为nH 级别， 一般的LCR 电桥无法测量这种微小的电感。因此就需要一种不同于电桥法的测量这种微小电感的方法。

　　由电感和电容构成的LC 串联回路的谐振频率为：

　　

 

　　同时谐振发生时整个LC 回路表现出的阻抗为纯阻性， 即感抗和容抗之和为零。利用这个原理， 使用一个扫频信号激励待测电容， 测量出谐振频率， 再结合式(1) 即可测出寄生电感的大小 。根据该原理， 设计1 个扫频发生器产生扫频信号激励待测电容， 然后找出谐振点， 读出谐振频率即可求出电容的寄生电感。其结构如图3 所示。

　　其中最核心的部分就是扫频发生器和谐振点检测电路。

　　

 

　　图3 寄生电感测试装置功能

　　2 扫频发生器

　　扫频发生器在本系统中产生宽频带扫频信号以激励待测电容， 当电容较大时，以常见的电解电容为例，假设电容为1 000 F, 其寄生电感为100 nH, 则按照式(1)可计算出其自谐振频率为15. 9 kHz, 谐振频率较低;另以瓷片电容为例， 假设其电容值为10 pF, 寄生电感约为10 nH, 则其自谐振频率为500 MHz 这两个信号频率相差了4 个数量级， 这就需要1 个宽带的信号发生器， 这也是本部分的设计难点所在。若采用传统的模拟信号发生的方法， 为了实现信号频率的可调， 一般会采用变容二极管构成的LC 振荡器， 然而在信号频率较低时， 所需要的变容二极管的电容量会很大，而传统的变容二极管电容值一般只是几个pF 至几百pF ,很难满足低频振荡要求。为了简化扫频电路， 以及实现数字化控制， 这里采用DDS 技术产生宽带信号。DDS 采用的是DA 转换器的原理， 通过计数器累加实现的连续波形输出 , 而DDS 芯片外围电路简单， 通过写它的寄存器便可实现信号频率的调节， 同时产生的信号频率分辨率高，一般可以达到0. 01 Hz 级别， 信号频率的跨度大， 可以实现从几Hz 到几百MHz 的连续信号， 非常适合做扫频发生器。这里采用了AD9854 这款DDS 芯片， 它在300 MHz 时钟驱动下， 按照乃奎斯特采样定律可以产生最高150 MHz 的信号，为了得到信号较好的频率则一般只得到最高100 MHz 的信号。若要得到高于100 MHz 的信号， 则可采用其高次谐波得到。基于AD9854 的信号发生电路如图4 所示。限于篇幅，仅画出了关键的输出部分和电流设置部分。AD9854 内置4~ 12 倍频的时钟倍频器， 因此可以外加1 个较低频率的时钟，通过倍频器倍频至300 MHz, 这样可以极大的降低高速片外时钟对系统造成的电磁兼容性问题。AD9854 内部有1个频率控制字寄存器，通过写该寄存器的值便可以改变输出信号的频率， 非常适合数字控制。同时由于时钟采用的时晶体振荡器，因此输出频率的稳定度和分辨率都非常高， 一般为10- 6数量级。

　　

 

　　图4 AD9854 信号发生电路