基于LabVIEW的4284A-LCR测量系统开发

李沼岐 王道发 陈爱平 顾大伟

基于LabVIEW的4284A-LCR测量系统开发

李沼岐 王道发 陈爱平 顾大伟

（南京工业大学数理科学学院，江苏 南京 211800）

利用LabVIEW开发安捷伦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；LabVIEW中的VISA通讯函数配合4284A-LCR的指令集开发测量系统的各功能模块，实现计算机程序控制4284A-LCR测量仪。在集成4284A-LCR测量仪前面板测量功能的基础上，测量系统增加了快速设定频率范围、介电频谱测量、实时图形化显示数据以及测量数据存储等功能。结合加热装置和3146A万用表测温功能，该系统还能够实现介电温谱的测量。

LabVIEW；介电频谱；介电温谱；LCR测量系统

0 引言

LCR测量仪（也称LCR表）是一种常规电学测量仪器，能够测量器件或材料的电感、电容、电阻、阻抗等参数[1]。国内外不同公司推出了各种档次的LCR测量仪。4284A-LCR测量仪是安捷伦公司的一款中端LCR表，在国内高校和科研院所应用广泛。早期4284A-LCR测量仪的开发主要利用BASIC语言，与目前流行的虚拟仪器开发工具差距较大。

LabVIEW是一款基于G语言的虚拟仪器软件开发工具[2]，是目前应用较广的虚拟仪器软件平台之一。LabVIEW平台程序编写过程便捷，控件选择丰富多样，程序框图清晰直观，广泛应用于仪器控制、数据采集、数据显示等领域[3-5]。

本文设计基于LabVIEW的4284A-LCR测量系统，并在计算机端完整移植4284A-LCR的测量功能，增加了自动扫频测量和介电温谱测量等功能。该测量系统可图形化实时显示测量数据，且存储测量数据方便快捷。

1 计算机与4284A-LCR通讯连接

4284A-LCR测量仪提供通用接口总线（general purpose interface bus，GPIB）接口，能够运行可编程仪器的标准命令，计算机通过GPIB控制卡与其相连，使测量工作快捷、简便、精确、高效[6]。本测量系统利用Keithley-GPIB488转接线将计算机USB端口与4284A-LCR的GPIB接口相连接，在计算机端运行程序即可实现仪器程序控制和数据传输。

1.1 VISA协议程序

本文利用LabVIEW中标准的输入/输出应用程序编程接口虚拟仪器软件结构（virtual instrument soft-ware architecture, VISA）控制仪器。VISA是对其他总线驱动函数统一封装的一个高层应用程序接口（application programming interface, API）[7]。LabVIEW内置多个VISA函数方便开发者调用，实现不同功能。

本文基于LabVIEW开发的4284A-LCR读写子虚拟仪器（virtual instrument, VI）程序框图如图1所示。该子VI主要由5个VISA函数构成：VISA打开函数、VISA设备清零函数、VISA写入函数、VISA读取函数和VISA关闭函数[8]。本文测量系统的各功能模块都是利用该子VI进一步开发得到的。

1 基于LabVIEW开发的4284A-LCR读写子VI程序框图

1.2 指令语法

根据安捷伦公司提供的指令语法及测试功能，本文编写4284A-LCR测量系统程序所需的各功能模块子VI，如图2所示。通过程序向4284A-LCR发送指令，可方便对测量系统的功能、量程、运行速度、电平、偏置电压及频率范围等参数进行设定。

图2 4284A-LCR不同功能模块子VI

2 4284A-LCR测量系统

基于LabVIEW平台开发的测量系统不仅集成了4284A-LCR前面板各按键的功能，还增加扫频、介电频谱测量和介电温谱测量功能。此外，该系统还能够图形化实时显示测量数据，并改善4284A-LCR的数据保存功能。4284A-LCR测量系统可分为生成测量指令模块、图形化实时显示模块及测量数据存储模块3个功能模块。

2.1 生成测量指令并写入仪器

基于LabVIEW的4284A-LCR测量系统生成测量指令模块的后面板程序框图如图3所示。程序运行时将相关指令以字符串的形式发送给各功能模块子VI，从而使4284A-LCR测量仪按照对应的指令进行测量。

图3 生成测量指令模块的后面板程序框图

2.2 介电频谱测量与实时图形化显示

在交变电场作用下，由于电介质电容率与电场频率有关，电介质有弛豫现象。在研究元器件的频率特性时，通常使用LCR测量仪的扫频测量功能。本测量系统扫频测量功能程序框图如图4所示，该功能通过定时结构循环实现。根据设定的初始频率、最终频率和步长，可计算测量循环总次数及单次测量循环所对应的频率。利用移位寄存器将测量的频率和电参数分别生成一维数组，传递给-波形图控件，即可在系统界面图形化实时显示测量的介电频谱数据。

2.3 介电温谱测量

在研究介电材料电参量的过程中，周围环境温度变化直接影响材料的介电性能。为丰富4284A-LCR测量仪的测量功能，本文通过增加控温加热装置和测温模块，设计一套介电温谱的测量系统。该系统能够在测量过程中有效反映被测对象各电参数与温度之间的变化关系。介电温谱测量系统的结构图如图5所示。

图4 测量系统扫频测量功能程序框图

介电温谱测量系统选用3146A多功能数字万用表实现测温功能[9]。在系统操作界面可设置3146A的测量参数，如图6所示。采用3146A的四线法电阻测量功能实时测量样品旁PT1000温度传感器的电阻，在程序中利用LabVIEW自带的Convert RTD Reading. VI将电阻值转换成实时温度值。

图6 介电温谱测量系统界面

同理，利用移位寄存器配合定时结构循环，可分别得到温度和电参数2个一维数组；再利用-波形图控件，实时显示测量的介电温谱数据。

2)在密闭容器多相物料料位监测装置上设计一套磁力驱动清洗装置，当法兰盘上的摄像窗及光源照射窗受筒形密闭容器内多相物料沾染模糊不清时，通过喷水清洗管和清洗盘上的橡胶清洗条对法兰盘上的摄像窗及光源照射窗进行清洗，保证摄像窗及光源照射窗的清晰度，为针对密闭容器中多相物料料位的可持续监测提供了有力保障.

2.4 数据保存

在介电频谱和介电温谱测量过程中会产生大量的测量数据。而4284A-LCR测量仪原有的数据保存功能无法满足现在的测量需要。在数据存储方面，LabVIEW提供丰富的控件和子VI选择[10]。利用LabVIEW基础软件包内的“写入测量文件”子VI可将测量数据进行保存。测量数据保存程序框图如图7所示，测量系统将测量结束后的数据以数组的形式传递给“写入测量文件”子VI，利用事件结构决定是否保存当前数据。

图7 测量数据保存程序框图

3 测量系统验证

3.1 介电频谱

为检验基于LabVIEW的4284A-LCR测量系统的性能，本文测量瓷片电容（104）在20Hz ～ 20 kHz范围内的频率特性，如图8所示。

其中表示并联电容，表示损耗因子，表示泄漏电阻，表示电导，表示电纳，表示等效电阻，表示电抗，表示阻抗，°表示损耗角，表示串联电容，表示品质因子。

图8 瓷片电容不同电参数随频率的变化关系

由图8可看出，该测量系统得到的瓷片电容频率特性与厂家给出的特征基本相符[11]。

3.2 介电温谱

本文进一步测量常见电容器电参数随温度的变化情况。在一定温度范围内104瓷片电容的电参数随温度的变化关系如图9所示。

4 结论

利用LabVIEW软件对仪表进行二次开发，可扩展仪表的测量功能，能够更加灵活地运用现有仪器资源。本文基于LabVIEW开发4284A-LCR测量系统，通过Keithley-GPIB488转接线实现计算机与4284A-LCR的通讯连接；在系统界面复现4284A-LCR的前面板功能；并增添图形化实时显示测量数据、自动扫频测量、便捷存储测量数据等功能。配合3146A万用表的测温功能，该系统还可实现介电温谱的测量。这种将计算机、软件及仪器相结合的虚拟仪器模式可更充分、高效地发挥普通仪器的测量功能，为科研人员提供更大助力。

[1] 董轶龙,温思歆,余晓铭,等.一种新型LCR测试仪系统设计[J].无线互联科技,2016,1(13):72-73.

[2] 李江全.LabVIEW虚拟仪器技术及应用[M].北京:机械工业出版社,2019.

[3] 王蕾,成凤敏.LabVIEW仿真软件在电工学教学中的应用[J].中国现代教育装备,2013,11(13):10-12.

[4] 王瑞.LabVIEW数据交互及处理技术在测试软件中的应用[D].太原:中北大学,2016.

[5]KRISMER F, KOLAR J W. Accurate small-signal model for the digital control of an automotive bidirectional dual active bridge[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,2009,24(12): 2756-2768.

[6] 张金,王伯雄,张力新.基于LabVIEW的GPIB总线独立仪器集成测试平台[J].仪表技术与传感器,2010,47(9):13-15.

[7] 魏义虎,陈雷.基于LabVIEW-VISA方式的串口通信研究[J].电子设计工程,2015,23(24):129-131.

[8] 吴伟.基于VISA的仪器通信技术的研究与实现[D].西安:西安科技大学,2009.

[9] 张凯宇,范艾杰,蔡志明,等.基于LabVIEW的3146A多功能测量系统的开发[J].实验室研究与探索,2016,35(1):121-124．

[10] WANG Z, SHANG Y, LIU J, et al. A LabVIEW based auto-matic test system for sieving chips[J]. Measurement, 2013,46 (1):402-410.

[11] 王道发,李沼岐,陈爱平,等.基于LabVIEW的TH2827C数字电桥多功能测量系统开发[J].自动化应用,2021(1):8-11.

Development of 4284A-LCR Measurement System Based on LabVIEW

Li Zhaoqi Wang Daofa Chen Aiping Gu Dawei

(Department of Physics, School of Mathematical Sciences, Nanjing Tech. University, Nanjing 211800, China)

A multifunctional measurement program for the Agilent 4284A-LCR instrument was developed based on LabVIEW. The computer and the 4284A-LCR instrument was connected by a Keithley-GPIB488 adapter cable. The VISA communication functions of LabVIEW and the program commands of 4284A were used to develop the functional modules of the measurment program. In this way, the 4284A-LCR instrument is controlled by a computer program. All keys functions on the 4284A-LCR front panel were ported into this program. Further, functions such as frequency range fast setting, dielectric spectrum measurement, real-time graphical display data and measurement data storage were integrated in this program. Combining a heating device with 3146A multimeter, the system was also capable of measuring dielectric temperature spectra.

LabVIEW; frequency-dependent electrical parameters spectra; temperature dielectric spectrum; measuring system of LCR

李沼岐，男，1999年生，本科在读，主要研究方向：虚拟仪器技术及单片机技术应用。

顾大伟（通信作者），男，1978年生，工学博士，副教授，主要研究方向：虚拟仪器技术及光电功能材料。E-mail: dwgu@njtech.edu.cn

TP274+.2

A

1674-2605(2021)05-0006-05

10.3969/j.issn.1674-2605.2021.05.006