CN102621385B - 电路稳定度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电路稳定度补偿方法，用以校准具有一反馈电路的阻抗测量装置。电路稳定度补偿方法包含下列步骤：提供一第一标准阻抗以执行一第一测量程序；提供一第二标准阻抗以执行一第二测量程序；由第一测量程序与第二测量程序的测量结果，计算反馈电路的一相位偏移；依据相位偏移执行一校准程序，所述校准程序调整阻抗测量装置的频率响应特性。借此，本发明可使得阻抗测量装置不会受到反馈电路和测试缆线的限制。

Description

电路稳定度补偿方法

技术领域

本发明涉及一种电路稳定度补偿方法，并且特别涉及一种计算阻抗测量电路的反馈电路特性，并补偿阻抗测量电路相位的电路稳定度补偿方法。

背景技术

一般来说，于阻抗测量模块中，各个元件的间通过缆线(cable)互相连接，但在测量信号传输的过程中，缆线往往会造成测量信号的相位差，使得阻抗测量的结果有误差。因此，传统的阻抗测量模块于低频范围使用四线式(four-terminal pairs)方法进行阻抗测量时，需要进行校正程序。举例来说，秀树(Hideki)于美国第6,054,867号专利中提到了阻抗测量的传统方法。其中，Hideki指出于阻抗测量时，至少需要使用三种以上且具有不同测量值的标准阻抗，分别连接于阻抗测量模块的中以进行三次或多次的校准。也就是说，传统的阻抗测量方法是通过三次以上的校准，以消除连接待测物(deviceunder test，DUT)的缆线的影响因素，如缆线材质、长短或者其他原因，以得到精确的测量值。

然而，多次更换标准阻抗增加了需要花费的校准时间，于更换标准阻抗时也可能一并产生其他的误差。再者，随着测量频率的增加，连接待测物的连接线所产生的相位偏移(Phase Shift)不仅会降低测量的精确度，而且阻抗测量模块中反馈电路也会因相位的位移而导致整体系统的不稳定。因此，以往的设计方式为了维持测量的稳定度，会对使用于反馈路径中用以测量的缆线作严格的限制(包括材质、长度等)，而降低阻抗测量模块使用上的弹性。

因此，针对上述问题需要一种新的电路稳定度补偿方法，使得在高频阻抗测量时，能够通过相位补偿以解决高频测量时因缆线不同所导致的测量准确与稳定度问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电路稳定度补偿方法，使得阻抗测量装置于进行高频阻抗测量时，能计算阻抗测量装置中反馈电路的相位偏移，并通过相位补偿以解决高频测量时的测量准确与稳定度问题。

本发明提出一种电路稳定度补偿方法，用以校准具有一反馈电路的阻抗测量装置。电路稳定度补偿方法包含下列步骤：提供一第一标准阻抗以执行一第一测量程序；提供一第二标准阻抗以执行一第二测量程序；由第一测量程序与第二测量程序的测量结果，计算反馈电路的一相位偏移；依据相位偏移执行一校准程序，所述校准程序调整阻抗测量装置的频率响应特性。

于一示范实施例中，本发明的第一测量程序包含下列步骤：于阻抗测量装置的一第一电流回路中，提供一第一标准电压；自第一电流回路中，产生对应第一标准阻抗的一第一测量电压；于阻抗测量装置的一第二电流回路中，提供一第二标准电压；自第二电流回路中，产生对应第一标准阻抗的一第二测量电压。此外，第二测量程序包含下列步骤：于阻抗测量装置的第一电流回路中，提供第一标准电压；自第一电流回路中，产生对应第二标准阻抗的一第三测量电压；于阻抗测量装置的第二电流回路中，提供第二标准电压；自第二电流回路中，产生对应第二标准阻抗的一第四测量电压。

本发明的有益效果在于，本发明的电路稳定度补偿方法利用两个已知阻抗的待测物与两组可控制的信号源，判断阻抗测量装置的反馈电路特性，使得当阻抗测量装置被置入任意待测物时，可调整最佳的相位补偿量，使得阻抗测量装置不会受到反馈电路和测试缆线(cable)的限制，仍可维持系统的精确与稳定度。

关于本发明的优点与精神可以通过以下的发明详述及所附附图得到进一步的了解。

附图说明

图1A为应用本发明的阻抗测量装置的功能方框图。

图1B为应用本发明的阻抗测量装置的等效电路示意图。

图2为根据本发明的一示范实施例的电路稳定度补偿方法的流程图。

图3为根据本发明的第一测量程序的流程图。

图4为反馈回路转移函数对应阻抗至复数平面的示意图。

图5为调整反馈回路转移函数的示意图。

其中，附图标记说明如下：

2：阻抗测量装置

20、30、40、50：测量缆线

21、51：电阻

22、43、45、74：电流回路切换器

23、46、70、71：信号源

31、42、72：向量电位计

41、44、47、73：放大器

60：待测物载台

61：第一端

62：第二端

Z₁、Z₂：阻抗

S10～S16、S102～S108：流程步骤

具体实施方式

请一并参阅图1A以及图1B。图1A为应用本发明的阻抗测量装置的功能方框图。本发明的电路稳定度补偿方法用以校准阻抗测量装置2，且阻抗测量装置2至少具有一反馈电路。以下分别描述本发明的电路稳定度补偿方法的流程以及相对应的元件。

如图1A所示，阻抗测量装置2为一种四线式的测量载具，使得待测物载台60分别连接测量缆线20、测量缆线30、测量缆线40以及测量缆线50。其中，电阻21、电流回路切换器22与信号源23通过测量缆线20连接待测物载台60的第一端61，且电流回路切换器22用以切换测量缆线20，电流回路切换器22应连接至信号源23或连接至电位地面。待测物载台60用以设置标准阻抗以及其他未知阻抗的待测物。另外，向量电位计31通过测量缆线30连接待测物载台60的第一端61。

另一方面，测量缆线40以及测量缆线50之间为一反馈电路。测量缆线40的一端连接待测物载台60的第二端62，而测量缆线40的另一端连接输入放大器41、向量电位计42、电流回路切换器43、窄带高增益放大器44、电流回路切换器45、信号源46以及输出放大器47。此外，电阻51连接于输出放大器47的输出端以及测量缆线50之间，并且电阻51通过测量缆线50连接待测物载台60的第二端62。

为了方便说明，在此将图1A简化成戴维宁(Thevenin)等效电路如图1B。图1B为应用本发明的阻抗测量装置的等效电路示意图。如图1B所示，阻抗Z₁与阻抗Z₂分别为从第一端61以及第二端62对地所看出去的戴维宁等效阻抗值，信号源70与信号源71则分别代表两个戴维宁等效的信号源，输入放大器73具有开回路增益值A。其中，当信号源23用以提供E₁电压，且信号源46用以提供电压时，信号源70与信号源71则分别提供K₁E₁电压以及电压，K₁，A，Z₁，Z₂皆为复数变量。以下搭配本发明的电路稳定度补偿方法，介绍如何通过切换不同的信号源与向量电位计72的测量值，以求得这些变量的过程。

电流回路切换器74整合了电流回路切换器43以及电流回路切换器45。举例来说，当电流回路切换器43未导通且电流回路切换器45连接至电位地面时，则相当于从待测物载台60的第二端62看出去，电流回路切换器74连接至电位地面。

请一并参阅图1B、图2以及图3，图2为根据本发明的一示范实施例的电路稳定度补偿方法的流程图。图3为根据本发明的第一测量程序的流程图。如图所示，于步骤S10中，首先将标准阻抗Z_xs1置入待测物载台60以执行一第一测量程序。在此，第一测量程序还可进一步由步骤S102至步骤S108说明。于步骤S102中，当标准阻抗Z_xs1置入待测物载台60后，可形成一电流回路，此电流回路由电流回路切换器22与电流回路切换器74所决定。于本步骤中，阻抗测量装置2的电流回路切换器22连接到信号源70，电流回路切换器74连接到电位地面。借此，阻抗测量装置2中可形成一信号源70、阻抗Z₁、标准阻抗Z_xs1与阻抗Z₂以接地的电流回路。

于步骤S104中，向量电位计72可由步骤S102的电流回路中，产生对应标准阻抗Z_xs1的一测量电压其中，由图1B的阻抗测量装置2的等效电路可运算出测量电压如下式(1)所示。

于步骤S106中，阻抗测量装置2还可切换成另一种电流回路，使得电流回路切换器22连接到电位地面，电流回路切换器74连接到信号源71。借此，阻抗测量装置2中可形成一信号源71、阻抗Z₂、标准阻抗Z_xs1与阻抗Z₁以接地的电流回路。

于步骤S108中，向量电位计72可由步骤S106的电流回路中，产生对应标准阻抗Z_xs1的一测量电压其中，由图1B的阻抗测量装置2的等效电路可运算出第一测量电压如下式(2)所示。

同理，于步骤S12中，阻抗测量装置2可通过开关电流回路切换器22与电流回路切换器74以产生两种电流回路，从而产生对应标准阻抗Z_xs2的测量电压以及测量电压如下式(3)、(4)所示。

接着，于步骤S14中，由已知的标准阻抗Z_xs1与Z_xs2以及各个测量电压，能够分别推算出阻抗测量装置2于第一端61以及第二端62对地所看出去的戴维宁等效阻抗Z₁与阻抗Z₂。分别如下式(5)、(6)所示。

$Z_1=\frac{C_2{C}_3{Z}_{\mathrm{xs}2}-C_1{C}_4{Z}_{\mathrm{xs}1}}{C_1{C}_4-C_2{C}_3}\·\·\·\left(5\right)$

$Z_2=\frac{C_1{C}_3(C_4-C_2)(Z_{\mathrm{xs}2}-Z_{\mathrm{xs}1})}{(C_1-C_3)\left({C_1{C}_4-C}_2{C}_3\right)}\·\·\·\left(\text{6}\right)$

其中，四个转移函数值C₁、C₂、C₃与C₄分别为以及当然，上述的转移函数值C₁、C₂、C₃与C₄皆分别可由算式(1)、(2)、(3)与(4)推导而得，在此不予赘述。于应用上，转移函数值C₁、C₂、C₃与C₄可视为已知，举例来说，当信号源23提供E₁电压且测量电压为已知时，转移函数值C₁当然可轻易推得而知。

此外，本发明所属技术领域技术人员可通过步骤S14的运算结果，进一步推导出阻抗测量装置2的反馈回路转移函数(null loop transfer function)G，如下式(7)所示。

在此，上式中Z₀＝Z₁+Z₂，且Z_x可为任意阻抗或者标准阻抗Z_xs1、Z_xs2。一般来说，反馈回路转移函数G又可表示为下列形式，如下式(8)所示。

$G=(K_p+K_q)\frac{Z_x+\frac{K_q}{(K_p+K_q)}{Z}_o}{Z_x+Z_0}\·\·\·\left(8\right)$

当比较算式(7)与算式(8)时，K_p与K_q可推得如下式(9)以及下式(10)。

若以上述转移函数值C₁、C₂、C₃与C₄表示时，K_p与K_q可进一步表示如下式(11)以及下式(12)。

而Z₀又可表示如下式(13)所示。

$Z_o\frac{C_3{Z}_{\mathrm{xs}2}-C_1{Z}_{\mathrm{xs}1}}{C_1-C_3}\·\·\·\left(13\right)$

从算式(11)、(12)、(13)可看出，本发明的电路稳定度补偿方法可利用已知的两个标准阻抗(Z_xs1以及Z_xs2)，与四个转移函数值C₁、C₂、C₃、C₄，可以计算出K_p、K_q、Z_o三个参数值。实际应用上，当带入任意阻抗Z_x时，反馈回路转移函数G可对应阻抗Z_x至一复数平面，且通过所述对应的结果阻抗Z_x应落于复数平面的右半面。

请参阅图4。图4为反馈回路转移函数对应阻抗至复数平面的示意图。如图所示，当带入任意阻抗Z_x时，阻抗Z_x位于所述复数平面的右半面，且可运算出圆心坐标值，继而求出圆心与复数平面实数轴的相位偏移a。然而，所属技术领域技术人员应明了，窄带高增益放大器在窄带内有±90度的相位特性，故图4的反馈回路转移函数的相位范围涵盖了复数平面的正实数轴。若从控制理论的特征方程式零点位置来看，反馈回路若涵盖到图4中坐标(1，0)，则阻抗测量装置就会发生振荡，造成测量的不稳定。

因此，为了避免阻抗测量装置就会发生振荡，本发明于步骤S16中，依据前述的相位偏移执行一校准程序，且校准程序可调整阻抗测量装置的频率响应特性。于此一步骤中，本发明将反馈回路转移函数的相位范围加以调整，使其不再涵盖复数平面的正实数轴。在此举图5为例，请参阅图5。图5为调整反馈回路转移函数的示意图。如图5所示，本发明的校准程序可将反馈回路转移函数的相位范围转换至复数平面的左半面，使圆心坐标位限制于负实数轴上，以避开复数平面上的坐标(1，0)位置。另外，若事先已算出相位偏移a，当然可利用可变相移器来作180°-a的相位移，使得反馈回路的相位角所包含的范围避开复数平面的正实数轴。在此，由于调整反馈回路转移函数的相位范围有许多方法，本发明不加以限制，所属技术领域技术人员可自行决定。

值得注意的是，传统的阻抗测量方法中，通常包含开路(open)测量、短路(short)测量以及负载(load)测量，也就是说，用以测量的待测物的阻抗应分别为无限大、零以及其他阻抗值。但是，所属技术领域技术人员应明了，于进行高频测试时，待测物往往会耦合环境中的信号，故要求待测物的阻抗趋近于无限大是相当困难的，同时也更容易因而造成测量的误差。

然而，本发明与传统的阻抗测量方法不同的是，本发明仅需通过两个标准阻抗，即可运算阻抗测量装置的反馈电路特性。借此，本发明不必需选择开路测量，而能选择短路测量以及负载测量，不仅降低高频测量时的非理想情况，也能够更准确的计算阻抗测量装置的反馈电路特性。

综上所述，本发明的电路稳定度补偿方法利用两个已知阻抗的待测物与两组可控制的信号源，判断阻抗测量装置的反馈电路特性。与传统技术相比，传统技术往往需要使用三个或三个以上已知阻抗的待测物方能判断阻抗测量装置的反馈电路特性，因此本发明能够进一步简化测量流程，加快测量的速度。此外，当阻抗测量装置被置入任意待测物时，本发明可调整最佳的相位补偿量，使得阻抗测量装置不会受到反馈电路和测试缆线的限制，仍可维持系统的精确与稳定度。

通过以上较佳具体实施例的详述，希望能更加清楚描述本发明的特征与精神，而并非以上述所揭示的较佳具体实施例来对本发明的范畴加以限制。相反地，其目的是希望能涵盖各种改变及具等同性的安排于本发明所欲申请的专利范围的范畴内。

Claims (6)

1.一种电路稳定度补偿方法，用以校准一阻抗测量装置，该阻抗测量装置具有一反馈电路，该方法包含下列步骤：

提供一第一标准阻抗以执行一第一测量程序；

提供一第二标准阻抗以执行一第二测量程序；

由该第一测量程序与该第二测量程序的测量结果，计算该反馈电路的一相位偏移；以及

依据该相位偏移执行一校准程序，该校准程序调整该阻抗测量装置的频率响应特性，其中该校准程序将反馈回路转移函数的相位范围加以调整，使其不再涵盖复数平面的正实数轴。

2.如权利要求1所述的电路稳定度补偿方法，其特征在于，该第一测量程序包含下列步骤：

于该阻抗测量装置的一第一电流回路中，提供一第一标准电压；

自该第一电流回路中，产生对应该第一标准阻抗的一第一测量电压；

于该阻抗测量装置的一第二电流回路中，提供一第二标准电压；以及

自该第二电流回路中，产生对应该第一标准阻抗的一第二测量电压。

3.如权利要求2所述的电路稳定度补偿方法，其特征在于，该第二测量程序包含下列步骤：

于该阻抗测量装置的该第一电流回路中，提供该第一标准电压；

自该第一电流回路中，产生对应该第二标准阻抗的一第三测量电压；

于该阻抗测量装置的该第二电流回路中，提供该第二标准电压；以及

自该第二电流回路中，产生对应该第二标准阻抗的一第四测量电压。

4.如权利要求3所述的电路稳定度补偿方法，其特征在于，于计算该反馈电路的该相位偏移的步骤中，依据该第一标准阻抗、该第二标准阻抗、该第一标准电压、该第二标准电压、该第一测量电压、该第二测量电压、该第三测量电压与该第四测量电压以计算该相位偏移。

5.如权利要求3所述的电路稳定度补偿方法，其特征在于，于计算该反馈电路的该相位偏移的步骤中，包含下列步骤：

由该第一标准电压与该第一测量电压计算一第一转移函数；

由该第二标准电压与该第二测量电压计算一第二转移函数；

由该第一标准电压与该第三测量电压计算一第三转移函数；

由该第二标准电压与该第四测量电压计算一第四转移函数；以及

依据该第一转移函数、该第二转移函数、该第三转移函数与该第四转移函数计算该相位偏移。

6.如权利要求1所述的电路稳定度补偿方法，其特征在于，该第二测量程序包含下列步骤：

于该阻抗测量装置的一第一电流回路中，提供一第一标准电压；

自该第一电流回路中，产生对应该第二标准阻抗的一第三测量电压；

于该阻抗测量装置的一第二电流回路中，提供一第二标准电压；以及

自该第二电流回路中，产生对应该第二标准阻抗的一第四测量电压。