CN104950173B - 一种无源器件等效电路结构及参数测量方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种无源器件等效电路结构及参数测量方法及装置，发送参数可调的宽频信号以得到待测无源器件完整的频率响应，再用高阶信道特性表达式(ARMA零极点模型)逼近该频率响应。采用因式分解或者留数分解将高阶信道特性表达式分解成多个1阶、2阶子式乘积或者和的形式。每个子式对应一个低阶RLC电路。最终将待测无源器件等效为多个1阶、2阶RLC电路的串/并联模型，并给出各个电阻、电感和电容元件的阻抗值。装置包括人机交互模块、数据处理单元、D/A转换器、A/D转换器、测试电路、夹具和电源。该装置电路结构简单，并且能够高精度地给出待测无源器件的高阶等效电路。

Description

一种无源器件等效电路结构及参数测量方法及装置

技术领域

本发明涉及阻抗测量技术领域，具体涉及一种无源器件等效电路结构及参数测量方法及装置，可将待测无源器件等效为多个1阶、2阶RLC电路的串/并联结构，并给出各个电阻、电感和电容元件的阻抗值。

背景技术

在高质量产品的制造和高效率生产环境的构建中，测量技术的重要性与日俱增，精确的测量关键元件的阻抗对于判断产品的工作状态是否良好有着重要意义。在测量领域内，若能通过测量得到无源器件的等效电路结构，那么对于器件匹配电路设计、器件改良，以及高精度的探测器件制造具有重要推动作用。

目前，阻抗测量装置分为两类，一类是测量阻抗值，另一类是计算无源器件等效电路结构。应用较广泛的阻抗测量仪仅能测量出阻抗值，尚不能给出等效电路结构。阻抗测量的方法主要有伏安法、电桥法和谐振法，三种方法性能各异：

1.伏安法。伏安法是较经典的测量阻抗方法，它对向量的测量依赖相敏检测电路，并需要产生两路正交的正弦基准信号，增加了电路结构的复杂度。

如一种基于离散频谱校正技术的阻抗测量仪(专利号CN203012020U)，它的双路采集以及频谱校正的代价使得测量电路复杂。

2.电桥法。利用电桥法进行手动调节能够实现较高精度测量，但是由于复阻抗的平衡条件比较复杂，精度越高，电路结构越复杂，调节操作越繁琐；由单片机控制平衡条件利用自平衡电桥电路进行自动测量，要兼得精度与自动测量的优点，导致测量电路复杂并具较高成本。

如对于一种基于FPGA的便携式阻抗测量仪表(专利号CN102175921A)，其测量的关键是自平衡电桥电路，其低成本以及便携性的代价是测量精度降低。

3.谐振法要求较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度的要求，由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。

现有的求解无源器件等效电路结构的仪器设备是基于对固有电路的拟合方法进行计算的，它得到待测无源器件的幅频特性、相频特性后，利用内部固有几种低阶RLC电路模型不断地调整电路参数进行拟合，得出最优拟合的等效电路。由于其进行拟合的电路结构固定，因此得出的等效电路模型并不一定是最优解。

如上所述，测量阻抗值的仪器不管是采用伏安法、电桥法还是谐振法，它对硬件电路依赖较高，硬件电路通常比较复杂，并且各个电路模块所产生的干扰将对测量结果产生误差。再者，现有的测量无源器件等效电路的仪器设备只能用内部固有低阶电路进行拟合，不但拟合方式不灵活而且拟合精度不高。

发明内容

本发明的目标在于能够高精度给出待测无源器件的等效电路结构，通过发送参数可调的宽频信号以得到待测无源器件完整的频率响应，再用高阶信道特性表达式逼近该频率响应。采用因式分解或者留数分解将高阶信道特性表达式表示成多个1阶、2阶子式乘积或者和的形式。每个子式对应一个低阶RLC电路。最终将待测无源器件等效为多个1阶、2阶RLC电路的串/并联模型，并给出各个电阻、电感和电容元件的阻抗值。

所述无源器件等效电路结构及参数测量装置包括人机交互模块、数据处理单元、D/A转换器、A/D转换器、测试电路、夹具和电源。人机交互模块用于让用户设置测量参数和显示测量结果，其中，可设置宽频信号模式、采样频率、频段范围、持续时间等参数。数据处理单元根据人机交互模块设定的参数产生宽频数字信号，并对测量电路进行控制和对测量数据进行处理。D/A转换器用于将数字信号转换为模拟信号。A/D转换器用于将模拟信号转换为数字信号。测试电路由待测无源器件和内置标准电阻串联组成，同时，一电子开关与待测无源器件并联。夹具从测试电路中引出，用于将待测无源器件接入测试电路。电源给系统供电。其中，人机交互模块与数据处理单元相连，数据处理单元与D/A、A/D转换器均相连，测试电路相连于D/A、A/D转换器之间。

所述无源器件等效电路结构及参数测量方法包括自校准过程、测量待测无源器件等效电路及参数过程。所述的自校准过程是为了消除测试电路内部阻抗所带来的影响。其过程为：用户接入待测无源器件后通过人机交互模块启动测量控制程序，数据处理单元收到启动控制指令后，首先控制内部电子开关闭合，将待测无源器件短路以得到校准电路，校准电路可等效为测试电路内部总阻抗Z₀与内置标准电阻R的串联。数据处理单元根据人机交互模块设定的参数产生相应的宽频数字信号x₁[n]并发送至D/A转换器，D/A转换器将数字信号转换为模拟电信号发送至校准电路作为输入信号x₁[t]。取内置标准电阻R上的分压信号作为输出信号y₁[t]。输出信号y₁[t]经过A/D转换器转换为数字信号y₁[n]并发送至数据处理单元以作为测量待测无源器件时的校准信号。

所述无源器件等效电路结构及参数测量方法中，所述的测量待测无源器件等效电路及参数过程为：完成自校准过程后，数据处理单元控制内部电子开关断开以接入待测无源器件，此时，该电路可等效为测试电路内部总阻抗Z₀、待测无源器件Z和内置标准电阻R的串联。数据处理单元根据人机交互模块设定的参数产生相应的宽频数字信号x₁[n]并发送至D/A转换器，D/A转换器将数字信号转换为模拟电信号发送至该测量电路作为输入信号x₁[t]。取内置标准电阻R上的分压信号作为输出信号y₂[t]。输出信号y₂[t]经过A/D转换器转换为数字信号y₂[n]并发送至数据处理单元。数据处理单元根据上述输入信号x₁[n]、两组输出信号y₁[n]、y₂[n]得到待测无源器件的频率响应，并计算待测无源器件等效电路结构及参数。

其中，所述数据处理单元计算待测无源器件等效电路结构及参数的方法所用的理论依据是把测量电路看作信道，具体方法如下：

1.计算待测无源器件在该测试频段范围内的频率响应H(jω)。将测量电路看作信道，输入信号x[n]经过该信道得到输出信号y[n]。利用x₁[n]、y₁[n]、y₂[n]可以得到除去测试电路内部总阻抗Z₀后待测无源器件在该测试频段范围内的频率响应H(jω)。

2.计算表征该信道的高阶信道特性表达式。用高阶信道特性表达式来逼近已经求得的频率响应H(jω)。高阶信道特性表达式为高阶ARMA零极点模型：

其分子P(jω)和分母Q(jω)均为以频率为变量的高阶多项式。求解该高阶信道特性表达式的方法可以为Yule-Walker法、最小二乘法以及最大似然法等。多项式的阶数可以通过人机交互模块进行设定，也可以由算法程序遍历选定阶数范围再根据拟合最优解得到。

3.对该信道的高阶信道特性表达式进行因式分解或留数分解。因式分解可将高阶信道特性表达式表示成多个低阶子式(1阶或者2阶分式)乘积的形式，留数分解可将高阶信道特性表达式表示成多个低阶子式(1阶或者2阶分式)和的形式。

4.计算低阶子式的等效电路并得出待测无源器件的串/联模型。每一个低阶子式对应一个低阶RLC电路，可根据分解出的低阶子式形式选择其对应RLC电路模型并确定该电路中电阻、电感和电容元件的阻抗值。所述低阶RLC电路是指由电阻、电感、电容串/并联得到的1阶或2阶电路。于是，通过因式分解可将该待测无源器件等效为多个低阶RLC电路的串联模型，或者通过留数分解可将该待测无源器件等效为多个低阶RLC电路的并联模型。

本发明所采用的技术方案包括以下步骤：

测量之前，用户通过夹具将待测无源器件接入，以待测量。

1.参数设置。用户通过人机交互模块对测试信号类型及信号参数进行设置，并选择计算串联或者并联模式。其中信号参数包括宽频信号模式、采样频率、频段范围、持续时间等。

2.产生测量信号。启动测量控制程序，数据处理单元依据设定的参数产生宽频数字信号x₁[n]，该数字信号经过D/A转换器转换为模拟电信号输入到测试电路。

3.自校准。数据处理单元控制内部电子开关闭合，将待测无源器件短路以得到校准电路，校准电路可等效为测试电路内部总阻抗Z₀与内置标准电阻R的串联。取内置标准电阻R上的分压信号作为输出信号y₁[t]，经过A/D转换器转换为数字信号y₁[n]并发送至数据处理单元以作为测量待测无源器件时的校准信号。

4.测量待测无源器件。数据处理单元控制内部电子开关断开以接入待测无源器件，此时，该电路可等效为测试电路内部总阻抗Z₀、待测无源器件Z和内置标准电阻R的串联。取内置标准电阻R上的分压信号作为输出信号y₂[t]，经过A/D转换器转换为数字信号y₂[n]并发送至数据处理单元保存。

5.用高阶信道特性表达式逼近待测无源器件的频率响应。数据处理单元利用上述输入信号x₁[n]、两组输出信号y₁[n]、y₂[n]可以得到除去测试电路内部总阻抗Z₀后待测无源器件在该测试频段范围内的频率响应H(jω)。再以高阶信道特性表达式来逼近该频率响应。可以采用Yule-Walker法、最小二乘法以及最大似然法等方法求解该高阶信道特性表达式。其中，高阶信道特性表达式的阶数可由用户通过人机交互模块设定，也可以由算法程序根据拟合最优解得到。

6.高阶信道特性表达式为高阶ARMA零极点模型，对其分解并计算待测无源器件等效电路结构及参数。数据处理单元根据用户选择的串联模式或者并联模式对步骤5中得到的高阶信道特性表达式进行因式分解或者留数分解，根据分解子式的表达式将该待测无源器件等效为多个对应低阶RLC电路的串/并联结构模型，并给出各个低阶RLC电路中对应电阻、电感和电容元件的阻抗值。

7.数据处理单元将测量结果发送至人机交互界面显示。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明所使用的方法有别于传统的阻抗测量，不需要伏安法的向量测量电路，电桥法的平衡电桥电路，谐振法的谐振电路，因此电路结构简单，仅包括D/A、A/D转换器、测试电路以及可编程数据处理单元，减少了硬件电路模块内部所产生的干扰。

2.本发明的发射信号不再是单频信号或固定频率间隔的扫频信号，而是参数可调的宽频信号，信号模式多样化的同时可得到该待测无源器件完整的频率响应函数。

3.本发明通过软件算法用高阶信道特性表达式逼近待测无源器件的频率响应函数，将拟合出的高阶信道特性表达式进行分解后再根据每个子式的表达式确定其所对应的低阶RLC电路，最终将待测无源器件等效为多个1阶、2阶RLC电路的串/并联模型。而不是利用固有的低阶RLC电路去拟合幅频特性与相频特性曲线，相比于现有的测量无源器件等效电路仪器来说求解精度高。

4.本发明由于能够高精度拟合出待测无源器件的等效电路模型，因此对于测量器件的匹配电路设计、器件制造以及器件改良具有重要推动作用，具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为一种无源器件等效电路结构及参数测量装置的系统组成框图

图2(a)为一种无源器件等效电路结构及参数测量装置中的自校准电路

图2(b)为一种无源器件等效电路结构及参数测量装置中待测无源器件测量电路

图3(a)，3(b)为两种1阶RLC电路

图4(a)4(b)4(c)4(d)4(e)4(f)为六种2阶RLC电路

图5为所述一种无源器件等效电路结构及参数测量方法的工作流程图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明进一步详细地描述。

如图1所示，是本实施例所述一种无源器件等效电路结构及参数测量装置系统总组成框图。该装置包括人机交互模块1，数据处理单元2，D/A转换器3，测试电路4，A/D转换器5，夹具6和电源7。人机交互模块1与数据处理单元2相连，数据处理单元2与D/A转换器3、A/D转换器5均相连，测试电路4相连于D/A转换器3、A/D转换器5之间。测量时，利用夹具6将待测无源器件接入到测试电路4中。

如图2(a)所示，是本实施例自校准电路模型。其中，电子开关用d表示，待测无源器件用Z表示，将测试电路内部总阻抗等效为Z₀，R为内置标准电阻。该回路由输入电压源信号x₁[t]、内部阻抗Z₀和内置标准电阻R串联组成。取内置标准电阻R上的分压信号作为输出信号y₁[t]，输出信号y₁[t]经过A/D转换器转换为数字信号y₁[n]后由数据处理单元保存以作为测量待测无源器件时的校准信号。

如图2(b)所示，是本实施例测量待测无源器件电路模型。该回路由输入电压源信号x₁[t]、内部阻抗Z₀、待测无源器件Z和内置标准电阻R串联组成。取内置标准电阻R上的分压信号作为输出信号y₂[t]，输出信号y₂[t]经过A/D转换器转换为数字信号y₂[n]后由数据处理单元保存。

如图3所示，是本实施例将待测无源器件的高阶信道特性表达式分解后1阶子式所对应的两种1阶RLC电路。

如图4所示，是本实施例将待测无源器件的高阶信道特性表达式分解后2阶子式所对应的六种2阶RLC电路。

如图5所示，是本发明所述一种无源器件等效电路结构及参数测量方法的工作流程图。

测量之前，用户通过夹具将待测无源器件接入，以待测量。

(1)参数设置。用户通过人机交互模块对测试信号类型及信号参数进行设置，并选择计算串联或者并联模式。其中信号参数包括宽频信号模式、采样频率、频段范围、持续时间等。比如发射10ms、采样频率为10MHz、频段为0-1MHz的线性调频信号，并选择计算待测无源器件的并联结构。

(2)产生测试信号。启动测量控制程序，数据处理单元依据设定的参数产生宽频数字信号x₁[n]，该数字信号经过D/A转换器转换为模拟电信号输入到测试电路。

(3)自校准。数据处理单元控制内部电子开关闭合，将待测无源器件短路处理得到自校准电路。该回路由输入电压源信号x₁[t]、内部阻抗Z₀和内置标准电阻R串联组成。取内置标准电阻R上的分压信号作为输出信号y₁[t]，输出信号y₁[t]经过A/D转换器转换为数字信号y₁[n]后由数据处理单元保存以作为测量待测无源器件时的校准信号。

(4)测量待测无源器件。数据处理单元控制内部电子开关断开以接入待测无源器件，该回路由输入电压源信号x₁[t]、内部阻抗Z₀、待测无源器件Z和内置标准电阻R串联组成。取内置标准电阻R上的分压信号作为输出信号y₂[t]，输出信号y₂[t]经过A/D转换器转换为数字信号y₂[n]后由数据处理单元保存。

(5)利用x₁[n]、y₁[n]、y₂[n]三路信号求解待测无源器件的频率响应。

将测量电路看作信道，输入信号x[n]经过该信道得到输出信号y[n]。由x₁[n]、y₁[n]、y₂[n]可得到方程组：

其中，X₁(jω)、Y₁(jω)、Y₂(jω)分别为x₁[n]、y₁[n]、y₂[n]的傅里叶变换，Z₀(jω)为测试电路内部总阻抗Z₀的频率响应函数，Z(jω)为待测无源器件Z的频率响应函数。将上述方程组进行整理可以得到待测无源器件Z的频率响应函数：

将Z(jω)记作H(jω)。

(6)用高阶信道特性表达式逼近待测无源器件的频率响应。以高阶信道特性表达式采用最大似然法来逼近该频率响应，其中，高阶信道特性表达式为ARMA零极点模型，其阶数可由用户通过人机交互模块设定，也可以由算法程序根据拟合最优解得到。在本实施例中，假设用户没有给定拟合阶数，而是由程序自动计算。例如，在该算法的计算过程中，设9阶ARMA零极点模型对该信道特性拟合最优，即拟合误差最小。因此选定阶数n＝9。

(7)分解高阶信道特性表达式并计算待测无源器件的等效电路结构及参数。利用留数分解可将n(n＝9)阶ARMA零极点模型展开成多个1阶、2阶分式的和，其中每一个低阶子式都会对应一个RLC电路模型，通过每个子式的系数可求出该对应低阶RLC电路中电阻、电感和电容的阻抗值，于是可得出该待测无源器件的并联RLC等效电路。

(8)数据处理单元将测量结果发送至人机交互界面显示。

Claims (3)

1.一种无源器件等效电路结构及参数测量方法，其特征在于测量装置包括人机交互模块、数据处理单元、D/A转换器、A/D转换器、测试电路、夹具和电源，所述装置中，人机交互模块与数据处理单元相连，数据处理单元与D/A、A/D转换器均相连，测试电路相连于D/A、A/D转换器之间，测量时，用户通过夹具将待测无源器件接入到测试电路中，通过人机交互模块启动测量；测试发射信号不再是单频信号或固定频率间隔的扫频信号，而是参数可调的宽频信号，信号模式多样化的同时可得到该待测无源器件完整的频率响应函数；

利用数据处理单元中的测量控制程序自动完成自校准过程与测量待测无源器件等效电路及参数过程，自校准过程是为了消除测试电路内部阻抗所带来的影响，以得到除去测试电路内部总阻抗后待测无源器件在该测试频段范围内的频率响应；测试电路由待测无源器件和内置标准电阻串联组成，同时，一电子开关与待测无源器件并联，通过数字处理单元的测量控制程序控制电子开关闭合或者断开完成上述自校准操作与测量待测无源器件，再由数据处理单元计算待测无源器件等效电路结构及参数。

2.根据权利要求1所述的一种无源器件等效电路结构及参数测量方法，其特征在于测量待测无源器件等效电路及参数过程是：利用高阶信道特性表达式来逼近该频率响应并根据分解的子式计算待测无源器件串/并联模型；采用Yule-Walker法、最小二乘法或者最大似然方法求解该高阶信道特性表达式的系数，其中，高阶信道特性表达式的阶数可以由用户通过人机交互模块设定，也可以由算法程序根据拟合最优解得到，再对该高阶信道特性表达式进行因式分解或留数分解，将其表示成多个1阶、2阶子式乘积或者和的形式，其中，每一个低阶子式对应一个RLC电路，可根据分解出的子式形式选择其所对应的RLC电路模型并确定该电路中电阻、电感和电容元件的阻抗值，于是，通过因式分解可将该待测无源器件等效为多个低阶RLC电路的串联模型，或者通过留数分解可将该待测无源器件等效为多个低阶RLC电路的并联模型。

3.根据权利要求1所述的一种无源器件等效电路结构及参数测量方法，其特征在于包括以下步骤：

测量之前，用户通过夹具将待测无源器件接入，以待测量；

1）．参数设置：用户通过人机交互模块对测试信号类型及信号参数进行设置，并选择计算串联或者并联模式，其中信号参数包括宽频信号模式、采样频率、频段范围和持续时间；

2）．产生测量信号：启动测量控制程序，数据处理单元依据设定的参数产生宽频数字信号，该数字信号经过D/A转换器转换为模拟电信号输入到测试电路；

3）. 自校准：数据处理单元控制内部电子开关闭合，将待测无源器件短路以得到校准电路，校准电路等效为测试电路内部总阻抗与内置标准电阻的串联，取内置标准电阻上的分压信号作为输出信号，经过A/D转换器转换为数字信号并发送至数据处理单元以作为测量待测无源器件时的校准信号；

4）. 测量待测无源器件：数据处理单元控制内部电子开关断开以接入待测无源器件，此时，该电路等效为测试电路内部总阻抗、待测无源器件和内置标准电阻的串联，取内置标准电阻上的分压信号作为输出信号，经过A/D转换器转换为数字信号并发送至数据处理单元保存；

5）．用高阶信道特性表达式逼近待测无源器件的频率响应：数据处理单元利用上述输入信号、两组输出信号、可以得到除去测试电路内部总阻抗后待测无源器件在该测试频段范围内的频率响应，再以高阶信道特性表达式来逼近该频率响应，采用Yule-Walker法、最小二乘法或最大似然法求解该高阶信道特性表达式，其中，高阶信道特性表达式的阶数可由用户通过人机交互模块设定，也可以由算法程序根据拟合最优解得到；

6）. 高阶信道特性表达式为高阶ARMA零极点模型，对其分解并计算待测无源器件等效电路结构：数据处理单元根据用户选择的串联模式或者并联模式对步骤5中得到的高阶信道特性表达式进行因式分解或者留数分解，根据分解子式的表达式将该待测无源器件等效为多个对应低阶RLC电路的串/并联结构模型，并给出各个低阶RLC电路中对应电阻、电感和电容元件的阻抗值；

7）．数据处理单元将测量结果发送至人机交互界面显示。