CN105548710B - 一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法，属于阻抗测量领域，包括激励源、被测件、电压表、量程电阻、四端对接口、过零检测电路以及调制‑解调电路。本发明采用过零检测电路与调制‑解调电路使得自动平衡桥能够快速、准确地达到平衡状态，实现了测量精度高、测量速度快、阻抗测量范围广；采用DDS为调制‑解调电路提供参考信号，准确地实现两路参考信号相位相差90°；增加自动平衡桥的平衡状态检测电路，为自动平衡桥快速达到平衡状态提供有力保证；在调制‑解调电路中，采用4个交叉式D/A转换电路，进行增益校准，使自动平衡桥快速达到平衡状态。

Description

一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法

技术领域

本发明属于阻抗测量领域，具体涉及一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法。

背景技术

要实现对被测器件或电路的电阻R、电容C、电感L、品质因数Q等参数的测量，其核心就是阻抗的测量，根据阻抗值可计算出其它参数值。目前，实现阻抗测量的方法有很多种，比如电桥法、谐振法、电压-电流法、RF电压-电流法、网络分析法、自动平衡桥法等，每种方法都有各自的优缺点。电桥法具有测量精度高、成本低，但是测量频率范围窄，且需要手动调节平衡。谐振法可以测量很高的Q值，但是测量精度低。电压-电流法适合于探头类型测试需要，但是工作频率范围受到探头变压器限制。RF电压-电流法和网络分析法具有高的测量频率和范围，但是测量频率低于100kHz时，就不能采用这两种方法。相对于以上几种方法，当要求测量频率f≥20Hz时，选择自动平衡桥方法实现阻抗测量，具有测量精度高、测量速度快、阻抗测量范围广等优点。

目前，常规的自动平衡桥原理图(如图1所示)，利用运算放大器的虚短原理，使被测件的低端处于“虚地”状态，即可得到Lp端误差电流Id＝0，因此Ix＝Ir。通过电压表测得Vx和Vr值，Rr为已知量，就可计算出被测件阻抗值。

采用常规自动平衡桥方法实现阻抗测量，虽然电路简单、容易实现，但是因为受限于运算放大器的特性，测量频率一般只能达到100kHz，测量精度低、测量速度慢、阻抗测量范围窄。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法，设计合理，克服了现有技术的不足，测量精度高、测量速度快、阻抗测量范围广。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种增强型自动平衡桥，包括激励源、被测件、电压表、量程电阻、过零检测电路、调制-解调电路和四端对接口；

所述激励源，被配置为用于为被测件提供激励源信号；

所述电压表包括第一电压表、第二电压表；

所述第一电压表，被配置为用于对被测件进行电压测量；

所述第二电压表，被配置为用于对量程电阻进行电压测量；

所述量程电阻，被配置为用于根据被测件的阻抗范围，选择合适的电阻挡位；

所述四端对接口分别为激励源端、被测件测量端、量程电阻端、误差电流端；

所述激励源、第一电压表、量程电阻、过零检测电路分别对应于四端对接口的激励源端、被测件测量端、量程电阻端、误差电流端；

所述过零检测电路，被配置为用于将误差电流端的误差电流进行过零检测并进行信号处理；

所述调制-解调电路，被配置为用于对过零检测电路输出的信号进行调制和解调。

优选地，所述过零检测电路包括I/V转换电路、信号放大电路、交流耦合电路、第一D/A转换电路、信号放大及滤波电路和平衡状态检测电路，所述I/V转换电路、信号放大电路、交流耦合电路、第一D/A转换电路、信号放大及滤波电路和平衡状态检测电路通过线路依次连接。

优选地，所述调制-解调电路包括0°方向电路和90°方向电路；

所述0°方向电路包括第一乘法器、第一积分电路、第四D/A转换电路和第三乘法器，所述第一乘法器的一端、第一积分电路、第四D/A转换电路和第三乘法器的一端通过线路依次连接；

所述90°方向电路包括第二乘法器、第二积分电路、第七D/A转换电路和第四乘法器，所述第二乘法器的一端、第二积分电路、第七D/A转换电路和第四乘法器的一端通过线路依次连接；

所述第一乘法器的另一端和第二乘法器的另一端组成的公共端连接至信号放大及滤波电路和平衡状态检测电路组成的公共端；所述第三乘法器的另一端和第四乘法器的另一端组成的公共端连接至量程电阻和第二电压表组成的公共端。

优选地，所述0°方向电路还包括第五D/A转换电路，所述90°方向电路还包括第六D/A转换电路；

所述第五D/A转换电路的一端与第二积分电路和第七D/A转换电路组成的公共端相连，另一端与第四D/A转换电路和第三乘法器组成的公共端相连；

所述第六D/A转换电路的一端与第一积分电路和第四D/A转换电路组成的公共端相连，另一端与第七D/A转换电路和第四乘法器组成的公共端相连。

优选地，所述0°方向电路还包括第二D/A转换电路，所述第二D/A转换电路连接至第一积分器的输入端；所述90°方向电路还包括第三D/A转换电路，所述第三D/A转换电路连接至第二积分器的输入端。

优选地，所述调制-解调电路还包括第二DDS和反相电路；

所述第二DDS输出第一路参考信号和第二路参考信号分别至第一乘法器和第二乘法器，第一路参考信号和第二路参考信号幅度相等、频率相等、相位相差90°；

所述第二DDS输出的第一路参考信号和第二路参考信号，经反相电路输出第三路参考信号和第四路参考信号分别至第三乘法器和第四乘法器，第三路参考信号和第四路参考信号幅度相等、频率相等、相位相差90°。

此外，本发明还提到一种阻抗测量方法，测量前首先进行过零检测电路和调制-解调电路的校准，该方法采用上述的一种增强型自动平衡桥，校准方法按如下步骤进行：

步骤1：对过零检测电路和调制-解调电路进行初始化；

步骤2：对过零检测电路的直流信号进行调零校准；

步骤3：对调制-解调电路进行增益校准；

步骤4：对调制-解调电路进行相位校准；

步骤5：对调制-解调电路进行偏移校准；

步骤6：判断自动平衡桥是否达到平衡状态，若没有达到平衡状态，则重新执行步骤2～5，若达到平衡状态，则开始电压信号测量。

在自动平衡桥达到平衡状态后，进行阻抗测量，测量方法包括如下步骤：

步骤1：通过第一电压表Vx和第二电压表Vr对电压信号进行电压测量；

步骤2：根据公式计算出被测件的阻抗值Zx；式中，Rr为标准电阻，Vx和Vr分别为第一电压表和第二电压表测量的电压信号值。

本发明的原理是：

采用四端对输出接口，即Hc端、Hp端、Lp端和Lc端。Hc为激励源端，包括交流信号和直流信号，其中交流信号采用DDS实现，直流信号采用16bit的D/A转化器实现，将交流信号和直流相叠加，进行放大后施加到被测件DUT上。Hp为被测件高端电压测量端，对被测件上电压Vx进行测量。Lc为量程电阻端，根据被测件阻抗值，选择相应的量程电阻挡位，对量程电阻Rr上电压Vr进行测量。Lp为误差电流端，该端电流Id等于被测件上电流Ix与量程电阻上电流Ir之差。

当自动平衡桥没有达到平衡状态时，即误差电流端Lp端的误差电流Id不等于零，误差电流Id经过过零检测电路和调制-解调电路，进行相应转换和处理，包括进行幅度调节和相位调节，最后经过缓冲器反馈到Lc端量程电阻上，以抵消Ix与Ir的差值，直到Ix＝Ir，即Id＝0，自动平衡桥达到平衡状态，因此，被测件低端称为自动平衡桥的虚地点。

当自动平衡桥达到平衡状态后，Id为零，即Ix＝Ir，因此被测件的阻抗值Zx为：

其中，Rr为标准电阻，为已知量，Vx和Vr为待测量，因此，通过公式(1)即可计算出被测件的阻抗值Zx。

本发明所带来的有益技术效果：

本发明提出了一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法，与现有技术相比，一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法，采用过零检测电路与调制-解调电路使得自动平衡桥能够快速、准确地达到平衡状态，实现了测量精度高、测量速度快、阻抗测量范围广，测量频率范围达到20Hz～110MHz；采用DDS为调制-解调电路提供参考信号，准确地实现两路参考信号相位相差90°；增加自动平衡桥的平衡状态检测电路，为自动平衡桥快速达到平衡状态提供有力保证；在调制-解调电路中，采用4个交叉式D/A转换电路，进行增益校准，实现自动平衡桥快速达到平衡状态。

附图说明

图1是常规自动平衡桥的原理图。

图2是本发明一种增强型自动平衡桥的原理图。

图3是本发明一种增强型自动平衡桥中过零检测电路的原理图。

图4是本发明一种增强型自动平衡桥中调制-解调电路的原理图。

图5是本发明一种增强型自动平衡桥中过零检测电路和调制-解调电路的校准流程图。

图6是本发明一种增强型自动平衡桥实现阻抗测量的原理图。

图7是本发明一种采用增强型自动平衡桥实现阻抗测量方法的流程框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1：

如图2所示，一种增强型自动平衡桥，采用四端对接口，包括被测件DUT、激励源、量程电阻Rr、过零检测电路、调制-解调电路、电压表1、电压表2，通过执行调零校准、增益校准、相位校准和偏移校准，自动平衡桥能够快速、准确地达到平衡状态。

如图3所示，一种过零检测电路，主要包括I/V转换、信号放大、交流耦合、D/A转换器N1、信号放大及滤波、平衡状态检测等电路。当Lp端误差电流Id不为零时，先将Id送到I/V转换电路，转换成电压信号，并进行信号放大和交流耦合，只输出交流信号，利用D/A转换器N1为过零检测电路的输出提供直流偏置信号，使B点直流信号约为零。将A点信号进行放大和滤波后，在调制-解调电路之前，设计了一个自动平衡桥的平衡状态检测电路，当自动平衡桥达到平衡状态时，检测电路输出高电平，反之输出低电平，检测电路输出的状态值送到FPGA中进行判断和处理。

如图4所示，一种调制-解调电路，主要由0°方向电路和90°方向电路组成，具体包括乘法器1、乘法器2、乘法器3、乘法器4、积分器1、积分器2、D/A转换器N2、D/A转换器N3、D/A转换器N4、D/A转换器N5、D/A转换器N6、D/A转换器N7以及DDS_2。

DDS_2输出2路参考信号V0和V90，且V0和V90必须保持幅度相等、频率相等、相位相差90°，V0和V90经过反相电路，输出另外2路参考信号V180和V270，且V180和V270同样必须保持幅度相等、频率相等、相位相差90°，这4路参考信号分别送给4个乘法器输入端。

Lp端误差电流Id经过过零检测电路后，将B点输入信号分别送给乘法器1和乘法器2，分别和参考信号V0、V90相乘，于是得到输入信号分别在V0方向分量和V90方向分量，实现输入信号解调功能。

若参考信号V₀＝x·sin(ωt+α)，输入信号V_i＝y·sin(ωt+β)，可得

由公式(2)可以看出，乘法器1和乘法器2的输出信号包含直流分量和交流分量

乘法器1和乘法器2的输出信号送给积分器电路，即对公式(2)进行积分可得：

经过积分器电路后，输出信号的交流分量为零，直流分量为πxy·cos(α-β)，这个直流分量即为输入信号Vi在参考信号V0上的分量。同理可得输入信号Vi在参考信号V90上的分量。

在积分器电路中，包含D/A转换器N2和D/A转换器N3，输出直流偏置信号，分别给积分器1和积分器2的输入端提供一定的直流偏置信号。2路积分器输出的直流信号，分别送给4个D/A转换器N4、N5、N6、N7的参考输入端，调节4个D/A转换器，实现幅度调节。4个D/A转换器的输出送给乘法器3和乘法器4的输入端，分别和参考信号V180、V270相乘，最后将乘法器3和乘法器4的输出相加，实现调制功能。

在图4中，如果只使用D/A转换器N4和N7，同样可以实现幅度调节的功能，增加D/A转换器N5和N6，形成4个交叉式D/A转换器电路，可以有效减小自动平衡桥的平衡时间，提高测量速度。

Lp端误差电流Id的信号流向为Lp→过零检测电路→调制-解调电路→缓冲器→量程电阻→Lc→Lp→……，依次循环，形成一个负反馈环路。

实施例2：

在上述实施例的基础上，本发明提供一种采用自动平衡桥实现阻抗测量的方法，要使自动平衡桥快速、准确地达到平衡状态，测量前过零检测与调制-解调电路需要执行调零校准、增益校准、相位校准、偏移校准等步骤，具体校准流程(如图5所示)按照如下步骤进行：

步骤1：执行过零检测电路与调制-解调电路的初始化工作，主要包括幅度换挡、滤波电路选择、积分电容选择等；

步骤2：执行过零检测电路直流信号调零校准，Lp端误差电流Id经I/V转换和交流耦合后，只需要保留交流信号，调节D/A转换器N1，使B点直流电压为零左右；

步骤3：执行调制-解调电路的增益校准。增益校准是通过调节4个D/A转换器N4、N5、N6和N7，控制反馈信号的幅度；

步骤4：执行调制-解调电路的相位校准。相位校准是通过调节调制-解调电路DDS_2输出信号和激励源电路DDS_1输出信号的相位差，控制反馈信号的相位；

步骤5：执行调制-解调电路的偏移校准，通过调节D/A转换器N2和N3，给积分器的输入信号提供一定的直流偏置信号，使积分器的输出电压在-3V～+3V的中间电压；

步骤6：通过自动平衡桥平衡状态检测电路，判断自动平衡桥是否达到平衡状态，若没有达到平衡状态，则返回到第二步，重新执行过零检测电路的调零校准。若达到平衡状态，则往下进行，开始电压信号Vx和Vr的测量工作。

在自动平衡桥达到平衡状态后，进行阻抗测量，结合图6所示，测量方法(如图7所示)包括如下步骤：

步骤1：将开关S选通第一电压表Vx，通过第一电压表Vx对电压信号进行电压测量；

步骤2：将开关S选通第二电压表Vr，通过第二电压表Vr对电压信号进行电压测量；

步骤3：根据公式计算出被测件的阻抗值Zx；式中，Rr为标准电阻，Vx和Vr分别为电压表1和电压表2测量的电压信号值。

本发明一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法，采用过零检测电路与调制-解调电路使得自动平衡桥能够快速、准确地达到平衡状态，实现了测量精度高、测量速度快、阻抗测量范围广，测量频率范围达到20Hz～110MHz；采用DDS为调制-解调电路提供参考信号，准确地实现两路参考信号相位相差90°；增加自动平衡桥的平衡状态检测电路，为自动平衡桥快速达到平衡状态提供有力保证；在调制-解调电路中，采用4个交叉式D/A转换电路，进行增益校准，实现自动平衡桥快速达到平衡状态。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种增强型自动平衡桥，其特征在于：包括激励源、被测件、电压表、量程电阻、过零检测电路、调制-解调电路和四端对接口；

所述激励源，被配置为用于为被测件提供激励源信号；

所述电压表包括第一电压表、第二电压表；

所述第一电压表，被配置为用于对被测件进行电压测量；

所述第二电压表，被配置为用于对量程电阻进行电压测量；

所述量程电阻，被配置为用于根据被测件的阻抗范围，选择合适的电阻挡位；

所述四端对接口分别为激励源端、被测件测量端、量程电阻端、误差电流端；

所述激励源、第一电压表、量程电阻、过零检测电路分别对应于四端对接口的激励源端、被测件测量端、量程电阻端、误差电流端；

所述过零检测电路，被配置为用于将误差电流端的误差电流进行过零检测并进行信号处理；

所述调制-解调电路，被配置为用于对过零检测电路输出的信号进行调制和解调；

所述过零检测电路包括I/V转换电路、信号放大电路、交流耦合电路、第一D/A转换电路、信号放大及滤波电路和平衡状态检测电路，所述I/V转换电路、信号放大电路、交流耦合电路、第一D/A转换电路、信号放大及滤波电路和平衡状态检测电路通过线路依次连接；

所述调制-解调电路包括0°方向电路和90°方向电路；

所述0°方向电路包括第一乘法器、第一积分电路、第四D/A转换电路和第三乘法器，所述第一乘法器的一端、第一积分电路、第四D/A转换电路和第三乘法器的一端通过线路依次连接；

所述90°方向电路包括第二乘法器、第二积分电路、第七D/A转换电路和第四乘法器，所述第二乘法器的一端、第二积分电路、第七D/A转换电路和第四乘法器的一端通过线路依次连接；

所述第一乘法器的另一端和第二乘法器的另一端组成的公共端连接至信号放大及滤波电路和平衡状态检测电路组成的公共端；所述第三乘法器的另一端和第四乘法器的另一端组成的公共端连接至量程电阻和第二电压表组成的公共端；

所述0°方向电路还包括第五D/A转换电路，所述90°方向电路还包括第六D/A转换电路；

所述第五D/A转换电路的一端与第二积分电路和第七D/A转换电路组成的公共端相连，另一端与第四D/A转换电路和第三乘法器组成的公共端相连；

所述第六D/A转换电路的一端与第一积分电路和第四D/A转换电路组成的公共端相连，另一端与第七D/A转换电路和第四乘法器组成的公共端相连。

2.根据权利要求1所述的增强型自动平衡桥，其特征在于：所述0°方向电路还包括第二D/A转换电路，所述第二D/A转换电路连接至第一积分器的输入端；所述90°方向电路还包括第三D/A转换电路，所述第三D/A转换电路连接至第二积分器的输入端。

3.根据权利要求1所述的增强型自动平衡桥，其特征在于：所述调制-解调电路还包括第二DDS和反相电路；

所述第二DDS输出第一路参考信号和第二路参考信号分别至第一乘法器和第二乘法器，第一路参考信号和第二路参考信号幅度相等、频率相等、相位相差90°；

所述第二DDS输出的第一路参考信号和第二路参考信号，经反相电路输出第三路参考信号和第四路参考信号分别至第三乘法器和第四乘法器，第三路参考信号和第四路参考信号幅度相等、频率相等、相位相差90°。

4.一种阻抗测量方法，其特征在于：测量前首先进行过零检测电路和调制-解调电路的校准，采用如权利要求1所述的一种增强型自动平衡桥，校准方法按如下步骤进行：

步骤1：对过零检测电路和调制-解调电路进行初始化；

步骤2：对过零检测电路的直流信号进行调零校准；

步骤3：对调制-解调电路进行增益校准；

步骤4：对调制-解调电路进行相位校准；

步骤5：对调制-解调电路进行偏移校准；

步骤6：判断自动平衡桥是否达到平衡状态，若没有达到平衡状态，则重新执行步骤2～5，若达到平衡状态，则开始电压信号测量；

在自动平衡桥达到平衡状态后，进行阻抗测量，测量方法包括如下步骤：

步骤1：通过第一电压表和第二电压表对电压信号进行电压测量；

步骤2：根据公式计算出被测件的阻抗值Zx；式中，Rr为标准电阻，Vx和Vr分别为第一电压表和第二电压表测量的电压信号值。