CN106093577A - 一种阻抗快速比较测量方法及测量电路 - Google Patents

Abstract

本发明为一种阻抗快速比较测量方法及测量电路。该方法基于传统的交流电桥技术，采用两路任意信号发生器作为两路串联数字源，实现任意矢量电压比率。两个串联的被比较阻抗与两路数字源构成一个四臂电桥。本发明还提出一种自动虚地方法，实现被比较阻抗中心点自动虚地电位，大大降低对数字源调节细度的要求。利用同步差分采样技术，可实现被比较阻抗比率的快速、精密测量，从而实现任意被测阻抗到参考标准阻抗的快速量值溯源。

Description

一种阻抗快速比较测量方法及测量电路

技术领域

本发明属于计量测试技术领域，涉及电学交流阻抗精密测量的一种数字比较测量方法及测量电路，尤其涉及能够实现任意阻抗比、提高测量精度的自动虚地方法。

背景技术

在正弦稳态下，线性时不变二端电路的以向量表示的电压相量与电流相量之比，即在电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。三个基本阻抗量为交流电阻、电容和电感。阻抗常用Z表示，即复数阻抗的简称，其实部称为电阻，虚部称为电抗。电抗中电容在电路中对交流电所起的阻碍作用称为容抗，电感在电路中对交流电所起的阻碍作用称为感抗。

交流阻抗测量是电气测量技术的一个重要部分。通过被测阻抗与参考阻抗的比较(差值)测量，可快速准确地获得被测阻抗量值。电压矢量比法是比较常用的一种阻抗比较测量方法，在数字电桥(LCR测量仪)中被广泛应用。

数字技术的发展使得电压矢量比法在现代阻抗测量仪器获得普遍应用。为实现高精度的交流阻抗比较测量，需仔细考虑测量线路接地及屏蔽设计。但常规电压矢量比较法存在虚地电位不完善、存在泄露电流、采样测量精度不高等缺点。测量精度都在0.02％及以下。

发明内容

本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，提出一种可实现任意阻抗比的阻抗比较测量方法。该方法基于传统的交流电桥技术，采用两路任意信号发生器作为两路串联数字源，实现任意矢量电压比率。两个串联的被比较阻抗与两路数字源构成一个四臂电桥。提出一种自动虚地方法，实现被比较阻抗中心点自动虚地电位，大大降低对数字源调节细度的要求。利用差分同步采样技术，可实现被比较阻抗比率的快速、精密测量，从而实现任意被测阻抗到参考标准阻抗的快速量值溯源。

根据本发明的一个方面，提供一种阻抗快速比较测量方法，该方法包括以下步骤：采用信号发生数字源U₁和U₂，公共端相串联且公共端接地电位；被比较阻抗Z₁和Z₂串联后与信号发生数字源U₁和U₂并联；通过放大器A放大阻抗Z₁和Z₂中心点o的电位，再通过变压器T₁将信号反向注入信号发生数字源U₁或U₂的输出端；通过双通道同步差分数字采样，消除阻抗Z₁和Z₂低端L_p1和L_p2中间的阻抗中心引线影响，并实现被比较阻抗Z₁和Z₂上电压比率的准确测量。

进一步地，采用数字采样器ADC0和ADC1。

进一步地，在双通道同步差分数字采样线路中，两个阻抗Z₁和Z₂的输出低端L_p1和L_p2引线串接高精度跟随器F₁和F₂。

进一步地，由信号发生数字源U₁和U₂和被比较阻抗Z₁和Z₂所形成的电路中，阻抗Z₁和Z₂高端加入扼流圈C₁和C₂。

进一步地，信号发生数字源U₁和U₂与数字采样器ADC0和ADC1之间，通过仪器总线进行信号同步和采样触发，实现同步数字信号采样。

进一步地，变压器T₁变比设置为任意比n:1，其中n>1。

进一步地，变压器T₁变比设置为10:1。

根据本发明的另一个方面，提供一种阻抗快速比较测量电路，该电路包括：信号发生数字源U₁和U₂，公共端相串联且公共端接地电位；被比较阻抗Z₁和Z₂串联后与信号发生数字源U₁和U₂并联；放大器A连接至阻抗Z₁和Z₂中心点o，变压器T₁与放大器A连接将信号反向注入信号发生数字源U₁或U₂的输出端；两个双通道同步差分数字采样模块分别连接至阻抗Z₁和Z₂两端。

进一步地，两个阻抗Z₁和Z₂的输出低端L_p1和L_p2引线串接高精度跟随器F₁和F₂。

进一步地，在信号发生数字源U₁和U₂和被比较阻抗Z₁和Z₂所形成的电路中，在阻抗Z₁和Z₂串联扼流圈C₁和C₂。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：区别于常规电压矢量比测量方法，本发明提出的自动虚地电位获取方法和差分同步采样线路，原理上不影响阻抗比测量，阻抗比测量精度仅由采样器测量精度决定。可实现准确快速的交流阻抗测定。

附图说明

通过结合附图对本公开示例性实施方式进行更详细的描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显，其中，在本公开示例性实施方式中，相同的参考标号通常代表相同部件。

图1显示了电压矢量比法测量阻抗的原理图。

图2显示了一种可实现任意阻抗比的阻抗比较测量的原理图。

图3显示了组合跟随器电路图。

图4显示了2路差分采样器原理图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的优选实施方式。虽然附图中显示了本公开的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本公开更加透彻和完整，并且能够将本公开的范围完整地传达给本领域的技术人员。

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题对本发明进行阐述。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

传统的电压矢量比法是常用的一种阻抗比较测量方法，原理图如图1所示。通过运用运算放大器的高开环增益设置a点的虚地电位，并保证流过参考阻抗Z_O和被测阻抗Z_X的电流相等，由下面公式可以求出被测阻抗Z_X。

$\frac{\stackrel{\·}{V_X}}{Z_X}=\frac{\stackrel{\·}{V_O}}{R_O}\⇒Z_X\frac{\stackrel{\·}{V_X}{R}_O}{\stackrel{\·}{V_O}}=R_O\[\mathrm{Re}\frac{\stackrel{\·}{V_X}}{\stackrel{\·}{V_O}}+\mathrm{Im}\frac{\stackrel{\·}{V_X}}{\stackrel{\·}{V_O}}\]---\left(1\right)$

在精密交流测量中，屏蔽防护非常重要。上述电压矢量比较法存在虚地电位不完善、存在泄露电流、采样测量精度不高等缺点。图1中运算放大器A₀的放大倍数限制了虚地电位精度，另外运算放大器A₀输入端和输出端之间的等效电容并联在被测阻抗Z_X上，存在电流泄漏，测量精度受到限制。

本发明实施例提出一种具有自动虚地电位的高精度阻抗快速比较测量方法。测量线路原理图如图2所示。

两路任意信号发生数字源U₁和U₂，通过它们的公共端相串联，用于实现任意幅值比和相位差的矢量比率电压输出。两路数字源公共端接地电位。被比较阻抗Z₁和Z₂串联后，与两路数字源并联，形成一个任意阻抗比四臂电桥。

受信号数字源调节细度限制，输出的矢量电压比不能完全调整到被比较阻抗的比率。另外细致的数字信号源输出调整也会影响测量速度。本发明提出一种自动虚地电位实现方法，通过一个放大器A放大阻抗中心点o的电位，再利用变压器T₁将信号反向注入U₁或U₂数字源的输出端，从而利用负反馈获得阻抗中心点o虚地电位。这样，仅需粗略调整数字源输出即可在阻抗中心点o获得足够低的虚地电位。中心点虚地电位可在放大器A后用数字电压表或锁相放大器M监测。

工作电流流过两个被比较阻抗中心线，将会对电压比率测量造成影响。在采样线路中，两个阻抗Z₁和Z₂的输出低端L_p1和L_p2引线串接一个高精度跟随器F₁和F₂，可转移采样器输入电容，避免在被比较阻抗上并联电容，影响阻抗比。

利用双通道同步差分数字采样的方法，消除中心点引线影响并实现被比较阻抗Z₁和Z₂上电压比率的准确测量。数字信号源与数字采样器之间，通过仪器总线进行信号同步和采样触发，实现同步整周期数字信号采样。

上述电路具体实施方式为：

任意信号发生数字源U₁和U₂采用NI-PXI 6733多通道高速模拟输出卡作为两路任意波形信号源。也可用商用双通道任意信号发生器(例如Aglient 33522B)作为信号发生器。

本实例以被测阻抗Z₁为电感L，阻抗Z₂为参考标准电阻R为例，通过参考电阻的标准值比较测量被测电感值。本实例还可用于交流电阻与电容的比较，实现交流电阻及其时间常数的溯源。

为了保证流过标准电阻和被测阻抗的电流相等，需要在阻抗中心点o设置虚地电位，使得中心点o电位等于地电位。本系统中应用的虚地电位获取方法如图2所示。通过一个放大器A放大阻抗中心点o的电位，放大器放大倍数≥1000倍。通过变压器T₁将放大信号反向注入U₁或U₂数字源的输出端。从而通过负反馈获得阻抗中心点o虚地电位。变压器T₁注入变比设置为10:1，可极大降低其输出阻抗，降低对测量线路的影响。中心点虚地电位可在放大器A后用数字电压表或锁相放大器M进行监测。

本实施例利用双通道差分采样的方法，消除L_p1和L_p2中间的阻抗中心引线影响。本实例选用NI PXI-5922高速双通道数据采集卡，利用板卡物理通道Unbalanceddifferential的设置，可实现双通道差分采样功能。2路差分采样器原理如图4所示。NIPXI-5922为目前分辨率和动态范围最高的数字化仪，可实现被比较阻抗Z₁和Z₂上电压比率的准确测量。

为了防止泄露电流，还需要避免在被比较阻抗Z₁和Z₂并入任何杂散电容。在采样线路中，两个阻抗Z₁和Z₂的输出低端L_p1和L_p2引线串接一个高精度跟随器F₁和F₂，可转移采样器输入电容，避免在被比较阻抗上引入并联杂散电容，影响阻抗比的测量。为确保测量精度，跟随器F₁和F₂采用高精度双极跟随器，其原理图如图3所示。

用同步数据采集卡采集标准电阻Z₂和被测阻抗Z₁的两端电压V_Z2与V_Z1。若τ为标准电阻Z₂的时间常数。记Z₁＝R_S+jωL_S、Z₂＝R₀(1+jωτ)，可得计算公式如下：

$\frac{Z_1}{Z_2}=-\frac{V_{z2}}{V_{z1}}=-\frac{R_S+{\mathrm{j\ωL}}_S}{R_0(1+j\mathrm{\ω}\mathrm{\τ})}=-(A+jB)---\left(2\right)$

整理得:

R_S＝-R₀(A-ωBτ) (3)

$L_S=-R_0(\frac{B}{\mathrm{\ω}}+A\mathrm{\τ})---\left(4\right)$

式中；R_s为电感等效串联电阻；

L_s为串联等效电感值；

R₀为标准电阻实际值。

通过DFT变换数字信号处理，可以准确得到参考标准电阻Z₂两端电压V_Z2和被测阻抗Z₁两端电压V_Z1的幅值和相位，实现被测阻抗Z₁到标准电阻Z₂的溯源。

为提高测量精度，系统采用了硬件同步技术，实现整周期采样。系统共用一个外部时钟，2路信号发生器NI PXI-6733与NI PXI-5922采样器均锁定到外部时钟。然后通过LabVIEW编程调用NI-SCOPE来设置采样频率和采样点数，通过外部同步触发信号的方式来控制PXI-5922实现整周期采样。

整个测量过程为，程序根据被比较阻抗类型和名义值设置两路信号发生器输出电压的幅值的相位，微调其中一路电压的幅值和相位，监测锁相放大器M测量值，使得阻抗中心点o的电位达到虚地电位要求。程序再向数据采集卡NI PXI-5922发送初始化命令，设置采集卡的频率、采集点数、时钟信号以及触发信号，控制采集卡进行数据采集。数据处理模块对两路采集的信号进行DFT变换进行频域分析，根据测量原理得出所测得的电感值。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种阻抗快速比较测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

采用信号发生数字源U₁和U₂，公共端相串联且公共端接地电位；

被比较阻抗Z₁和Z₂串联后与信号发生数字源U₁和U₂并联；

通过放大器A放大阻抗Z₁和Z₂中心点o的电位，再通过变压器T₁将信号反向注入信号发生数字源U₁或U₂的输出端；

通过双通道同步差分数字采样，消除阻抗Z₁和Z₂低端L_p1和L_p2中间的阻抗中心引线影响，并实现被比较阻抗Z₁和Z₂上电压比率的准确测量。

2.如权利要求1所述的方法，在双通道同步差分数字采样线路中，采用数字采样器ADC0和ADC1。

3.如权利要求1所述的方法，在双通道同步差分数字采样线路中，两个阻抗Z₁和Z₂的输出低端L_p1和L_p2引线串接高精度跟随器F₁和F₂。

4.如权利要求1所述的方法，由信号发生数字源U₁和U₂和被比较阻抗Z₁和Z₂所形成的电路中，阻抗Z₁和Z₂高端加入扼流圈C₁和C₂。

5.权利要求2所述方法，信号发生数字源U₁和U₂与数字采样器ADC0和ADC1之间，通过仪器总线进行信号同步和采样触发，实现同步数字信号采样。

6.如权利要求1所述方法，变压器T₁变比设置为任意比n:1，其中n>1。

7.如权利要求6所述方法，变压器T₁变比设置为10:1。

8.一种阻抗快速比较测量电路，其特征在于，该电路包括：

信号发生数字源U₁和U₂，公共端相串联且公共端接地电位；

被比较阻抗Z₁和Z₂串联后与信号发生数字源U₁和U₂并联；

放大器A连接至阻抗Z₁和Z₂中心点o，变压器T₁与放大器A连接将信号反向注入信号发生数字源U₁或U₂的输出端；

两个双通道同步差分数字采样模块分别连接至阻抗Z₁和Z₂两端。

9.如权利要求8所述的电路，其特征在于，两个阻抗Z₁和Z₂的输出低端L_p1和L_p2引线串接高精度跟随器F₁和F₂。

10.如权利要求8所述的电路，其特征在于，在信号发生数字源U₁和U₂和被比较阻抗Z₁和Z₂所形成的电路中，在阻抗Z₁和Z₂串联扼流圈C₁和C₂。