CN106324356A - 一种精密交流电阻测量仪及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种精密交流电阻测量仪及其测量方法，精密交流电阻测量仪包括微处理器、正弦波振荡器、分频器、相位控制器、第一正弦波发生器、第二正弦波发生器、滤波器、信号选择器以及鉴相器，分频器的输入端连接正弦波振荡器，分频器的输出端分别连接第一正弦波发生器和第二正弦波发生器，第一正弦波发生器产生的正弦波作为鉴相器的测试信号源，第二正弦波发生器产生的正弦波信号作为鉴相器的参考信号源，通过鉴相器测得标准电阻与被测件的矢量合成电压，并发送给微处理器，由微处理器计算被测件的电阻值。本发明用鉴相器测量技术代替古典的电桥测量技术，消除了共模电流输出和检波转换器刻度系数之间的差值，测量更加准确，结构简单，成本低。

Description

一种精密交流电阻测量仪及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种精密交流电阻测量仪及其测量方法。

背景技术

中国在70年代曾研制过交流电阻，由于当时镍基合金的质量不成熟，且当时使用条件尚未形成，故没有引成规模生产。在80年代和中国计量科学研究院电磁处研究交流电阻，鉴于当年的基础条件尚未成熟，其1～10万欧姆的时间常数为1×10-8，频率为50周，主要难点为电阻材料(电阻率为0.48左右)，交流参数的校准设备精度不够高，交直流转化误差低阻值在50ppm。

发展仪器仪表工业，开发具有自主知识产权，原创技术的仪器仪表产业化是国家发改委、商委、信息产业、国家技术监督局列入“十二五”规划的重点科目之一，为仪器仪表工业的发展提示了发展目标、方向，使仪器仪表产品能全面地适应各行各业的需求，逐步形成完整的仪器仪表工业体系，达到国际同类型产品水准，为国民经济服务。

随着我国加入WTO组织，许多技术要求相对不高、劳动密集型、环保成本高的产业大量地转移至国内，其中包括电子元器件制造行业，如电容器、电感器、电阻器生产厂家。这些生产厂家需要大量高精度标准交流电阻测量仪尤其是多参数综合测量仪。根据调研，在生产线上使用的测量仪，精度要求一般在0.1％,测试频率只需若干固定频点(如:100Hz、1kHz、100kHz),测试电压在10mV～1V，测量速度要求较快(2次/秒以上)，大型图形LCD显示，仪器的操作要求比较方便，带分选接口以便自动测试机使用。

高精度标准交流电阻测量仪是一种自动交流阻抗测量仪器，可应用于计量部门、元器件生产厂家使用，在此基础上，研制测量和分选无源器件的电阻、电感、电容等多参数综合测量仪。目前国内尚未形成统一的交流电阻测量方法，如对产品的不确定分析缺少理论依据，特别在不同频率下的计测尚有缺陷。

目前对精密交流电阻的测量一般采用古典电桥测量技术，古典的电桥测量技术是一种单电桥的测量方式，其数值一般测量的是中电阻值，若要测量低电阻，其测量方式产生的误差就非常明显，不能准确的得到想要的电阻值、误差大而且成本高。

发明内容

本发明的目的是提供一种精密交流电阻测量仪，所述的测量仪通过鉴相器测得标准电阻与被测件正交90度和反相90度电压的矢量合成电压，并发送给微处理器，由微处理器计算被测件的电阻值，代替了古典的电桥测量技术，消除了共模电流输出和检波转换器刻度系数之间的差值，测量更加精确，结构简单，成本低。用以解决传统电桥测量技术准确度低、成本高、误差大的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种精密交流电阻测量仪，所述的精密交流电阻测量仪包括微处理器、正弦波振荡器、分频器、相位控制器、第一正弦波发生器、第二正弦波发生器、滤波器、信号选择器以及鉴相器；

所述的正弦波振荡器用于产生正弦波测试信号，所述的正弦波振荡器的信号输出端与分频器的信号输入端连接，所述分频器的测试信号输出端通过相位控制器连接第一正弦波发生器，所述分频器的参考信号输出端通过所述的相位控制器连接第二正弦波发生器；

所述微处理器的控制输出端连接分频器，用于对分频器参考信号输出端的信号进行相位调整，所述第二正弦波发生器的信号输出端连接鉴相器的参考信号输入端，经过相位调整后的信号经过第二正弦波发生器，输出准正弦波信号作为鉴相器的参考信号源；

所述第一正弦波发生器的信号输出端连接滤波器，所述滤波器的信号输出端连接信号选择器的信号输入端，所述信号选择器的信号输出端连接鉴相器的测试信号输入端，通过所述滤波器滤波平滑后的正弦波信号作为鉴相器的测试信号源；

根据本发明所述的精密交流电阻测量仪，所述鉴相器的参考信号输入端获取的是标准电阻两端的电压信号，所述鉴相器的测试信号输入端获取的是被测件两端的电压信号，所述鉴相器测得标准电阻与被测件正交90度和反相90度电压的矢量合成电压，所述鉴相器的数据输出端连接微处理器的输入端，微处理器根据鉴相器输出的电压信号，计算待测件的阻值。

根据本发明所述的精密交流电阻测量仪，所述的精密交流电阻测量仪包括功率放大器和运算放大器，所述的功率放大器运算放大器串接后，连接在所述的滤波器和信号选择器之间。

根据本发明所述的精密交流电阻测量仪，所述鉴相器的参考信号输入端采用四种相位的参考信号，即相位分别为0度，90度，180度和270度的正弦波信号，每种参考信号的相位之间精确地相差90度，且所述参考信号的频率与测试信号的频率完全一样。

根据本发明所述的精密交流电阻测量仪，所述第一正弦波发生器和第二正弦波发生包括正弦ROM表以及D/A转换器。

根据本发明所述的精密交流电阻测量仪，所述的分频器输入端输入的是64倍测试信号，分频器从64f开始倒计时，输出32f、16f、8f、4发、2f和f六种信号到正弦波发生器，作为正弦ROM表的地址，然后根据地址取出ROM内闪存的准正弦波的64级内容，并输送到D/A转换器，控制D/A转换器输出准正弦波，最后经过滤波器平滑处理，输出的正弦波就是鉴相器的测试信号源，所述的准正弦波是指近似正弦波的阶梯波。

根据本发明所述的精密交流电阻测量仪，微处理器输出控制信号对分频器输出的2f和f两根信号线进行相位转移，即改变正弦ROM表初始地址的选取，从而对输出的准正弦波移相，得到0度，90度，180度，270度四种相位的准正弦波，作为鉴相器的参考信号源。

根据本发明所述的精密交流电阻测量仪，所述的精密交流电阻测量仪内部设有一组标准电阻器，用于实现所述精密交流电阻测量仪自身的自动校准。

根据本发明所述的精密交流电阻测量仪，所述微处理器的数据输出端连接有显示器，用于将测量计算出的电阻值通过显示器显示。

根据本发明所述的精密交流电阻测量仪，所述鉴相器测得标准电阻与被测件正交90度和反相90度电压的矢量合成电压，便于计算。

本发明的目的还在于提供一种采用上述精密交流电阻测量仪的方法，所述的测量方法通过鉴相器测得标准电阻与被测件的矢量合成电压，并发送给微处理器，由微处理器计算被测件的电阻值，代替了古典的电桥测量技术，消除了共模电流输出和检波转换器刻度系数之间的差值，测量更加精确，结构简单，成本低。用以解决传统电桥测量技术检测精确度低、成本高的问题。

为实现上述目的，本发明的方案是：一种采用上述精密交流电阻测量仪的方法，步骤如下：

(1)开机，精密交流电阻测量仪进行自动校准；

(2)完成自动校准后，精密交流电阻测量仪开始工作，正弦波振荡器产生正弦波测试信号，并输入到分频器中，由分频器对所述的正弦波测试信号进行分频处理；

(3)经过分频的正弦波测试信号分为两路输出，其中第一路直接输出到第一正弦波发生器，第二路经过微处理器的控制下进行相位转移后，发送给第二正弦波发生器；

(4)第一路分频信号进入第一正弦波发生器后，作为存储器内存储的正弦波表的地址，然后根据正弦波表地址，取出存储器内闪存的准正弦波，并经过滤波器平滑处理后作为鉴频器的测试信号源；

(5)第二路分频信号进入第二正弦波发生器后，改变了正弦波表的地址，实现对输出的准正弦波移相，得到四种相位的准正弦波，做为鉴相器的参考信号源，所述参考信号的频率与测试信号的频率完全一样；

(6)所述鉴相器根据输入的测试信号和参考信号，测得标准电阻与被测件的矢量合成电压，并输出到微处理器，微处理器根据鉴相器输出的电压信号，计算得到待测件的阻值。

根据本发明所述的测量方法，所述的步骤(1)中，精密交流电阻测量仪进行自动校准的方法为：

在精密交流电阻测量仪内部设置有4个标准电阻器，首先设置一个外部标准电阻，采用现有的电阻测量仪校准外部标准电阻，以确定标准电阻的精度；然后，利用外部标准电阻对其内部电阻进行校准，将校准好的数据存放在仪器的内部存储器里，就相当于将外部的标准电阻的精度值存放到了仪器内部；最后，通过外部标准电阻对所述精密交流电阻测量仪内部4个标准电阻器阻值进行一次校准，以后每次开机，就不用外接标准电阻进行校准，而是通过内部存储的精度值，对仪器内部的4个电阻进行自行校准，实现其自身的自动校准功能。

根据本发明所述的测量方法，所述的步骤(6)中，计算待测件阻值的方法为：

根据等电流测量原则，可知： $\stackrel{\·}{V}x=KZx\stackrel{\·}{I}x,\stackrel{\·}{V}s=KRs\stackrel{\·}{I}x,$ 由此可得： $Zx=Rs\frac{\stackrel{\·}{V}x}{\stackrel{\·}{V}s},$ 其中，为被测电阻Zx两端的电压矢量，为标准电阻Rs两端的电压矢量，为流过被测电阻和标准电阻的电流矢量，K为放大系数，为常数。

本发明达到的有益效果：本发明的精密交流电阻测量仪采用微处理器，通过快速的鉴相器和模数转换器可测得标准电阻与被测件两端正交90度和反相90度电压的矢量合成电压，没有采用古典的电桥原理，消除了共模电流值输出和检波转换器刻度系数之间差值，测量精确度高。

本发明采用快速鉴相器技术，鉴相器输入端的测试信号和参考信号来自同一高频信号源，四种参考信号之间的相位精确地相差90度，参考信号与测试信号的频率完全一样，因此不需要高精度的模拟移相器或波形整形电路(削成方波)，测试过程更加简便，测试仪结构更加简单，节省成本。

附图说明

图1是本发明的精密交流电阻测量仪电路原理图；

图2是本发明鉴相器的测量原理图；

图3是本发明正弦波发生器的原理图；

图4是本发明的自校准技术原理图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细的说明。

如图1所示，本发明所述的精密交流电阻测量仪包括微处理器、正弦波振荡器、分频器、相位控制器、第一正弦波发生器、第二正弦波发生器、滤波器、功率放大器、运算放大器、信号选择器以及鉴相器。所述的正弦波振荡器用于产生正弦波的测试信号，所述的正弦波振荡器的信号输出端与分频器的信号输入端连接，所述分频器的测试信号输出端通过相位控制器连接第一正弦波发生器，所述分频器的参考信号输出端通过所述的相位控制器连接第二正弦波发生器，所述参考信号的频率与测试信号的频率完全一样。

所述微处理器的控制输出端连接分频器，用于对分频器参考信号输出端的信号进行相位调整，所述第二正弦波发生器的信号输出端连接鉴相器的参考信号输入端，经过相位调整后的信号经过第二正弦波发生器，输出准正弦波信号作为鉴相器的参考信号源。

所述第一正弦波发生器的信号输出端连接滤波器，所述滤波器的信号输出端输出的正弦波信号经过功率放大器和运算放大器后，连接信号选择器的信号输入端，所述信号选择器的信号输出端连接鉴相器的测试信号输入端，通过所述滤波器滤波平滑后输出的正弦波信号作为鉴相器的测试信号源。

所述鉴相器的数据输出端通过外设接口适配器连接微处理器的输入端，微处理器根据鉴相器输出的电压信号，计算待测件的阻值，微处理器的数据输出端还连接显示器，微处理器计算出待测件的阻值后，通过显示器显示测试结果。

本发明的精密交流电阻进行工作时，通过正弦波振荡器产生正弦波测试信号，并输入到分频器中，由分频器对所述的正弦波测试信号进行分频处理；经过分频的正弦波测试信号分为两路输出，其中第一路直接输出到第一正弦波发生器，第二路经过微处理器的控制下进行相位转移后，发送给第二正弦波发生器；第一路分频信号进入第一正弦波发生器后，作为存储器内存储的正弦波表的地址，然后根据正弦波表地址，取出存储器内闪存的准正弦波，并经过滤波器平滑处理后作为鉴频器的测试信号源；第二路分频信号进入第二正弦波发生器后，改变了正弦波表的地址，实现对输出的准正弦波移相，得到四种相位的准正弦波，做为鉴相器的参考信号源，所述参考信号的频率与测试信号的频率完全一样；所述鉴相器根据输入的测试信号和参考信号，测得标准电阻与被测件的矢量合成电压，并输出到微处理器，微处理器根据鉴相器输出的电压信号，计算得到待测件的阻值。

如图2所示，k代表的是运放，根据运放的工作原理与等电流测量原则，有 $\stackrel{\·}{V}x=KZx\stackrel{\·}{I}x,\stackrel{\·}{V}s=KRs\stackrel{\·}{I}x,$ 由此可得： $Zx=Rs\frac{\stackrel{\·}{V}x}{\stackrel{\·}{V}s}.$ 因此，只要测得经过上式的复数运算即可得到被测Zx的值。其中，为被测电阻Zx两端的电压矢量，为标准电阻Rs两端的电压矢量，为流过被测电阻和标准电阻的电流，K为放大系数，为常数。

所述鉴相器的参考信号输入端获取的是标准电阻Rs两端的电压信号，所述鉴相器的测试信号输入端获取的是被测件Zx两端的电压信号，所述鉴相器测得标准电阻Rs与被测件Zx两端正交90度和反相90度电压的矢量合成电压，并通过外设接口适配器发送给微处理器，由微处理器计算被测件的电阻值，然后将测得的电阻值通过显示器显示。由于对Rs和Zx的计算，都是包含了复数运算，本实施例中，选取正交90度和反相90度是为了便于复数的的运算，方便提取复数的是不合虚部，减少处理器对复数的运算负担。

本发明的鉴相器采用四种相位的参考信号，即相位分别为0度，90度，180度和270度的正弦波信号，鉴相器的作用就是用来鉴别区分开0度，90度，180度，270度这四个相位，计算实部虚部。标准电阻进入鉴相器，因为其表达式为复数形式，将其实部虚部分离，被测件也同时进入鉴相器后，也将其复数中的实部虚部分离开，然后将两次数据进行平均。

本发明鉴相器采用的四种相位参考信号以精确的90°分隔开，因此精密交流电阻测量仪不需要高精度的模拟移相器或波形整流电路，正确的相位关系是由来自同一高频信号源的测试信号和参考信号来保证的。本发明通过鉴相器测量技术代替古典的电桥测量技术，消除了共模电流输出和检波转换器刻度系数之间的差值。

如图3所示，已选的64倍测试信号频率的驱动信号由数字电路提供，分频器(二进制计数器)从64f开始倒计时，输出32f、16f、8f、4发、2f和f六种信号作为正弦波ROM的地址，取出ROM内闪存的准正弦波(近似正弦波的阶梯波)的64级内容，再控制D/A转换器输出准正弦波，经过滤波器平滑处理后的正弦波就是测试信号源。

假如图3产生的正弦波初始相位是0度，那么在微处理器的控制下，对分频器输出的2f和f这两根信号线适当进行相位转移，即改变正弦表ROM初始地址的选取，就可以对输出的准正弦波移相，从而得到四种(0度，90度，180度，270度)相位的准正弦波(频率不变)来做为鉴相器的参考信号源。

本发明的精密交流电阻测量仪采用了自动校准技术，而以前的电阻测量仪是没有自校验功能的，每次开机需要外接很多阻值不同的电阻，对仪器进行校准，操作人员的工作量大且比较繁琐。

如图4所示，精密交流电阻测量仪内部设置有4个标准电阻器，内部标准阻抗在校准频率下(一般为1KHz)是已知的，每一内部标准电阻的阻抗存贮在RAM中。本发明的精密交流电阻测量仪采用“自动校准”技术来修正内部标准电阻的阻抗，在使用之前，首先设置一个外部标准电阻，采用现有的一个电阻测量仪GR1689校准外部标准电阻，以确定标准电阻的精度，然后利用外部标准电阻对其内部电阻进行校准，将校准好的数据存放在仪器的内部存储器里，就相当于将外部的标准电阻的精度值存放到了仪器内部，通过外部标准电阻实现对本发明精密交流电阻测量仪内部4个标准电阻阻值的一次校准，以后每次开机，仪器就不用外接标准电阻进行校准，而是通过内部存储的精度值，对仪器内部的4个电阻进行自行校准，实现其自身的自动校准功能。

本发明的精密交流电阻测量仪采用微处理器，通过快速的鉴相器和模数转换器可测得标准电阻与被测件两端正交90度和反相90度电压的矢量合成电压，没有采用古典的电桥原理，消除了共模电流值输出和检波转换器刻度系数之间差值，同时，通过采用快速鉴相器技术，鉴相器输入端的测试信号和参考信号来自同一高频信号源，四种参考信号之间的相位精确地相差90度，参考信号与测试信号的频率完全一样，因此不需要高精度的模拟移相器或波形整形电路(削成方波)，测试过程更加简便，测试仪结构更加简单，节省成本。

Claims (10)

1.一种精密交流电阻测量仪，其特征在于：所述的精密交流电阻测量仪包括微处理器、正弦波振荡器、分频器、相位控制器、第一正弦波发生器、第二正弦波发生器、滤波器、信号选择器以及鉴相器；

所述的正弦波振荡器用于产生正弦波测试信号，所述的正弦波振荡器的信号输出端与分频器的信号输入端连接，所述分频器的测试信号输出端通过相位控制器连接第一正弦波发生器，所述分频器的参考信号输出端通过所述的相位控制器连接第二正弦波发生器；

所述微处理器的控制输出端连接分频器，用于对分频器参考信号输出端的信号进行相位调整，所述第二正弦波发生器的信号输出端连接鉴相器的参考信号输入端，经过相位调整后的信号经过第二正弦波发生器，输出准正弦波信号作为鉴相器的参考信号源；

所述第一正弦波发生器的信号输出端连接滤波器，所述滤波器的信号输出端连接信号选择器的信号输入端，所述信号选择器的信号输出端连接鉴相器的测试信号输入端，通过所述滤波器滤波平滑后的正弦波信号作为鉴相器的测试信号源；

所述鉴相器的参考信号输入端获取的是标准电阻两端的电压信号，所述鉴相器的测试信号输入端获取的是被测件两端的电压信号，所述鉴相器测得标准电阻与被测件的矢量合成电压，所述鉴相器的数据输出端连接微处理器的输入端，微处理器根据鉴相器输出的电压信号，计算待测件的阻值。

2.根据权利要求1所述的精密交流电阻测量仪，其特征在于，所述的精密交流电阻测量仪包括功率放大器和运算放大器，所述的功率放大器运算放大器串接后，连接在所述的滤波器和信号选择器之间。

3.根据权利要求1所述的精密交流电阻测量仪，其特征在于，所述鉴相器的参考信号输入端采用四种相位的参考信号，即相位分别为0度，90度，180度和270度的正弦波信号，每种参考信号的相位之间精确地相差90度，且所述参考信号的频率与测试信号的频率完全一样。

4.根据权利要求1所述的精密交流电阻测量仪，其特征在于，所述第一正弦波发生器和第二正弦波发生包括正弦ROM表以及D/A转换器。

5.根据权利要求4所述的精密交流电阻测量仪，其特征在于，所述的分频器输入端输入的是64倍测试信号，分频器从64f开始倒计时，输出32f、16f、8f、4发、2f和f六种信号到正弦波发生器，作为正弦ROM表的地址，然后根据地址取出ROM内闪存的准正弦波的64级内容，并输送到D/A转换器，控制D/A转换器输出准正弦波，最后经过滤波器平滑处理，输出的正弦波就是鉴相器的测试信号源，所述的准正弦波是指近似正弦波的阶梯波。

6.根据权利要求5所述的精密交流电阻测量仪，其特征在于，微处理器输出控制信号对分频器输出的2f和f两根信号线进行相位转移，即改变正弦ROM表初始地址的选取，从而对输出的准正弦波移相，得到0度，90度，180度，270度四种相位的准正弦波，作为鉴相器的参考信号源。

7.根据权利要求1所述的精密交流电阻测量仪，其特征在于，所述鉴相器测得标准电阻与被测件正交90度和反相90度电压的矢量合成电压。

8.一种采用如权利要求1所述精密交流电阻测量的测量方法，其特征在于：

(1)开机，精密交流电阻测量仪进行自动校准；

(2)完成自动校准后，精密交流电阻测量仪开始工作，正弦波振荡器产生正弦波测试信号，并输入到分频器中，由分频器对所述的正弦波测试信号进行分频处理；

(3)经过分频的正弦波测试信号分为两路输出，其中第一路直接输出到第一正弦波发生器，第二路经过微处理器的控制下进行相位转移后，发送给第二正弦波发生器；

(4)第一路分频信号进入第一正弦波发生器后，作为存储器内存储的正弦波表的地址，然后根据正弦波表地址，取出存储器内闪存的准正弦波，并经过滤波器平滑处理后作为鉴频器的测试信号源；

(5)第二路分频信号进入第二正弦波发生器后，改变了正弦波表的地址，实现对输出的准正弦波移相，得到四种相位的准正弦波，做为鉴相器的参考信号源，所述参考信号的频率与测试信号的频率完全一样；

(6)所述鉴相器根据输入的测试信号和参考信号，测得标准电阻与被测件的矢量合成电压，并输出到微处理器，微处理器根据鉴相器输出的电压信号，计算得到待测件的阻值。

9.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述的步骤(1)中，精密交流电阻测量仪进行自动校准的方法为：

在精密交流电阻测量仪内部设置有4个标准电阻器，首先设置一个外部标准电阻，采用现有的电阻测量仪校准外部标准电阻，以确定标准电阻的精度；然后，利用外部标准电阻对其内部电阻进行校准，将校准好的数据存放在仪器的内部存储器里，就相当于将外部的标准电阻的精度值存放到了仪器内部；最后，通过外部标准电阻对所述精密交流电阻测量仪内部4个标准电阻器阻值进行一次校准，以后每次开机，就不用外接标准电阻进行校准，而是通过内部存储的精度值，对仪器内部的4个电阻进行自行校准，实现其自身的自动校准功能。

10.根据权利要求8所述的测量方法，其特征在于，所述的步骤(6)中，计算待测件阻值的方法为：

根据等电流测量原则，可知： $\stackrel{\·}{V}x=KZx\stackrel{\·}{I}x,\stackrel{\·}{V}s=KRs\stackrel{\·}{I}x,$ 由此可得： $Zx=Rs\frac{\stackrel{\·}{V}x}{\stackrel{\·}{V}s},$ 其中，为被测电阻Zx两端的电压矢量，为标准电阻Rs两端的电压矢量，为流过被测电阻和标准电阻的电流矢量，K为放大系数，为常数。