CN108226642A - 一种阻抗匹配的阻抗谱测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种阻抗匹配的阻抗谱测量系统及方法，本发明包括一种阻抗匹配的阻抗谱测量系统。首先通过中央处理器根据DDS算法产生正弦信号；然后通过电阻对模块选用不同电阻，分别在断开阻抗模块与闭合阻抗模块的条件下，采集系统比例放大系数；根据线性最小二乘拟合算法计算测量阻抗值；最后通过人工选择方法对不同频率正弦信号选择的匹配阻抗从而得到匹配阻抗谱。与现有技术相比，本发明克服了阻抗谱测量中由于阻抗不匹配导致测量精度降低的问题，进一步提高了测量系统的精度。

Description

一种阻抗匹配的阻抗谱测量系统及方法

技术领域

本发明涉及测量电路技术与信号处理技术领域，尤其涉及一种阻抗匹配的阻 抗谱测量系统及方法。

背景技术

在电化学性能的研究过程中，多采用测量电化学阻抗谱的方法。电化学阻抗 谱方法是一种以小振幅的正弦波电流为扰动信号的电化学测量方法。由于是以小 振幅的电信号对电化学体系扰动，一方面可避免对体系产生大的影响，另一方面 也使得扰动与体系的响应之间近似呈线性关系，这就使得测量结果的数学处理变 得简单。同时，电化学阻抗谱方法又是一种频率域的测量方法，它以测量得到的 频率范围很宽的阻抗谱来研究电极系统，因而能比其他常规的电化学方法得到更 多的动力学信息及电极界面结构的信息。

给电化学系统施加一个频率不同的小振幅的交流电势波，测量交流电势与电 流信号的比值(此比值即为系统的阻抗)随正弦波频率的变化，或者是阻抗的相位 角随的变化。此时电极系统的频响函数，就是电化学阻抗。在一系列不同频率下 测得的一组这种频响函数值则就是电极系统的电化学阻抗谱。

目前，市场上的能进行电化学阻抗谱测量的产品有电化学工作站、频率响应 分析仪、精密LCR仪等设备。这些设备可进行多频点阻抗测量，精度高，完善 的软件设计，但是成本昂贵，体积庞大，不便于携带，设计复杂，使用繁琐，非 专业人员难以上手使用。还有一类测量设备体积小，但是功能较差，一般只能在 少数几个或者一个频点测量阻抗信息，或者能测量的阻抗值范围小，分析能力弱， 人机交互不方便。这两类常规设备原理上都没有将测量系统阻抗从被测阻抗中区 分出来。

总之，常规阻抗谱测量方法没有考虑测量过程中的阻抗匹配，要么测量精度 低，要么测量范围小，或需要手工换档；其次，不同频率下的阻抗计算多采用相 关分析，精度高的条件下，要求整周期的数据处理，不适合高频采样点数少的情 况；最后，测量过程中没有把测量系统阻抗从被测阻抗中区分开来，降低了测量 的准确度。

发明内容

为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种阻抗匹配的阻抗谱测量系统及 方法。

本发明的系统所采用的技术方案是：一种阻抗匹配的阻抗谱测量系统，其特 征在于，包括：射极跟随器模块、直流抑制模块、多路电阻对模块、阻抗模块、 差分放大模块、中央处理器；所述的射极跟随器模块通过导线与所述的直流抑制 模块连接；所述的直流抑制模块通过导线与所述的多路电阻对模块连接；所述的 多路电阻对模块通过导线与所述的差分放大模块并联连接；所述的阻抗模块通过 导线与所述的差分放大模块并联连接；所述的差分放大模块通过导线与所述的中 央处理器连接；所述的中央处理器通过导线与所述的射极跟随器模块连接；所述 的中央处理器通过导线与所述的直流抑制模块连接；所述的中央处理器通过导线 与所述的多路电阻对模块连接；所述的中央处理器通过导线与所述的阻抗模块连 接；所述的中央处理器通过导线与所述的差分放大模块连接。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种阻抗匹配的阻抗谱测量方法，其特 征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过中央处理器根据DDS算法产生频率为f_l的正弦信号且 f_l∈[f₁,...,f_L]；

步骤2：通过中央处理器控制多路电阻对模块选择阻值均为0Ω的一对电阻， 其中一个0Ω电阻串连接在直流抑制模块与差分放大模块间，另一个0Ω电阻串 连接在地与差分放大模块间；

步骤3：通过中央处理器控制阻抗模块断开阻抗模块与差分放大模块的并联 连接；

步骤4：通过中央处理器分别采集步骤1中所述正弦信号通过直流抑制模块 后的断开阻抗输入正弦信号，并通过中央处理器依次采集断开阻抗输入正弦信号 通过差分放大器后的断开阻抗输出正弦信号；

步骤5：通过中央处理器根据线性最小二乘拟合算法计算步骤4中所述断开 阻抗输入正弦信号以及步骤4中所述断开阻抗输出正弦信号的复数表达式，计算 得到断开阻抗系统比例放大系数；

步骤6：通过中央处理器控制阻抗模块闭合阻抗模块与差分放大模块的并联 连接；

步骤7：通过中央处理器分别采集步骤1中所述正弦信号通过直流抑制模块 后的闭合阻抗输入正弦信号，并通过中央处理器依次采集闭合阻抗输入正弦信号 通过差分放大器后的闭合阻抗输出正弦信号；

步骤8：通过中央处理器根据线性最小二乘拟合算法计算步骤7中所述闭合 阻抗输入正弦信号以及步骤7中所述闭合阻抗输出正弦信号的复数表达式，计算 得到闭合阻抗系统比例放大系数；

步骤9：通过中央处理器控制多路电阻对模块选择阻值均为R_mΩ的一对电阻 且R_m∈[R₁,...,R_M],R_m＞0，其中一个R_mΩ电阻串连接在直流抑制模块与差分放 大模块间，另一个R_mΩ电阻串连接在地与差分放大模块间；

步骤10：通过中央处理器控制阻抗模块断开阻抗模块与差分放大模块的并 联连接,根据线性最小二乘拟合算法计算得到系统等效阻抗；

步骤11：通过中央处理器控制阻抗模块闭合阻抗模块与差分放大模块的并 联连接，根据步骤10中所述系统等效阻抗通过最小二乘拟合算法计算得到阻抗 测量值

步骤12：通过人工选择方法从中选择与阻抗模块中阻抗值误 差最小的对应的R_fl,op∈[R₁,...,R_M]为步骤1中所 述频率为f_l的正弦信号的匹配阻抗，进一步改变正弦信号的频率得到匹配阻抗谱 [R_f1,op,...,R_fL,op]，f_l∈[f₁,...,f_L]。

作为优选，步骤5中所述断开阻抗系统比例放大系数为：

其中，在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下，为步骤4 中所述断开阻抗输出正弦信号，为步骤4中所述断开阻抗输入正弦信 号，为断开阻抗系统比例放大系数实部，为断开阻抗系统比例 放大系数虚部；

步骤5中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下断开阻抗采 样信号i,为采样相位间隔,为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤 1中所述正弦信号频率，c为直流偏置；

作为优选，步骤8中所述闭合阻抗系统比例放大系数为：

其中，在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下，为步骤7 中所述闭合阻抗输出正弦信号，为步骤7中所述闭合阻抗输入正弦信号， 为闭合阻抗系统比例放大系数实部，为闭合阻抗系统比例放大系 数虚部；

步骤8中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下闭合阻抗采 样信号i,为采样相位间隔,n_fl为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤 1中所述正弦信号频率，c为直流偏置；

作为优选，步骤10中所述系统等效阻抗为：

其中，为步骤5中所述断开阻抗系统比例放大系数，在R_mΩ的一对 电阻且正弦信号频率为f_l的条件下，为步骤4中所述断开阻抗输出正 弦信号，为步骤4中所述断开阻抗输入正弦信号，为断开阻 抗系统比例放大系数实部，为断开阻抗系统比例放大系数虚部；

步骤10中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在R_m的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下断开阻抗采 样信号i,为采样相位间隔,n_fl为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤 1中所述正弦信号频率，c为直流偏置；

作为优选，步骤11中所述阻抗测量值为：

其中，为步骤8中所述闭合阻抗系统比例放大系数，为步 骤10中所述系统等效阻抗，在R_mΩ的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下， 为步骤7中所述闭合阻抗输出正弦信号，为步骤7中所述闭 合阻抗输入正弦信号，为闭合阻抗系统比例放大系数实部，为闭 合阻抗系统比例放大系数虚部；

步骤11中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在R_m的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下断开阻抗采 样信号i,为采样相位间隔,n_fl为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤 1中所述正弦信号频率，c为直流偏置。

与现有技术相比，本发明克服了阻抗谱测量中由于阻抗不匹配导致测量精度 降低的问题。

附图说明

图1：是本发明实施例的系统电路结构图；

图2：是本发明实施例的断开阻抗场景示意图；

图3：是本发明实施例的闭合阻抗场景示意图；

图4：是本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对 本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解 释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1-图3，本发明的系统所采用的技术方案是：一种阻抗匹配的阻抗谱 测量系统，其特征在于，包括：射极跟随器模块、直流抑制模块、多路电阻对模 块、阻抗模块、差分放大模块、中央处理器；所述的射极跟随器模块通过导线与 所述的直流抑制模块连接；所述的直流抑制模块通过导线与所述的多路电阻对模 块连接；所述的多路电阻对模块通过导线与所述的差分放大模块并联连接；所述 的阻抗模块通过导线与所述的差分放大模块并联连接；所述的差分放大模块通过 导线与所述的中央处理器连接；所述的中央处理器通过导线与所述的射极跟随器 模块连接；所述的中央处理器通过导线与所述的直流抑制模块连接；所述的中央 处理器通过导线与所述的多路电阻对模块连接；所述的中央处理器通过导线与所 述的阻抗模块连接；所述的中央处理器通过导线与所述的差分放大模块连接；其 中，所述的射极跟随器模块用于提高正弦信号输出带负载能力；所述的直流抑制 模块用于抑制正弦信号的直流偏置；所述的多路电阻对模块用于提供多路阻值的 电阻对；所述的阻抗模块用于断开和闭合阻抗；所述的差分放大器用于差分放大 正弦信号；所述的中央处理器用于通过DDS算法产生频率可调的正弦信号，用 于控制所述的多路电阻对模块选择不同阻值的电阻对，用于控制所述的阻抗模块 与所述的差分放大模块的并联连接的断开和闭合，用于采集正弦输入信号与正弦 输出信号，用于通过最小二乘拟合算法计算阻抗测量值。

在本实施方式中，所述的中央处理器模块选用STM32单片机，所述的射极 跟随器模块、直流抑制模块、差分放大模块均选用LMV324芯片，所述的多路 电阻对模块选用ADG707芯片，所述的多路电阻对模块选用ADG412芯片。

请见图4，本发明的方法所采用的技术方案是一种阻抗匹配的阻抗谱测量方 法，包括以下步骤：

步骤1：通过中央处理器根据DDS算法产生频率为f_l的正弦信号且

步骤2：通过中央处理器控制多路电阻对模块选择阻值均为0Ω的一对电阻， 其中一个0Ω电阻串连接在直流抑制模块与差分放大模块间，另一个0Ω电阻串 连接在地与差分放大模块间；

步骤3：通过中央处理器控制阻抗模块断开阻抗模块与差分放大模块的并联 连接；

步骤4：通过中央处理器分别采集步骤1中所述正弦信号通过直流抑制模块 后的断开阻抗输入正弦信号，并通过中央处理器依次采集断开阻抗输入正弦信号 通过差分放大器后的断开阻抗输出正弦信号；

步骤5：通过中央处理器根据线性最小二乘拟合算法计算步骤4中所述断开 阻抗输入正弦信号以及步骤4中所述断开阻抗输出正弦信号的复数表达式，计算 得到断开阻抗系统比例放大系数；

作为优选，步骤5中所述断开阻抗系统比例放大系数为：

其中，在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下，为步骤4 中所述断开阻抗输出正弦信号，为步骤4中所述断开阻抗输入正弦信 号，为断开阻抗系统比例放大系数实部，为断开阻抗系统比例 放大系数虚部；

步骤5中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下断开阻抗采 样信号i,为采样相位间隔,n_fl为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤 1中所述正弦信号频率，c为直流偏置；

n_fl∈[200,200,200,200,200，100,100,100,100,100,100,

100,60,50,60,40,16,8,8,6,6]

步骤6：通过中央处理器控制阻抗模块闭合阻抗模块与差分放大模块的并联 连接；

步骤7：通过中央处理器分别采集步骤1中所述正弦信号通过直流抑制模块 后的闭合阻抗输入正弦信号，并通过中央处理器依次采集闭合阻抗输入正弦信号 通过差分放大器后的闭合阻抗输出正弦信号；

步骤8：通过中央处理器根据线性最小二乘拟合算法计算步骤7中所述闭合 阻抗输入正弦信号以及步骤7中所述闭合阻抗输出正弦信号的复数表达式，计算 得到闭合阻抗系统比例放大系数；

作为优选，步骤8中所述闭合阻抗系统比例放大系数为：

其中，在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下，为步骤7 中所述闭合阻抗输出正弦信号，为步骤7中所述闭合阻抗输入正弦信号， 为闭合阻抗系统比例放大系数实部，为闭合阻抗系统比例放大系 数虚部；

步骤8中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下闭合阻抗采 样信号i,为采样相位间隔,n_fl为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤 1中所述正弦信号频率，c为直流偏置；

n_fl∈[200,200,200,200,200，100,100,100,100,100,100,

100,60,50,60,40,16,8,8,6,6]

步骤9：通过中央处理器控制多路电阻对模块选择阻值均为R_mΩ的一对电阻 且R_m∈[10Ω,100Ω,1KΩ,10KΩ,100KΩ,1MΩ,10MΩ],R_m＞0，其中一个R_mΩ电阻 串连接在直流抑制模块与差分放大模块间，另一个R_mΩ电阻串连接在地与差分 放大模块间；

步骤10：通过中央处理器控制阻抗模块断开阻抗模块与差分放大模块的并 联连接,根据线性最小二乘拟合算法计算得到系统等效阻抗；

作为优选，步骤10中所述系统等效阻抗为：

其中，为步骤5中所述断开阻抗系统比例放大系数，在R_mΩ的一对 电阻且正弦信号频率为f_l的条件下，为步骤4中所述断开阻抗输出正 弦信号，为步骤4中所述断开阻抗输入正弦信号，为断开阻 抗系统比例放大系数实部，为断开阻抗系统比例放大系数虚部；

步骤10中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在R_m的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下断开阻抗采 样信号i,为采样相位间隔,n_fl为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤 1中所述正弦信号频率，c为直流偏置；

n_fl∈[200,200,200,200,200，100,100,100,100,100,100,

100,60,50,60,40,16,8,8,6,6]

步骤11：通过中央处理器控制阻抗模块闭合阻抗模块与差分放大模块的并 联连接，根据步骤10中所述系统等效阻抗通过最小二乘拟合算法计算得到阻抗 测量值

作为优选，步骤11中所述阻抗测量值为：

其中，为步骤8中所述闭合阻抗系统比例放大系数，为步 骤10中所述系统等效阻抗，在R_mΩ的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下， 为步骤7中所述闭合阻抗输出正弦信号，为步骤7中所述闭 合阻抗输入正弦信号，为闭合阻抗系统比例放大系数实部，为闭 合阻抗系统比例放大系数虚部；

步骤11中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在R_m的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下断开阻抗采 样信号i,为采样相位间隔,n_fl为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤 1中所述正弦信号频率，c为直流偏置；

n_fl∈[200,200,200,200,200，100,100,100,100,100,100,

100,60,50,60,40,16,8,8,6,6]

步骤12：通过人工选择方法从中选择与阻抗模块中阻抗值误 差最小的对应的且为步骤1中所述频率为f_l的 正弦信号的匹配阻抗，进一步改变正弦信号的频率得到匹配阻抗谱 [f₁,...,f_L]为步骤1中所述

尽管本文较多地使用了射极跟随器模块、直流抑制模块、多路电阻对模块、 阻抗模块、差分放大模块、中央处理器等术语，但并不排除使用其他术语的可能 性。使用这些术语仅仅是为了更方便的描述本发明的本质，把它们解释成任何一 种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是 对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不 脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发 明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种阻抗匹配的阻抗谱测量系统，其特征在于，包括：射极跟随器模块、直流抑制模块、多路电阻对模块、阻抗模块、差分放大模块、中央处理器；

所述的射极跟随器模块通过导线与所述的直流抑制模块连接；所述的直流抑制模块通过导线与所述的多路电阻对模块连接；所述的多路电阻对模块通过导线与所述的差分放大模块并联连接；所述的阻抗模块通过导线与所述的差分放大模块并联连接；所述的差分放大模块通过导线与所述的中央处理器连接；所述的中央处理器通过导线与所述的射极跟随器模块连接；所述的中央处理器通过导线与所述的直流抑制模块连接；所述的中央处理器通过导线与所述的多路电阻对模块连接；所述的中央处理器通过导线与所述的阻抗模块连接；所述的中央处理器通过导线与所述的差分放大模块连接。

2.一种利用权利要求1所述的阻抗匹配的阻抗谱测量系统进行阻抗匹配的阻抗谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：通过中央处理器根据DDS算法产生频率为f_l的正弦信号且f_l∈[f₁,...,f_L]；

步骤2：通过中央处理器控制多路电阻对模块选择阻值均为0Ω的一对电阻，其中一个0Ω电阻串连接在直流抑制模块与差分放大模块间，另一个0Ω电阻串连接在地与差分放大模块间；

步骤3：通过中央处理器控制阻抗模块断开阻抗模块与差分放大模块的并联连接；

步骤4：通过中央处理器分别采集步骤1中所述正弦信号通过直流抑制模块后的断开阻抗输入正弦信号，并通过中央处理器依次采集断开阻抗输入正弦信号通过差分放大器后的断开阻抗输出正弦信号；

步骤5：通过中央处理器根据线性最小二乘拟合算法计算步骤4中所述断开阻抗输入正弦信号以及步骤4中所述断开阻抗输出正弦信号的复数表达式，计算得到断开阻抗系统比例放大系数；

步骤6：通过中央处理器控制阻抗模块闭合阻抗模块与差分放大模块的并联连接；

步骤7：通过中央处理器分别采集步骤1中所述正弦信号通过直流抑制模块后的闭合阻抗输入正弦信号，并通过中央处理器依次采集闭合阻抗输入正弦信号通过差分放大器后的闭合阻抗输出正弦信号；

步骤8：通过中央处理器根据线性最小二乘拟合算法计算步骤7中所述闭合阻抗输入正弦信号以及步骤7中所述闭合阻抗输出正弦信号的复数表达式，计算得到闭合阻抗系统比例放大系数；

步骤9：通过中央处理器控制多路电阻对模块选择阻值均为R_mΩ的一对电阻且R_m∈[R₁,...,R_M],R_m＞0，其中一个R_mΩ电阻串连接在直流抑制模块与差分放大模块间，另一个R_mΩ电阻串连接在地与差分放大模块间；

步骤10：通过中央处理器控制阻抗模块断开阻抗模块与差分放大模块的并联连接,根据线性最小二乘拟合算法计算得到系统等效阻抗；

步骤11：通过中央处理器控制阻抗模块闭合阻抗模块与差分放大模块的并联连接，根据步骤10中所述系统等效阻抗通过最小二乘拟合算法计算得到阻抗测量值

步骤12：通过人工选择方法从中选择与阻抗模块中阻抗值误差最小的对应的为步骤1中所述频率为f_l的正弦信号的匹配阻抗，进一步改变正弦信号的频率得到匹配阻抗谱f_l∈[f₁,...,f_L]。

3.根据权利要求2所述的阻抗匹配的阻抗谱测量方法，其特征在于：步骤5中所述断开阻抗系统比例放大系数为：

其中，在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下，为步骤4中所述断开阻抗输出正弦信号，为步骤4中所述断开阻抗输入正弦信号，为断开阻抗系统比例放大系数实部，为断开阻抗系统比例放大系数虚部；

步骤5中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下断开阻抗采样信号为采样相位间隔,为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤1中所述正弦信号频率，c为直流偏置；

步骤8中所述闭合阻抗系统比例放大系数为：

其中，在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下，为步骤7中所述闭合阻抗输出正弦信号，为步骤7中所述闭合阻抗输入正弦信号，为闭合阻抗系统比例放大系数实部，为闭合阻抗系统比例放大系数虚部；

步骤8中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在0Ω的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下闭合阻抗采样信号为采样相位间隔,为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤1中所述正弦信号频率，c为直流偏置；

步骤10中所述系统等效阻抗为：

其中，为步骤5中所述断开阻抗系统比例放大系数，在R_mΩ的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下，为步骤4中所述断开阻抗输出正弦信号，为步骤4中所述断开阻抗输入正弦信号，为断开阻抗系统比例放大系数实部，为断开阻抗系统比例放大系数虚部；

步骤10中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在R_m的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下断开阻抗采样信号为采样相位间隔,为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤1中所述正弦信号频率，c为直流偏置；

步骤11中所述阻抗测量值为：

其中，为步骤8中所述闭合阻抗系统比例放大系数，为步骤10中所述系统等效阻抗，在R_mΩ的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下，为步骤7中所述闭合阻抗输出正弦信号，为步骤7中所述闭合阻抗输入正弦信号，为闭合阻抗系统比例放大系数实部，为闭合阻抗系统比例放大系数虚部；

步骤11中所述线性最小二乘拟合算法如下：

其中,在R_m的一对电阻且正弦信号频率为f_l的条件下断开阻抗采样信号为采样相位间隔,为正弦信号频率f_l采样点数，f_l为步骤1中所述正弦信号频率，c为直流偏置。