CN108333407A - 一种宽频段适用模数混合自平衡电桥 - Google Patents

一种宽频段适用模数混合自平衡电桥 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其包括：激励信号源单元、反馈信号源单元、参考阻抗阵列单元、待测阻抗、电桥非平衡点信号测量单元、电桥自平衡调整单元，所述激励信号源单元的输出端与所述待测阻抗的高电势端连接；所述反馈信号源单元的输出端与所述参考阻抗阵列单元的高电势端连接；所述电桥非平衡点信号测量单元的输入端与所述待测阻抗的低电势端、所述参考阻抗阵列单元的低电势端相互耦合，用于获取非平衡电压信号；所述电桥自平衡调整单元的输入端与所述电桥非平衡点信号测量单元的输出端连接，输出端与所述激励信号源单元的输入端、反馈信号源单元的输入端连接，形成自平衡调整链路，用于当检测到非平衡电压信号非零时，调整电桥输入电压信号的幅度与相位，实现电桥平衡。

Description

一种宽频段适用模数混合自平衡电桥
技术领域
本发明涉及电子测量技术领域，具体涉及一种宽频段使用的模数混合自平衡电桥。
背景技术
现代科学的发展已经进入了信息化时代，阻抗测量的准确性和可靠性是现代各种电子产品的重要基础。除了在传统电子领域中的应用，阻抗测量近年来还在生物医学、电化学、新型材料等领域中得到应用。自平衡电桥法是阻抗测量方法的一种，具有测量频率范围宽，测量精度高的特点。参见图1，图1是自平衡电桥法测量阻抗的原理示意图。其中，激励信号1施加于待测元件2，在待测元件2两端产生电流Ix，电流方向从高电势端流向低电势端。高电势端的电压值可由Vx信号测量模块3得到。低电势端的电流由运算放大器4转换为电压，运算放大器4的输出端和反相输入端之间的反馈通路上接入标准电阻5，同相输入端接地，使运算放大模块形成深度负反馈。运算放大器4的输出端电压值可由Vr信号测量模块6得到。运算放大模块深度负反馈形成，低电位点保持虚地状态，处于0电位，流过待测元件2的电流与流过标准电阻5的电流大小相同，方向相同，可认为电桥平衡，可以通过计算得到待测元件阻抗值。上述电桥自平衡过程使用数学过程表示为：
理想情况下，从数学过程出发，可认为自平衡电桥法与激励信号的工作频率没有关系，即全频段适用。但实际电路中，运算放大器存在工作频率限制，这种限制来源于运算放大器的单位增益带宽与压摆率两项技术指标：当输入信号频率高于单位增益带宽，运算放大器及根据其构成的负反馈电路失去放大信号的能力；若压摆率不足，运算放大器输出大信号时将产生失真。使用运算放大器构成的负反馈电路作为电路中电桥平衡单元在超出一定频率后将工作失常。
此外，高频条件下的信号采集系统设计有以下难点：
1)在高频条件下，电阻、电容、电感的寄生效应会比在低频条件下更加显著，寄生效应会影响电路性能，尤其是在精密测量的电路系统中；
2)集成器件的性能也受频率限制，例如集成运算放大器的带宽与压摆率，就表明该器件能正常工作的最高频率，在设计高频信号采集电路时，必须根据实际需求挑选器件；而满足高频工作要求的器件，有可能在失调电压、噪声等性能上稍差；
3)电路工作频率越高，一般成本越高，可选择的元器件数量也越少，调试难度越高；
4)作为信号采集模块最重要的部分，模数转换器ADC必须达到足够高的采样率，根据采样定理，ADC的采样率至少应该达到最高测量信号频率的2倍，而要提高测量精度的话，对采样率的要求就更高了，如此高采样率的ADC，一方面价格高，另一方面国外的高采样率ADC芯片对国内禁运，因此直接使用高速ADC采样几乎是不可能的。
发明内容
为了解决现有自平衡电桥法在阻抗测量应用中的技术缺陷，本发明的目的在于提供一种宽频段适用的数模混合自平衡电桥，具有平衡速度快，控制精度高的特点。
为此，本发明宽频段适用的数模混合自平衡电桥采用的技术方案如下：
一种宽频段适用的数模混合自平衡电桥，包括激励信号源单元、反馈信号源单元、参考阻抗阵列单元、待测阻抗、电桥非平衡点信号测量单元、电桥自平衡调整单元，其中，
所述激励信号源单元的输出端与所述待测阻抗的高电势端连接，用于向所述电桥非平衡点信号测量单元提供电压型激励信号；
所述反馈信号源单元的输出端与所述参考阻抗阵列单元的高电势端连接，用于向所述电桥非平衡点信号测量单元提供电压型反馈信号；
所述电桥非平衡点信号测量单元的输入端与所述待测阻抗的低电势端、所述参考阻抗阵列单元的低电势端相互耦合，用于获取非平衡电压信号；
所述电桥自平衡调整单元的输入端与所述电桥非平衡点信号测量单元的输出端连接，输出端与所述激励信号源单元的输入端、反馈信号源单元的输入端连接，形成自平衡调整链路，用于当检测到非平衡电压信号非零时，调整电桥输入电压信号的幅度与相位，实现电桥平衡。
优选地，所述激励信号源单元为数控振荡器综合波形发生器，所述数控振荡器综合波形发生器输入端与所述电桥自平衡调整单元相连，并在所述电桥自平衡调整单元反馈控制下，调整输出信号的幅度与相位，为所述待测阻抗提供输入电压信号。
优选地，所述反馈信号源单元为数控振荡器综合波形发生器，所述数控振荡器综合波形发生器输入端与所述电桥自平衡调整单元相连，并在所述电桥自平衡调整单元反馈控制下，调整输出信号的幅度与相位，为所述参考阻抗阵列单元提供输入电压信号。
优选地，还包括DAC数模转换单元、若干抗镜像滤波器单元和若干衰减单元，所述数控振荡器综合波形发生器的输出端沿信号传递方向依次与所述DAC数模转换单元、若干抗镜像滤波器单元和若干衰减单元连接。
优选地，所述参考阻抗阵列单元包括若干阻值不同的金属箔电阻形成可选阵列。
优选地，所述电桥非平衡点信号测量单元包括模拟混频单元和ADC信号采样单元。
优选地，所述模拟混频单元还包括模拟乘法器单元、若干滤波器单元、若干运算放大电路单元。
优选地，所述电桥自平衡调整单元包括至少一个现场可编程逻辑阵列，所述可编程逻辑阵列内设有数字相位调整单元，为实现电桥平衡提供平衡信号数字相位值。
优选地，所述电桥自平衡调整单元还包括至少一个嵌入式处理器，所述嵌入式处理器内设有数字幅度调整单元，为实现电桥平衡提供平衡信号数字幅度值。
优选地，所述电桥自平衡调整单元还包括数字阻值计算单元，所述数字阻值计算单元的输入端与所述电桥非平衡点信号测量单元的输出端、所述电桥自平衡调整单元的输出端相互连接，获取激励信号幅值与相位信息、反馈信号幅值与相位信息、参考阻抗阻值信息，用于计算待测阻抗阻值。
与现有技术相比，本发明宽频段适用的模数混合自平衡电桥具有如下有益效果：
1)通过混频采样，设计低频信号调理电路，且能通过改调制信号的频率，控制混频后差频信号的频率，让其保持在ADC采样性能较佳的频率点。将原本的高频信号搬移到较低频段处，从而实现以低频信号采集电路采集高频信号的目的，避开了设计高频信号采集电路的难度。
2)通过数字方法产生宽频段的激励信号、反馈信号，结合模拟信号调理电路，实现电桥平衡，通过电桥平衡测量阻抗，具有工作频率范围大，测量精度高的特点。
3)通过数字方法测量非平衡点电压信号的幅值和相位信息，控制反馈信号的幅值、相位，从而控制非平衡点电压信号，具有平衡速度快，控制精度高的特点。
附图说明
图1是现有自平衡电桥法测量阻抗的原理示意图；
图2是本发明实施方式提供的一种宽频段适用的模数混合自平衡电桥；
图3是本发明实施例中数控振荡器综合波形发生器产生正弦信号的链路示意图；
图4是本发明实施例中混频电路的结构示意图；
图5是本发明实施例中电桥自平衡单元的信号链路示意图；
图6是本发明实施例中采用自适应算法实现反馈信号幅度调整示意图；
图7是本发明实施例中数字方法控制反馈信号相位流程示意图；
图中：
100：激励信号源单元；110：反馈信号源单元；101/111：数控振荡器综合波形发生器；102/112：DAC数模转换单元；103/113：抗镜像滤波器单元；104/114：衰减单元； 120：待测阻抗；130：参考阻抗阵列单元；140：电桥非平衡点信号测量单元；141：模拟混频单元；142：低通滤波器单元；143：运算放大电路单元；144：ADC信号采集单元；150：电桥自平衡调整单元；151：数字幅度调整单元；152：数字相位调整单元； 153：数字阻值计算单元。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的实施方式作进一步说明。
参见图2，图2是本发明实施方式提供的一种宽频段适用的模数混合自平衡电桥。在图2示出的实施方式中，该结构的宽频段适用的模数混合自平衡电桥包括激励信号源单元100、反馈信号源单元110、待测阻抗120、参考阻抗阵列单元130、电桥非平衡点信号测量单元140、电桥自平衡调整单元150。
在图2示出的实施方式中，激励信号源单元100输出激励信号到待测阻抗120的高电势端。反馈信号源单元110输出反馈信号到参考阻抗阵列单元130的高电势端。待测阻抗120的低电势端、参考阻抗阵列单元130的低电势端相互耦合，并与电桥非平衡点信号测量单元140的输入端相连接。电桥非平衡点信号测量单元140的输出端与电桥自平衡调整单元150的输入端相连接。电桥自平衡调整单元的反馈端分别于激励信号源单元100、反馈信号源单元110的输入端相连接。
其中，激励信号源单元100及反馈信号源单元110为数控振荡器综合波形发生器，其与电桥自平衡调整单元150相连接，在电桥自平衡调整单元150提供的相位、幅度信息控制下产生所需频率、相位、幅度的正弦波，分别为待测阻抗120、参考阻抗阵列单元130提供输入电压信号。
在一些实施方式中，数控振荡器综合波形发生器可以使用基于FPGA内嵌NCO的坐标旋转数字计算方法实现，其基本原理是在给定相位旋转条件下迭代计算正弦和余弦值，以累加的相位值作为输入，通过二元移位和比较操作决定角度的直角坐标位置。产生的数字正弦波信号精度高，多个正弦波之间的相位差严格可控，满足本发明中对多组信号发生源的需求。
此外，在一些实施方式中，激励信号源单元100与反馈信号源单元110还包含有DAC数模转换单元102、112，抗镜像滤波器单元103、113，衰减单元104、114，信号连接链路如图3所示。FPGA控制数控振荡器综合波形发生器101、111产生数字正弦信号，DAC数模转换单元102、112将数字正弦信号转化为模拟正弦信号，并输出到抗镜像滤波器单元103、113中，抗镜像滤波器单元103、113可滤除将正弦波中的高频噪声与高次谐波，使正弦波形更加平滑，最后衰减单元104、114根据实际需求，将正弦信号衰减到所需幅值后输出，衰减倍数由FPGA控制。
参考阻抗阵列单元130包含若干阻值不同的金属箔电阻。在实现电桥平衡后，待测阻抗是由参考阻抗计算得出，因此参考阻抗的精度对阻抗测量精度来说至关重要。金属箔电阻是将某种可控特性的特种金属箔片敷在特殊陶瓷基片上，并用超精密工艺光刻而成的电阻，这种工艺使金属箔电阻具有低温度系数、稳定性、无感抗、无电容、无ESD 感应、低噪声、高精度等重要特性。所述参考阻抗阵列单元130包括若干不同阻值金属箔电阻形成可选阵列，根据实际测量频率范围及量程需求，阻值选择由FPGA控制。
如图4所示，电桥非平衡点信号测量单元140的作用是采集测量电桥非平衡点信号的幅值与相位信息，供数字算法计算输出相应的反馈信号实现电桥平衡。这种反馈实现对非平衡点电压信号控制，平衡速度快，控制精度高。考虑到激励信号是由系统自身产生的，需要测量的信号频率已知且单一，即信号带宽接近与无限小，因此可以采取某种方法，将原本的高频信号搬移到较低频段处，从而实现以低频信号采集电路采集高频信号的目的，避开了设计高频信号采集电路的难度。
在一些实施方式中，以低频信号采集电路采集高频信号可以基于混频方法实现，其基本原理是系统提供一个与待测信号频率有较小差别的调制信号，将待测信号与调制信号输入到模拟混频芯片。根据三角函数计算公式，正弦信号与余弦信号混频即相乘后会输出两个正弦信号，分别是两输入信号的差频与和频信号，然后使用低通滤波器滤除和频信号，即可得到差频信号，使用数学表达式表达为：
其中，A、a、ω1分别为待测信号的幅值、相位与角频率，B、b、ω_2分别为调制信号的幅值、相位与角频率，sin(ω1t+ω2t+a+b)为和频信号，sin(ω1t-ω2t+a-b)为差频信号。由于调整信号的频率、幅值、相位已知，可以根据调制信号与差频信号计算出待测高频信号的幅值与相位。
此外，在一些实施方式中，还包括模拟混频单元141，低通滤波器单元142，运算放大电路单元143，ADC信号采集单元144，信号连接链路如图4所示。混频单元141 将高频待测信号与调制信号混频处理，并输出到低通滤波器单元142中，低通滤波器单元142对和频信号进行滤除得到差频信号，同时滤除高于1/2采样率的信号成分防止混叠，运算放大电路单元143接收纯净的差频信号并进行放大处理，ADC信号采集单元 144将放大后的差频信号转换成数字信号，交给数字算法处理。
如图5所示，电桥自平衡调整单元150优选利用FPGA芯片以及嵌入式处理器芯片，实现了三个功能：一是接收电桥非平衡点信号测量单元140测量提供的非平衡点电压信号，根据该信号的频率、相位、幅值信息，提供电桥平衡判据；二是向激励信号源单元100、反馈信号源单元110提供激励信号、反馈信号的频率、相位、幅值，形成反馈链路，控制平衡电桥的输入信号成分；三是实现待测阻抗阻值计算功能。
在一些实施方式中，还包括数字幅度调整单元151，数字相位调整单元152，数字阻值计算单元153，单元结构图如图5所示。数字幅度调整单元151、数字相位调整单元152接收非平衡点电压信号，控制反馈信号源单元110生成反馈信号，反馈至电桥中，与激励信号、待测阻抗、参考阻抗进行信号的矢量叠加，使电桥非平衡点达到低电位，实现电桥平衡。数字阻值计算单元153的功能是计算待测阻抗Zx，根据电路原理，激励信号Vx、反馈信号Vr、参考阻抗Rr、待测阻抗Zx、非平衡点信号V之前的关系使用数学表达式表达为：
当电桥平衡时，非平衡点达到低电位，信号V极小，则上式即为传统自平衡电桥形式：
此外，在一些实施方式中，数字幅度调整可以使用基于LMS算法的自适应滤波方法实现，其基本原理是更新滤波器系数，使目标信号d(n)和滤波器输出信号y(n)的误差 e(n)无限缩小，结构示意图如图6所示。在设定频率条件下，计算反馈信号值Vr经过自适应滤波器后输出值与非平衡信号幅值的误差，通过自适应滤波方法对反馈信号值Vr 进行调整，同时更新滤波器系数，重复本自适应滤波调整方法，使自适应滤波器输出值、非平衡信号幅值及两者误差达到阈值范围之内，即可实现数字幅度调整。从图中可看出数字单元中包含数字滤波器，通常为IIR滤波器，及数字算法模块。
此外，在一些实施方式中，数字相位调整的流程图如图7所示。该过程需要保证准确采样到两次非平衡信号值R0、R1，根据误差确定正向或反向调整相位，即赋予相位调整步进增量正负号，然后计算出电路中最高电压点的幅值与非平衡信号值的比值，根据该比值设定相位调整步进增量，实现在0到360°内调整相位，达到相位锁定。设定相位调整步进增量时采用了PID策略，即当非平衡信号值大小极大时，即电路中最高电压点的幅值与非平衡信号值仅差三个数量级以内，平衡桥电路距离平衡点有很大的调整空间，此时应线性加大反馈相位增量；当非平衡信号值下降到一定程度时，即电路中最高电压点的幅值与非平衡信号值相差三个数量级至六个数量级时，应对反馈相位增量添加积分量以消除静差，减小振荡现象带来误差；当非平衡信号值下降到较小值时，即电路中最高电压点的幅值与非平衡信号值相差六个数量级以上，可判断平衡电路达到平衡状态，此时相位锁定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其特征在于其包括：激励信号源单元、反馈信号源单元、参考阻抗阵列单元、待测阻抗、电桥非平衡点信号测量单元、电桥自平衡调整单元，其中，
所述激励信号源单元的输出端与所述待测阻抗的高电势端连接，用于向所述电桥非平衡点信号测量模块提供电压型激励信号；
所述反馈信号源单元的输出端与所述参考阻抗阵列单元的高电势端连接，用于向所述电桥非平衡点信号测量模块提供电压型反馈信号；
所述电桥非平衡点信号测量单元的输入端与所述待测阻抗的低电势端、所述参考阻抗阵列单元的低电势端相互耦合，用于获取非平衡电压信号；
所述电桥自平衡调整单元的输入端与所述电桥非平衡点信号测量单元的输出端连接，输出端与所述激励信号源单元的输入端、反馈信号源单元的输入端连接，形成自平衡调整链路，用于当检测到非平衡电压信号非零时，调整电桥输入电压信号的幅度与相位，实现电桥平衡。
2.根据权利要求1所述的宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其特征在于：所述激励信号源单元为数控振荡器综合波形发生器，所述数控振荡器综合波形发生器输入端与所述电桥自平衡调整单元相连，并在所述电桥自平衡调整单元反馈控制下，调整输出信号的幅度与相位，为所述待测阻抗提供输入电压信号。
3.根据权利要求1所述的宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其特征在于：所述反馈信号源单元为数控振荡器综合波形发生器，所述数控振荡器综合波形发生器输入端与所述电桥自平衡调整单元相连，并在所述电桥自平衡调整单元反馈控制下，调整输出信号的幅度与相位，为所述参考阻抗阵列单元提供输入电压信号。
4.根据权利要求2或3所述的宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其特征在于：所述数控振荡器综合波形发生器的输出端沿信号传递方向依次包括若干DAC数模转换单元、若干抗镜像滤波器单元和若干衰减单元。
5.根据权利要求1所述的宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其特征在于：所述参考阻抗阵列单元包括若干阻值不同的金属箔电阻形成可选阵列。
6.根据权利要求1所述的宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其特征在于：所述电桥非平衡点信号测量单元包括模拟混频单元和ADC信号采样单元。
7.根据权利要求6所述的宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其特征在于：所述模拟混频单元沿信号通路还与若干低通滤波器单元、若干运算放大电路单元相连接。
8.根据权利要求1所述的宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其特征在于：所述电桥自平衡调整单元包括至少一个现场可编程逻辑阵列，所述可编程逻辑阵列内设有数字相位调整单元。
9.根据权利要求1所述的宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其特征在于：所述电桥自平衡调整单元还包括至少一个嵌入式处理器，所述嵌入式处理器内设有数字幅度调整单元。
10.根据权利要求1所述的宽频段适用的模数混合自平衡电桥，其特征在于：所述电桥自平衡调整单元还包括数字阻值计算单元，所述数字阻值计算单元的输入端与所述电桥非平衡点信号测量单元的输出端、所述电桥自平衡调整单元的输出端相互连接，获取激励信号幅值与相位信息、反馈信号幅值与相位信息、参考阻抗阻值信息，用于计算待测阻抗阻值。
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