CN109061282B - 一种微弱直流电压信号的超高精度测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微弱直流电压信号的超高精度测量方法，第一次测量将初始微弱直流电压输入至无反馈的差分直流放大电路中，由锁相电压值计算出从变容二极管和主振变容二极管的首次测量总电容值；第二次测量将外界输入的被测微弱直流电压输入至差分直流放大电路中，获得二次测量总电容值；将首次测量总电容值与二次测量总电容值进行差值运算，得总电容差值；第三次测量将从变容二极管与主振变容二极管之间的连接断开，得到对应被测到电压信号值的电容差值；利用第三次测量得到的对应被测到电压信号值的电容差值计算出被测微弱直流电压的电压值。本发明实现了针对微伏级、纳伏级的微弱直流电压信号的超高精度测量，并且具有超高分辨率，重复性强。
Description
技术领域
本发明涉及一种直流电压信号的测量方法，尤其涉及一种微弱直流电压信号的超高精度测量方法。
背景技术
当前国内外对微伏级、纳伏级的微弱直流电压信号测量技术上存在诸多问题，主要体现在精度低、温飘系数大、由器件本身漂移造成的参数漂移及一致性重复性低等方面。而微弱直流电压信号的测量在如分析仪器、惯导设备、光学测量等方面有着极其重要的地位。尽管现有技术采用了温度控制、器件选型、差分运放放大以及PID运算、漂移系数补偿方面的技术，已经将仪器的精度、分辨率及重复性提高到一定级别，但是对于精度和分辨率的矛盾仍然不能很好的解决，不能适应微弱的直流电压信号测量的要求。
发明内容
本发明的目的在于解决当前技术中存在的问题，提供一种能够针对微伏级、纳伏级的微弱直流电压信号的超高精度测量方法，该方法具有超高精度和分辨率，并且重复性强。
为达到上述目的，本发明所采用的技术手段是：一种微弱直流电压信号的超高精度测量方法，使用微弱直流电压测量电路实施三次测量，具体步骤如下：
第一次测量，将初始微弱直流电压输入至无反馈的差分直流放大电路中，由差分直流放大电路输出放大的电压信号；
将该电压信号加至锁相环的从变容二极管负端，形成从拟合电容，再与锁相环主振变容二极管形成总拟合电容，总拟合电容与VCO一同产生震荡频率，震荡频率与设置频率进行比较，产生锁相误差电压；
锁相误差电压以负反馈的形式加至主振变容二极管的负端，改变主振变容二极管的电容量，锁相环电路锁定频率，形成锁相电压值；
此时，由锁相电压值计算出从变容二极管和主振变容二极管的总电容值，该电容值为被测信号输入端基础值对应的首次测量总电容值，存储备用；
第二次测量，将外界输入的被测微弱直流电压输入至无反馈的差分直流放大电路中，由差分直流放大电路输出放大的电压信号；
将该电压信号加至锁相环的从变容二极管负端，步骤与第一次测量的后续过程相同，获得二次测量总电容值；
将首次测量总电容值与二次测量总电容值进行差值运算，得总电容差值；
第三次测量，将从变容二极管与主振变容二极管之间的连接断开，参照第一次测量中的测量锁相电压值并计算变容二极管电容值的步骤，得到主振变容二极管对应的电容值后，将该电容值与总电容差值做减法运算，得到对应被测到电压信号值的电容差值；
参照差分电路的放大倍数，以及电容与电压的关系式，利用第三次测量得到的对应被测到电压信号值的电容差值计算出被测微弱直流电压的电压值。
进一步的，所述微弱直流电压测量电路包括无反馈的差分直流放大电路、锁相环电路、AD模块和CPU，无反馈的差分直流放大电路连接锁相环电路，锁相环电路包括PLL、VCO、晶振及变容二极管单元，锁相环电路连接AD模块，AD模块连接CPU，CPU连接PLL。
更进一步的，所述无反馈的差分直流放大电路包括场效应管Q1、Q2，全桥整流器，电阻R1、R2、R3、R4，恒流源的正极通过电阻R3、R4分别连接场效应管Q1、Q2的漏极d，恒流源的负极通过电阻R1、R2分别连接场效应管Q1、Q2的源极s，场效应管Q1、Q2的栅极g分别连接被测直流电压信号的两端，在场效应管Q1栅极g与被测量直流电压信号的正极之间设置开关K1，全桥整流器的两个输入端分别连接场效应管Q1、Q2的漏极d，全桥整流器的一个输出端接地，另一个输出端接测量电路的输入端。
更进一步的，所述无反馈的差分直流放大电路输出的电压信号加至锁相环电路中从变容二极管D2的负端和电容C2的一端，从变容二极管D2的正端接地，电容C2的另一端接主振变容二级管D1的负端，VCO的输入端即PD电压输出端和AD模块的输入端连接，VCO通过电容C1连接PLL，PLL的输出连接VCO的输入端。
更进一步的，所述无反馈的差分直流放大电路、PLL的基准晶振、从变容二极管D2与主振变容二极管D1均采用恒温槽或温补电路控制。
更进一步的，所述微弱直流电压测量电路还包括校准单元，校准单元的正端连接场效应管Q1的栅极g，负端连接场效应管Q2的栅极g，开关K1断开。
本发明的有益技术效果是：通过本发明方法，实现了针对微伏级、纳伏级的微弱直流电压信号的超高精度测量，并且具有超高分辨率，重复性强，解决了现有技术无法适应微弱直流电压信号测量的问题。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
图1 本发明的微弱直流电压测量电路的电路原理图；
图2 PD锁相电压特性图。
具体实施方式
实施例1
一种微弱直流电压信号的超高精度测量方法，使用微弱直流电压测量电路实施三次测量，具体步骤如下：
第一次测量，将初始微弱直流电压输入至无反馈的差分直流放大电路中，由差分直流放大电路输出放大的电压信号；
将该电压信号加至锁相环的从变容二极管负端，形成从拟合电容，再与锁相环主振变容二极管形成总拟合电容，总拟合电容与VCO一同产生震荡频率，震荡频率与设置频率进行比较，产生锁相误差电压；
锁相误差电压以负反馈的形式加至主振变容二极管的负端，改变主振变容二极管的电容量，锁相环电路锁定频率，形成锁相电压值；
此时，由锁相电压值计算出从变容二极管和主振变容二极管的总电容值，该电容值为被测信号输入端基础值对应的首次测量总电容值，存储备用；
第二次测量，将外界输入的被测微弱直流电压输入至无反馈的差分直流放大电路中，由差分直流放大电路输出放大的电压信号；
将该电压信号加至锁相环的从变容二极管负端，步骤与第一次测量的后续过程相同，获得二次测量总电容值；
将首次测量总电容值与二次测量总电容值进行差值运算，得总电容差值；
第三次测量，将从变容二极管与主振变容二极管之间的连接断开，参照第一次测量中的测量锁相电压值并计算变容二极管电容值的步骤，得到主振变容二极管对应的电容值后，将该电容值与总电容差值做减法运算，得到对应被测到电压信号值的电容差值；
参照差分电路的放大倍数，以及电容与电压的关系式，利用第三次测量得到的对应被测到电压信号值的电容差值计算出被测微弱直流电压的电压值。
实施例2
作为实施例1的具体电路结构设计，所述微弱直流电压测量电路包括无反馈的差分直流放大电路、锁相环电路、AD模块和CPU，无反馈的差分直流放大电路连接锁相环电路，锁相环电路包括PLL、VCO、晶振及变容二极管单元，锁相环电路连接AD模块，AD模块连接CPU，CPU连接PLL。
所述无反馈的差分直流放大电路包括场效应管Q1、Q2，全桥整流器，电阻R1、R2、R3、R4，恒流源的正极通过电阻R3、R4分别连接场效应管Q1、Q2的漏极d，恒流源的负极通过电阻R1、R2分别连接场效应管Q1、Q2的源极s，场效应管Q1、Q2的栅极g分别连接被测直流电压信号的两端，在场效应管Q1栅极g与被测量直流电压信号的正极之间设置开关K1，全桥整流器的两个输入端分别连接场效应管Q1、Q2的漏极d，全桥整流器的一个输出端接地，另一个输出段接测量电路的输入端。
所述无反馈的差分直流放大电路输出的电压信号加至锁相环电路中从变容二极管D2的负端和电容C2的一端，从变容二极管D2的正端接地，电容C2的另一端接主振变容二级管D1的负端，VCO的输入端即PD电压输出端和AD模块的输入端，VCO通过电容C1连接PLL，PLL的输出连接VOC的输入端。
如图1所示，当开关K1、K2断开，此时电路没有外加信号，电路中被测到的微弱电压信号V0为基础值，V0基础值加载至由Q1和Q2、恒流源组成的电压差分放大电路，再由全桥的直流输出端输出已放大的差分电压信号，约数百毫伏至几伏。
选择差分放大的形式实现最大限度的抑制被放大的信号上的共模干扰，再由全桥的直流输出端输出已放大的差分电压信号，此电压的正端加至变容二极管D2的负端，此电压负极接地，同时D2容量会随着此电压的变化而变化，电压升高D2容值减少，反之，电压降低D2容值增大，另外变容二极管D1连接到VCO电路作为主振荡频率的输出，D2容值通过电容C2与D1的电容连接形成总的电容。
若K1合上接通，加载被测电压信号Vi，此时Vi为增高状态，经过差分放大电路，同时全桥的输出端正电压端电压增高即加至变容二极管D2的负端电压增高，D2的电容容量值会降低，由于D2的拟合电容通过C2以串并联的形式接至D1的拟合电容上，在D1上的总容量值会降低，此时VCO的振荡频率会相应升高，由于此频率又加到PLL单元并通过PLL的本振及分频系数共同作用及相敏比较，会输出一个新的降低的误差锁相电压PD2，再负反馈至变容二极管D1上，由于PD电压降低会使变容二极管的容量增大即让VCO的输出频率降低，重新让VCO的振荡频率锁定并等于原设置的频率，直至PD2无限趋近于一个新的中心电压值，重复这一过程，若K1断开获得PD1，PD1和PD2的差值PDi即为我们要得到对应的被测微弱电压的值，再第三次测量，将从变容二极管与主振变容二极管之间的连接断开，参照第一次测量中的测量锁相电压值的步骤，得到PDi2值，即主振PD值， 将刚才的PDi与PDi2进行差值运算得到新的PDi。
这个值经过推算及校准得到被测信号V测值，具体为PDi电压值送到A/D转换单元及CPU单元进行进一步的运算和处理并显示，通过通信单元与外界通信。
如图2所示，PD电压是无限趋向于一个中心值，具有超高的精度、分辨率、重复性及可再现性、数学上的多阶微分可解析性，同时由此电压反映及运算的被测直流电压信号具有超高的精度、分辨率，再之由图2所示的PD电压在锁相环单元锁定某一个频率时，此PD电压会无限趋近中心值，即使重复冷启动时也是如此，因而PD电压的重复性也是极高的，即测量值的重复性也是极高的。因而，测得的V测值由于锁相环，其指标参数具备超高精度、分辨率及重复性的特性，从而达到有效、超高精度地测量微弱直流信号的目的，以更进一步应用于各种围绕此中心目的的产品或仪器上。
实施例3
作为实施例2的进一步优化设计，由于被测电压信号直接加至两个场效应管Q1、Q2的栅极上，场效应管是靠微弱的电场驱动并放大，栅极并不需要偏置电压，场效应管微弱的输入电压即可被驱动，这正好符合被测直流电压为微伏级甚至纳伏级及各种漂移参数、噪声干扰及被一起放大这些客观情况，且以差分放大电路的形式进行放大，这种对微弱信号的直接放大且没有偏置电压、反馈设计，彻底克服传统复杂运算放大器技术模式所具有线性度差、压摆率难以控制、增益范围难以控制的缺点，并通过开关K1的断开和合上求得的前后锁相电压差值获得被测信号V测 值使其得到的是相对测量值，更进一步提高被测电压值的精度、分辨率，由于整个系统的差分放大部分、PLL的基准晶振、两个变容二极管D1和D2均采用了恒温槽或温补电路控制技术，使整个与温度变化造成的各参数漂移可以控制在1ppm以内的范围，极大地进一步提高测量的精度和分辨率及重复性指标参数。
实施例4
在上述实施例的基础上，本技术方案还可以增加一个校准单元，整个测量系统由于温度因素、元器件本身的漂移因素、重复开关机等方面的漂移因素，会对基础值及测量值造成精度、分辨率等参数的漂移影响。因此，在上述基础上引入校准单元，参照上述实施例的测量过程，并以图1所示，V校为超高精度基准校正电压，可以是毫伏级、微伏级甚至纳伏级，这一单元可以置于恒温槽内，将V校的正端通过开关K2接入Q1的栅极，V校的负端接入Q2的栅极，通过开关K2的断开和合上，此时K1必须断开，再参照上述测量过程得到PD1和PD2锁相电压值，这两个值的差值Pdi就是对应V校的电压值，可以在产品出厂前，预存V校电压值。V校电压值通过比较运算得到校正系数，用这个校正系数去校正上述获得的测量值V测以进一步的提高其精度、分辨率及重复性。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明实质内容所保护的范围。
Claims (7)
1.一种微弱直流电压信号的超高精度测量方法，其特征在于：使用微弱直流电压测量电路实施三次测量，具体步骤如下：
第一次测量，将初始微弱直流电压输入至无反馈的差分直流放大电路中，由差分直流放大电路输出放大的电压信号；
将该电压信号加至锁相环的从变容二极管负端，形成从拟合电容，再与锁相环主振变容二极管形成总拟合电容，总拟合电容与VCO一同产生震荡频率，震荡频率与设置频率进行比较，产生锁相误差电压；
锁相误差电压以负反馈的形式加至主振变容二极管的负端，改变主振变容二极管的电容量，锁相环电路锁定频率，形成锁相电压值；
此时，由锁相电压值计算出从变容二极管和主振变容二极管的总电容值，该电容值为被测信号输入端基础值对应的首次测量总电容值，存储备用；
第二次测量，将外界输入的被测微弱直流电压输入至无反馈的差分直流放大电路中，由差分直流放大电路输出放大的电压信号；
将该电压信号加至锁相环的从变容二极管负端，步骤与第一次测量的后续过程相同，获得二次测量总电容值；
将首次测量总电容值与二次测量总电容值进行差值运算，得总电容差值；
第三次测量，将从变容二极管与主振变容二极管之间的连接断开，参照第一次测量中的测量锁相电压值并计算变容二极管电容值的步骤，得到主振变容二极管对应的电容值后，将该电容值与总电容差值做减法运算，得到对应被测到电压信号值的电容差值；
参照差分电路的放大倍数，以及电容与电压的关系式，利用第三次测量得到的对应被测到电压信号值的电容差值计算出被测微弱直流电压的电压值。
2.根据权利要求1所述的微弱直流电压信号的超高精度测量方法，其特征在于：所述微弱直流电压测量电路包括无反馈的差分直流放大电路、锁相环电路、AD模块和CPU，无反馈的差分直流放大电路连接锁相环电路，锁相环电路包括PLL、VCO、晶振及变容二极管单元，锁相环电路连接AD模块，AD模块连接CPU，CPU连接PLL。
3.根据权利要求2所述的微弱直流电压信号的超高精度测量方法，其特征在于：所述无反馈的差分直流放大电路包括场效应管Q1、Q2，全桥整流器，电阻R1、R2、R3、R4，恒流源的正极通过电阻R3、R4分别连接场效应管Q1、Q2的漏极d，恒流源的负极通过电阻R1、R2分别连接场效应管Q1、Q2的源极s，场效应管Q1、Q2的栅极g分别连接被测直流电压信号的两端，在场效应管Q1栅极g与被测量直流电压信号的正极之间设置开关K1，全桥整流器的两个输入端分别连接场效应管Q1、Q2的漏极d，全桥整流器的一个输出端接地，另一个输出端接测量电路的输入端。
4.根据权利要求3所述的微弱直流电压信号的超高精度测量方法，其特征在于：所述无反馈的差分直流放大电路输出的电压信号加至锁相环电路中从变容二极管D2的负端和电容C2的一端，从变容二极管D2的正端接地，电容C2的另一端接主振变容二级管D1的负端，VOC的输入端和AD模块的输入端，VOC通过电容C1连接PLL，PLL的输出连接VOC的输入端。
5.根据权利要求4所述的微弱直流电压信号的超高精度测量方法，其特征在于：所述无反馈的差分直流放大电路、PLL的基准晶振、从变容二极管D2与主振变容二极管D1均采用恒温槽或温补电路控制。
6.根据权利要求4所述的微弱直流电压信号的超高精度测量方法，其特征在于：所述微弱直流电压测量电路还包括校准单元，校准单元的正端通过开关K2连接场效应管Q1的栅极g，负端连接场效应管Q2的栅极g，开关K1断开。
7.根据权利要求6所述的微弱直流电压信号的超高精度测量方法，其特征在于：所述校准单元采用恒温槽或温补电路控制。
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| GR01 | Patent grant | ||
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