CN111693779A - 低压器件超高阻抗的高精度测量系统 - Google Patents
低压器件超高阻抗的高精度测量系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111693779A CN111693779A CN202010564175.0A CN202010564175A CN111693779A CN 111693779 A CN111693779 A CN 111693779A CN 202010564175 A CN202010564175 A CN 202010564175A CN 111693779 A CN111693779 A CN 111693779A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- low
- impedance
- direct current
- linear regulator
- measuring
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims abstract description 83
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 65
- 238000002847 impedance measurement Methods 0.000 claims description 25
- 238000002955 isolation Methods 0.000 claims description 22
- 230000009977 dual effect Effects 0.000 claims description 15
- 238000013480 data collection Methods 0.000 claims description 8
- 230000005284 excitation Effects 0.000 claims description 5
- 230000007274 generation of a signal involved in cell-cell signaling Effects 0.000 claims description 5
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims description 3
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 3
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 3
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 6
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 6
- 101100236764 Caenorhabditis elegans mcu-1 gene Proteins 0.000 description 5
- 101100156949 Arabidopsis thaliana XRN4 gene Proteins 0.000 description 4
- 101100215777 Schizosaccharomyces pombe (strain 972 / ATCC 24843) ain1 gene Proteins 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000009413 insulation Methods 0.000 description 3
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 3
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 3
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 2
- 238000013461 design Methods 0.000 description 2
- 230000005686 electrostatic field Effects 0.000 description 2
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 2
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 2
- 238000012827 research and development Methods 0.000 description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 2
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 2
- 238000012935 Averaging Methods 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 230000026058 directional locomotion Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 1
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 1
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 1
- 230000004992 fission Effects 0.000 description 1
- 230000005764 inhibitory process Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 239000000615 nonconductor Substances 0.000 description 1
- 230000002093 peripheral effect Effects 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 230000004044 response Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 230000001629 suppression Effects 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
- 239000002699 waste material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R27/00—Arrangements for measuring resistance, reactance, impedance, or electric characteristics derived therefrom
- G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
- G01R27/025—Measuring very high resistances, e.g. isolation resistances, i.e. megohm-meters
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measurement Of Resistance Or Impedance (AREA)
Abstract
本发明提供了一种结构简单、成本低、效率高、性能强的低压器件超高阻抗的高精度测量系统。本发明包括MCU（1）、交流源信号发生装置（2）、串口隔离器（U9）、端口隔离器（U16）、正弦信号隔离装置（U18）、直流源信号发生装置（3）、直流源切换装置（4）、阻抗测量装置（5）、数据采集器（6）、测试电阻模拟开关（7）以及电源，在待测产品外围设置有屏蔽装置（8），所述MCU（1）通过所述端口隔离器（U16）分别与所述阻抗测量装置（5）、所述数据采集器（6）及所述测试电阻模拟开关（7）连接，所述阻抗测量装置（5）和待测产品之间设置有保护环（9），所述电源为整个测量系统供电。本发明可应用于测试领域。
Description
技术领域
本发明涉及测试领域，尤其涉及一种应用于针对G欧（1×1014＞XR＞1×109欧姆）甚至达到T欧姆且材料本身电压耐受力较低（＜2～5伏特）的精密器件的直流阻抗和交流阻抗的测试的低压器件超高阻抗的高精度测量系统。
背景技术
普通绝缘材料的阻抗越高，其电压耐受力也会越高，所以测量一般都会使用高压仪表（0～KV）去测量，如兆欧表等。但测量低耐压（＜2V，甚至更低）、高阻抗的材料时，这种高压测试方法就不能正常应用了。而低电压下影响测量精度的主要因素包括：
1.电阻本身噪声的影响尤为突出；
2.激励源自身噪声；
3.EMI（电磁干扰）的影响；
4.测试网络的漏电流、漏电压。
目前在测量＞1G欧姆的电阻时，基本都是采用静电计、SMU、皮安计+电压源、高阻计等一起进行测量。静电计的测量方式需要配置电压源或电流源，所以高阻的精密测试都是使用外接一台电压源（源表）加静电计或是皮安计的方法实现，从而获得测量电压或电流，使用欧姆定律最终计算出阻值，如图1和图2所示。使用源表和静电计的仪表测试方法，可以直接获得测试值。如图1、图2 所示为通用的静电计(静电电压表)、高阻计仪器仪表实现的高电阻测量，它们的特点是静电计(静电电压表)和激励源(电压源或电流源)是分开的两部分。另外市面上较为流行的高阻测量仪器，如型号为B2985A等仪器设备，将源表和静电计综合在一台仪器中，然后通过仪表专用配套适配器连接测量高阻，直接可以在仪表面板上读取测试值，不用再另外计算。
另外一种方法是使用普通数字万用表通过读取电压的方式计算高阻，其原理如图3所示。图3所示为使用一个外部电流源向被测器件提供恒流，然后通过一个运放作为缓冲器，其中V1≈V0，从而实现较低成本的普通数字万用表就可以测量Rx的高阻。
此外，还可以内置集成激励源（电压源或电流源）和缓冲器组成测量电路来进行高阻测量。目前很多测试仪器板卡的电路测量技术，使用电路板自身的电流源，再使用运放作为输入信号的缓冲器，如图4和图5所示。图4是带内置电流源的静电计高阻测量的简易原理图，图5是带保护欧姆式的静电计高阻测量的简易原理图。
图4、5中的被测电阻计算公式如下：
RX=V1/(VS×R) （表达式1）
RX=V1/I （表达式2）
以上述及的图1、图2、图3所示的测试方法是通过仪器仪表的配合来实现高阻的测量。图4、图5完全是自主电路仪器板卡的测量方法。但其测量质量非常受限于运放本身的电参性能。
上述现有技术中，测量＞100G的高阻，测试电压≤1V的情况下，由于被测物体两端加载的电压过低，电场内电荷的定向移动极容易受到工频辐射的骚扰。被测物体本身具有极高的阻抗，辐射可以很容易通过空间及金属或低阻非导体传递到测量仪器两端，造成被测电信号上会加载0～150Hz的低频谐波，达到稳定测试状态的时间比较长。为了保证更快和更准确的测试，必须将电流源或电压源的电压调整得比较高，一般会调到＞1V，甚至更高，从而降低电阻本身产生的热噪声影响。并且测试条件要在要求非常高的屏蔽环境下（隔离度＞60dB）进行测试。尽管如此，此类分压测试由于没有动态响应能力，仍然需要等待被测量物体两端电场稳定后，才能精准测试出阻值，测试时间仍然较长。
由于现在的测量技术基本都是分压测试的模式，所以首先要有精度高的仪器，如皮安计，静电计，电压源等等。加上容易受到外部环境中EMI（电磁干扰）以及静电场、自然环境的温湿度等等影响，所以必须搭建良好的屏蔽环境，造成了测试成本非常高，且会导致不必要的浪费。测试仪器和测量设备所占用的体积比较大，很难导入到量化生产中去。
另外市场上存在非常多低耐压高阻抗的材料。上述现有的测试方法经常会出现被测物体因耐压的问题造成击穿或者材质裂变，从而降低了材料本身的特性和使用寿命。当被测器件（材料）的绝缘直流阻抗和交流阻抗这些特征参数都超过GΩ（1×109欧姆），测量超高阻抗时，针对这些被测材料的测试电压＞2伏特后，被测材料的电参数就会敏感变化，呈现非线性的低压工作状态。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低、效率高、性能强的低压器件超高阻抗的高精度测量系统，该系统设计科学，测试精准且适用于量产。
本发明所采用的技术方案是，该系统包括
独立设置且用于向测量系统输出测试数据并接收测试结果的MCU，
独立设置且用于输出AC交流正弦激励信号的交流源信号发生装置，
用于隔离耦合所述MCU的数据传输的串口隔离器和端口隔离器，
用于隔离耦合所述交流源信号发生装置输出的AC交流正弦激励信号的正弦信号隔离装置，
用于产生直流电源信号的直流源信号发生装置，
用于切换正反相直流源的直流源切换装置，
用于对待测产品的阻抗进行测量的阻抗测量装置，
用于采集待测产品的阻抗测量数据的数据采集器，
用于设置测试电阻不同阻值的测试电阻模拟开关，以及电源，
在待测产品外围设置有屏蔽装置，所述测试电阻模拟开关的输出端与待测产品相连接，所述测试电阻模拟开关设置有若干路测试电阻，所述直流源信号发生装置通过所述直流源切换装置与所述阻抗测量装置连接，所述阻抗测量装置的输出端与所述测试电阻模拟开关的输入端连接，在所述阻抗测量装置取样后与所述数据采集器连接，所述串口隔离器分别与所述MCU及所述数据采集器连接，所述正弦信号隔离装置的输出端通过第三继电器分别与所述阻抗测量装置及所述数据采集器连接，所述MCU通过所述端口隔离器分别与所述阻抗测量装置、所述数据采集器及所述测试电阻模拟开关连接，所述阻抗测量装置和待测产品之间设置有保护环，所述电源为整个测量系统供电。
所述串口隔离器、端口隔离器、正弦信号隔离装置、直流源信号发生装置、直流源切换装置、阻抗测量装置、数据采集器及测试电阻模拟开关均设置在同一块PCB板上。
所述直流源信号发生装置包括DAC数模转换器、第二十二低压差线性稳压器、高精分压器、反相器和缓冲器，所述第二十二低压差线性稳压器和所述高精分压器相连接组成高精电压源，所述DAC数模转换器为所述直流阻抗测量装置提供设定值电压源，所述高精电压源和所述设定值电压源之间通过通道切换器切换。
所述阻抗测量装置包括第三低功耗放大器、测量运放器、仪表放大器，所述第三低功耗放大器的输出端与所述测量运放器的负输入端相连接，所述第三低功耗放大器的正输入端、所述测量运放器的正输入端及所述仪表放大器的负输入端连通，所述仪表放大器的输出端与所述数据采集器相连接，所述测试电阻模拟开关的一端与所述测量运放器的输出端相连接，另一端与待测产品的输入端相连接，所述保护环连接在所述直流运放器的负输入端与待测产品的输入端相连接，所述直流运放器的正输入端与所述反相器及所述缓冲器的输出端之间设置有第四继电器，所述第三低功耗放大器的输出端与所述直流运放器的负输入端之间设置有第一继电器。
所述待测产品与所述测试电阻模拟开关之间还设置有包括第二继电器和三同轴连接器，待测产品连接在所述三同轴连接器上，所述三同轴连接器与所述第二继电器相连接，所述屏蔽装置为EMI屏蔽盒，所述EMI屏蔽盒通过基准电压源器件连接有电压源。
所述电源为单电源输入、双电源输出的隔离电源，所述电源包括双输出隔离电源、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、第五低压差线性稳压器和第六线性稳压器，所述第一低压差线性稳压器、所述第三低压差线性稳压器和所述第六线性稳压器均与所述双输出隔离电源的一路输出相连接，所述第二低压差线性稳压器和所述第五低压差线性稳压器均与所述双输出隔离电源的另一路输出相连接。
本发明的有益效果是：在本发明中，直流源信号发生装置输出设定的固定电压值到直流阻抗测量装置的直流运放器的同相输入端，完成直流测量的正压建立，此时，待测产品、直流测量电阻、直流运放器、恒定测量电压源及地之间形成一个串联的闭合回路，在该闭合回路中，待测产品的阻值变化会引起直流运放器输入端电压的变化，定义该变化的电压为差分电压，通过对该差分电压进行放大处理后，利用通道切换装置将该差分电压值传输到MCU中，得到正向电流情况下的电压值；再通过接通第四继电器，通过反相器输入到直流运放器的同相端，完成直流测量的负压建立，待测产品的两端获得一个电流反向的负压源，待测产品、直流测量电阻、直流运放器、恒定测量电压源及地之间形成一个串联的闭合回路，在该闭合回路中，反相电流由直流运放器分流，即获得反相负压值，通过对该差分电压进行放大处理后，利用通道切换装置将该差分电压值传输到MCU中，即获得反向电流情况下的电压值；再次将直流源信号发生装置的DAC数模转换器设定为0V输出，在由待测产品、直流测量电阻、直流运放器及地之间形成一个串联的闭合测试回路中，最后从通道切换装置读取到零电位电压值；由于直流测量电阻为已知设定值，利用该已知电阻值与电压压降的关系，分别获得在正向电流、负向电流和零电位电流情况下的阻抗值，再利用求均值即得到待测产品的阻抗；而通过继电器接通可以切换到交流阻抗的测量电路上，交流源信号发生装置产生的信号经过隔离耦合装置耦合到交流运放器上，再经过交流测量电阻、第二继电器和待测产品构成测试回路，再通过通道切换装置读取到交流测量电压信号，再通过已知的交流测量电阻即可获得待测产品的交流阻抗；故本发明系统能够快速准确的完成待测产品的高精度测量，工作性能优越，该系统的设计极具科学性，且其体积小，易于实现此类高阻抗测量需求在量化生产时的高精度准确测试，也适用于产品研发阶段的验证测试和科研攻关等等。
附图说明
图1是现有技术中采用静电计和外部电压源进行高阻测量的简易原理图；
图2是现有技术中采用静电计和外部电流源进行高阻测量的简易原理图；
图3是是现有技术中使用真实电流源和数字多用表的高阻测量的简易原理图；
图4是现有技术中带内置电流源的静电计高阻测量的简易原理图；
图5是现有技术中带保护欧姆式的静电计高阻测量的简易原理图；
图6是本发明电路的简易结构框图；
图7是所述AC交流信号隔离电路的电路原理图；
图8是所述通信数据隔离电路的电路原理图；
图9是所述DAC数模转换器的电路原理图；
图10是所述高精电压源的电路原理图；
图11是所述第五继电器的电路原理图；
图12是所述缓冲器和反相器的电路原理图；
图13是本发明高阻测量电路的原理图；
图14是所述屏蔽装置的电路原理图；
图15是所述第四继电器的电路原理图；
图16是所述ADC模数转换器的电路原理图；
图17是所述双输出隔离电源的电路原理图；
图18是所述第一低压差线性稳压器的电路原理图；
图19是所述第二低压差线性稳压器的电路原理图；
图20是所述第三低压差线性稳压器的电路原理图；
图21是所述第五低压差线性稳压器的电路原理图；
图22是所述第六线性稳压器的电路原理图；
图23是本发明实施例在交流测量阻抗状态下采集的数据图。
具体实施方式
如图6所示，本发明所述系统包括
独立设置且用于向测量系统输出测试数据并接收测试结果的MCU 1，
独立设置且用于输出AC交流正弦激励信号的交流源信号发生装置2，
用于隔离耦合所述MCU 1的数据传输的串口隔离器U9和端口隔离器U16，
用于隔离耦合所述交流源信号发生装置2输出的AC交流正弦激励信号的正弦信号隔离装置U18，
用于产生直流电源信号的直流源信号发生装置3，
用于切换正反相直流源的直流源切换装置4，
用于对待测产品的阻抗进行测量的阻抗测量装置5，
用于采集待测产品的阻抗测量数据的数据采集器6，
用于设置测试电阻不同阻值的测试电阻模拟开关7，以及电源，
在待测产品外围设置有屏蔽装置8，所述测试电阻模拟开关7的输出端与待测产品相连接，所述测试电阻模拟开关7设置有若干路测试电阻Rs，所述直流源信号发生装置3通过所述直流源切换装置4与所述阻抗测量装置5连接，所述阻抗测量装置5的输出端与所述测试电阻模拟开关7的输入端连接，在所述阻抗测量装置5取样后与所述数据采集器6连接，所述串口隔离器U9分别与所述MCU 1及所述数据采集器6连接，所述正弦信号隔离装置U18的输出端通过第三继电器K3分别与所述阻抗测量装置5及所述数据采集器6连接，所述MCU1通过所述端口隔离器U16分别与所述阻抗测量装置5、所述数据采集器6及所述测试电阻模拟开关7连接，所述阻抗测量装置5和待测产品之间设置有保护环9，所述电源为整个测量系统供电。所述MCU的型号选自STM32F103ZET6。
所述串口隔离器U9、端口隔离器U16、正弦信号隔离装置U18、直流源信号发生装置3、直流源切换装置4、阻抗测量装置5、数据采集器6及测试电阻模拟开关7均设置在同一块PCB板上。
所述直流源信号发生装置3包括DAC数模转换器U10、第二十二低压差线性稳压器U22、高精分压器U21、反相器U20A和缓冲器U20B，所述第二十二低压差线性稳压器U22和所述高精分压器U21相连接组成高精电压源，所述DAC数模转换器U10为所述直流阻抗测量装置5提供设定值电压源，所述高精电压源和所述设定值电压源之间通过通道切换器U15切换。
所述阻抗测量装置5包括第三低功耗放大器U14A、测量运放器U12、仪表放大器U11，所述第三低功耗放大器U14A的输出端与所述测量运放器U12的负输入端相连接，所述第三低功耗放大器U14A的正输入端、所述测量运放器U12的正输入端及所述仪表放大器U11的负输入端连通，所述仪表放大器U11的输出端与所述数据采集器6相连接，所述测试电阻模拟开关7的一端与所述测量运放器U12的输出端相连接，另一端与待测产品的输入端相连接，所述保护环9连接在所述直流运放器U12的负输入端与待测产品的输入端相连接，所述直流运放器U12的正输入端与所述反相器U20A及所述缓冲器U20B的输出端之间设置有第四继电器K4，所述第三低功耗放大器U14A的输出端与所述直流运放器U12的负输入端之间设置有第一继电器K1。
所述待测产品与所述测试电阻模拟开关7之间还设置有包括第二继电器K2和三同轴连接器J4，待测产品连接在所述三同轴连接器J4上，所述三同轴连接器J4与所述第二继电器K2相连接，所述屏蔽装置8为EMI屏蔽盒，所述EMI屏蔽盒通过基准电压源器件U8连接有电压源。
所述电源为单电源输入、双电源输出的隔离电源，所述电源包括双输出隔离电源U4、第一低压差线性稳压器U1、第二低压差线性稳压器U2、第三低压差线性稳压器U3、第五低压差线性稳压器U5和第六线性稳压器U6，所述第一低压差线性稳压器U1、所述第三低压差线性稳压器U3和所述第六线性稳压器U6均与所述双输出隔离电源U4的一路输出相连接，所述第二低压差线性稳压器U2和所述第五低压差线性稳压器U5均与所述双输出隔离电源U4的另一路输出相连接。
在这里，综合考虑到信号采集精度和所需独立信号通道数量，本发明选择型号为AD7175的芯片作为数据采集器，该芯片具备24位、250KSPS数据采样率，集成的Σ-Δ型模数转换器适合低带宽的高阻测量信号输入，且内置的数字滤波器能以27.27 SPS输出数据速率对50 Hz/60 Hz以及工频的倍频（100Hz/120Hz）进行同步抑制，其抑制能力达到86dB，这样就很好的降低了在测量过程中工频噪声的辐射影响。具体地，直流DC阻抗测量的信号是从直流差分信号输入通道ADC_AIN0、ADC_AIN1读取的，交流AC阻抗测量的信号是从交流差分信号输入通道ADC_AIN2、ADC_AIN3读取的，设置的VREF直流电平和交流正弦波幅值信号都是从信号读取通道ADC_AIN4读取的。
如图13和图14所示，。在这里，设置屏蔽装置8的原因如下：由于测量回路本身具有高阻抗的固有特性，非常容易吸收周边压电磁场，所以无论是工频电场还是静电场，都会以电磁场的方式骚扰到测量电路，这些干扰会以噪声叠加的方式出现在被测量的有效信号中，从而产生测量误差。为了解决测量中的EMC问题，电磁骚扰一般都是通过传导和辐射两种方式，所以需要设置屏蔽装置来隔离和屏蔽电磁骚扰。
如图18至图22所示，所述电源为单电源输入、双电源输出的隔离电源，所述电源包括双输出隔离电源U4、第一低压差线性稳压器U1、第二低压差线性稳压器U2、第三低压差线性稳压器U3、第五低压差线性稳压器U5和第六线性稳压器U6，所述第一低压差线性稳压器U1、所述第三低压差线性稳压器U3和所述第六线性稳压器U6均与所述双输出隔离电源U4的一路输出相连接，所述第二低压差线性稳压器U2和所述第五低压差线性稳压器U5均与所述双输出隔离电源U4的另一路输出相连接。
本发明考虑到抗干扰以及传导骚扰引起的噪声问题，选用单电源输入、双电源±12V、500mA输出的隔离电源模块作为电源。经过测试，电路中的运放直流工作区域的电压抑制比表现非常出色。但考虑到交流信号因为频率的升高性能降低的特点，为降低电源轨的噪声，选择了共模抑制比表现优秀的低压差线性稳压器LT3042和LT3094作为双电源的稳压输出，用来抑制从隔离电源端产生的开关噪声。而第二低压差线性稳压器U2同时起到隔离高阻测量电路以外未知的多频谱范围的噪声。
在这里对保护环进行如下说明。如图13所示，由于被测量阻抗回路中的电流极小，电流中电荷向不等电位的电极泄漏，非常容易造成高阻测量回路以外的静电电荷流入高阻测量回路或受到回路附近电极材料的压电效应影响，这些流入高阻测量回路的电荷将严重影响测量。为避免电荷的爬行泄漏，在测量主回路周围设计包围一个保护环，让保护的电位和测量信号源的电位相等，进而解决电荷的爬行泄漏问题。在本发明中，直流运放器U12、交流运放器U16的第8脚直接和高阻抗器件（包括直流测量电阻Rz（R36）、交流测量电阻Rj（R52）以及和待测产品）连接，且中间连接测试线缆，如J4输出三同轴连接器及同轴电缆，较长的网络需要建立一个保护环。在本发明中，将输入到直流运放器U12、交流运放器U16的第1脚的VREF信号，同时也输入到第三低功耗放大器U14A（型号为ADA4522），第三低功耗放大器U14A组成了一个跟随器电路，第三低功耗放大器U14A的第1脚的输出信号作为保护环9，使被保护的部分的电位与测量信号源的点位相等，从而避免外界的噪声干扰。
在本发明中，直流阻抗测量的过程如下：
如图13所示，首先通过直流源信号发生装置4中的DAC数模转换器U10设定好1V电压，或通过由第二十二低压差线性稳压器U22和所述高精分压器U21相连接组成高精电压源设定固定电压值1.024V，通过继电器控制将设定好的恒定测量电压源VREF输入到直流运放器U12运放的同相端，这样就完成了VREF的正压建立。利用直流运放器U12运放虚短特性1、8脚的IN+\IN-两端的共模电平都是保持在1V（或1.024V）不变，所以待测产品两端的电平也保持在1V（或1.024V）上不变，这样待测产品（Rx）、直流测量电阻Rz（R36）、直流运放器U12、恒定测量电压源VREF、模拟地AGND构成一个串联闭合回路。因待测产品电阻变化引起的电流变化将最终体现在直流运放器U12的第1、6两脚的分压上，也就是不同阻抗值引起的电流变化会引起直流运放器U12 的第1、6两脚电压的变化，将这个电压定义为正向电流情况下的正向电压值VO_P1V；正向电压值VO_P1V为差分电压形式输入到直流仪表放大器U11（型号为AD8422）进行放大，放大后的差模电压经第三十二电阻R32、第四十电阻R40作为第一通道传输到通道切换装置U7的直流差分信号输入通道AIN0、AIN1的输入端，进行数模转换后微处理器可以读取VO_P1V的电压值用于阻抗计算。
测得正向电压值VO_P1V后，此时只要将第四继电器K4接通，之前设定好的1V电压通过反向器U20A输入到直流运放器U12运放的同相端（1脚位），这样就完成了恒定测量电压源VREF的负压建立。待测产品两端将获得一个电流方向相反的-1V电压源，这样待测产品Rx、直流测量电阻Rz（R36）、直流运放器U12、恒定测量电压源VREF、模拟地AGND构成一个串联闭合回路。反相电流由直流运放器U12（1脚、6脚）分流获得反流情况下的反向电压值VO_N1V。在这里，直流仪表放大器U11和跟随器U13组成一个以2.5V电压为共模参考电压点的电路。将直流仪表放大器U11的第6脚REF的电平抬高并且稳定在2.5V，这样直流仪表放大器U11 放大电路的共模参考点电压是2.5V，在通道切换装置中的ADC模数转换器U7的第4脚（REFOUT）参考点的电压也设为2.5V（ADC模数转换器U7第4脚和跟随器U13第3脚是同一网络信号），ADC模数转换器U7的AIN0、AIN1输入端就可以读取反相负电压值VO_N1V。这能够保证正向阻抗测量电压值和反向阻抗测量电压值的绝对值是一致的，进而保证正负信号源输出阻抗的一致性。
再次，以上通道设定不变，将DAC数模转换器U10设定为0V，测试回路与上述相同，ADC模数转换器U7的AIN0、AIN1输入端就可以读取零电位电压值VO_0V。
通过测得的正向电压值VO_P1V、反向电压值VO_N1V和零电位电压值VO_0V，以及已知的直流测量电阻Rz（R36），即可分别算得三种情况下待测产品的阻抗值，再将这些阻抗值取均值，即获得待测产品的阻抗。
本发明的交流阻抗的测量过程如下：
将交流源信号发生装置（即直接数字频率合成器，以下简称为DDS）设置为10Hz交流正弦波，幅值1Vpp（根据待测产品的阻抗设定），将第一继电器K1、第二继电器K2、第按继电器K3接通切换到交流阻抗测试回路。10Hz交流正弦波经过线性隔离器U18和第一继电器K1耦合到交流运放器U16的第1脚，再经过交流测量电阻Rj（R52，100M欧姆电阻）、第二继电器K2、三同轴连接器J4、待测产品构成测试回路。测量电压信号的读取为ADC模数转换器U7的交流差分信号输入通道（ADC_AIN2、ADC_AIN3）的输入端和信号读取通道（ADC_AIN4）的输入端。在设定频率下，交流阻抗要比直流阻抗小很多，所以我们交流测量电阻Rj（R52）的取样电阻尽可能地取小，且同时考虑到交流仪表放大器U15在交流放大回路的非线性，尽量使用增益G=1的电路模型。这样就可以测试获得由DDS产生后输入的正弦波信号VREF的有效值VREF_RMS和由运放分流后获得的正弦波信号VO的有效值VO_RMS，然后根据已知的交流测量电阻Rj得到交流阻抗值。
交流阻抗的测量信号通道和直流阻抗测量信号通道的原理基本是一致的，其较大的区别在于获得正弦波幅值的采集和计量方式不同。如采用10Hz的AC交流正弦波信号频率作为测试信号源时，信号源周期为100mS（100毫秒），使用200Hz左右的采样率，采集2～3个完整周期的四五十个电平数据进行RMS有效值的计算，如图23所示的采集数据，当然也可以设置更高的采样率，采集更多的分布数据来运算去获得更精准的有效值。在本实施例中，使用低频的采样目的就是为了控制信号带宽，利用ADC模数转换器U7本身的50 Hz和60 Hz滤波器特性，更好的抑制低频干扰。
本发明的阻抗测量量程可以通过调节加载在待测产品两端的测量电压VREF的电压幅值，也可以通过改变直流测量电阻Rz或交流测量电阻Rj的阻值实现从50M欧～100T欧的宽带测量范围。此外，本发明的高阻测量对测试环境和自然环境都有一定的要求，首先被测器件应该保持干燥，才能真实的反映出器件的物理特性。
本发明所述的高精度测量系统可应用于测量超过G欧（1×1014＞XR＞1×109欧姆）且材料本身电压耐受力较低（＜2～5伏特）的精密器件的直流阻抗和交流阻抗，尤其是测量那些只是能在低电压下正常工作的（电压、电流型）传感器、电子器件、半导体器件等元器件的直流阻抗和交流阻抗。例如可以应用在半导体器件高输入阻抗的高精度测试、化学传感器的直流和交流高阻抗测试、容性传感器的交流高阻抗测试，应用极为广泛。此外，该系统也适用于低耐压绝缘材料的表面电阻和体积电阻测试，并且被测器件（材料）的绝缘直流阻抗和交流阻抗这些特征参数都超过G欧姆，甚至达到T欧姆。还可以应用于分析类仪器仪表和测量设备，在材料研发过程中的测量、生物医药的阻抗测试、半导体器件的检验、电子产品测试。该技术具有非常易于量化生产测试应用的特点，有利于在实验室或加工厂，获得精准的被测材料阻抗数据，对被测材料进行特性分析和质量监控。
Claims (6)
1.一种低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：该系统包括
独立设置且用于向测量系统输出测试数据并接收测试结果的MCU（1），
独立设置且用于输出AC交流正弦激励信号的交流源信号发生装置（2），
用于隔离耦合所述MCU（1）的数据传输的串口隔离器（U9）和端口隔离器（U16），
用于隔离耦合所述交流源信号发生装置（2）输出的AC交流正弦激励信号的正弦信号隔离装置（U18），
用于产生直流电源信号的直流源信号发生装置（3），
用于切换正反相直流源的直流源切换装置（4），
用于对待测产品的阻抗进行测量的阻抗测量装置（5），
用于采集待测产品的阻抗测量数据的数据采集器（6），
用于设置测试电阻不同阻值的测试电阻模拟开关（7），以及电源，
在待测产品外围设置有屏蔽装置（8），所述测试电阻模拟开关（7）的输出端与待测产品相连接，所述测试电阻模拟开关（7）设置有若干路测试电阻（Rs），所述直流源信号发生装置（3）通过所述直流源切换装置（4）与所述阻抗测量装置（5）连接，所述阻抗测量装置（5）的输出端与所述测试电阻模拟开关（7）的输入端连接，在所述阻抗测量装置（5）取样后与所述数据采集器（6）连接，所述串口隔离器（U9）分别与所述MCU（1）及所述数据采集器（6）连接，所述正弦信号隔离装置（U18）的输出端通过第三继电器（K3）分别与所述阻抗测量装置（5）及所述数据采集器（6）连接，所述MCU（1）通过所述端口隔离器（U16）分别与所述阻抗测量装置（5）、所述数据采集器（6）及所述测试电阻模拟开关（7）连接，所述阻抗测量装置（5）和待测产品之间设置有保护环（9），所述电源为整个测量系统供电。
2.根据权利要求1所述的低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述串口隔离器（U9）、端口隔离器（U16）、正弦信号隔离装置（U18）、直流源信号发生装置（3）、直流源切换装置（4）、阻抗测量装置（5）、数据采集器（6）及测试电阻模拟开关（7）均设置在同一块PCB板上。
3.根据权利要求1所述的低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述直流源信号发生装置（3）包括DAC数模转换器（U10）、第二十二低压差线性稳压器（U22）、高精分压器（U21）、反相器（U20A）和缓冲器（U20B），所述第二十二低压差线性稳压器（U22）和所述高精分压器（U21）相连接组成高精电压源，所述DAC数模转换器（U10）为所述直流阻抗测量装置（5）提供设定值电压源，所述高精电压源和所述设定值电压源之间通过通道切换器（U15）切换。
4.根据权利要求3所述的低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述阻抗测量装置（5）包括第三低功耗放大器（U14A）、测量运放器（U12）、仪表放大器（U11），所述第三低功耗放大器（U14A）的输出端与所述测量运放器（U12）的负输入端相连接，所述第三低功耗放大器（U14A）的正输入端、所述测量运放器（U12）的正输入端及所述仪表放大器（U11）的负输入端连通，所述仪表放大器（U11）的输出端与所述数据采集器（6）相连接，所述测试电阻模拟开关（7）的一端与所述测量运放器（U12）的输出端相连接，另一端与待测产品的输入端相连接，所述保护环（9）连接在所述直流运放器（U12）的负输入端与待测产品的输入端相连接，所述直流运放器（U12）的正输入端与所述反相器（U20A）及所述缓冲器（U20B）的输出端之间设置有第四继电器（K4），所述第三低功耗放大器（U14A）的输出端与所述直流运放器（U12）的负输入端之间设置有第一继电器（K1）。
5.根据权利要求1所述的低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述待测产品与所述测试电阻模拟开关（7）之间还设置有包括第二继电器（K2）和三同轴连接器（J4），待测产品连接在所述三同轴连接器（J4）上，所述三同轴连接器（J4）与所述第二继电器（K2）相连接，所述屏蔽装置（8）为EMI屏蔽盒，所述EMI屏蔽盒通过基准电压源器件（U8）连接有电压源。
6.根据权利要求1所述的低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述电源为单电源输入、双电源输出的隔离电源，所述电源包括双输出隔离电源（U4）、第一低压差线性稳压器（U1）、第二低压差线性稳压器（U2）、第三低压差线性稳压器（U3）、第五低压差线性稳压器（U5）和第六线性稳压器（U6），所述第一低压差线性稳压器（U1）、所述第三低压差线性稳压器（U3）和所述第六线性稳压器（U6）均与所述双输出隔离电源（U4）的一路输出相连接，所述第二低压差线性稳压器（U2）和所述第五低压差线性稳压器（U5）均与所述双输出隔离电源（U4）的另一路输出相连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010564175.0A CN111693779A (zh) | 2020-06-19 | 2020-06-19 | 低压器件超高阻抗的高精度测量系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010564175.0A CN111693779A (zh) | 2020-06-19 | 2020-06-19 | 低压器件超高阻抗的高精度测量系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111693779A true CN111693779A (zh) | 2020-09-22 |
Family
ID=72481990
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010564175.0A Pending CN111693779A (zh) | 2020-06-19 | 2020-06-19 | 低压器件超高阻抗的高精度测量系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111693779A (zh) |
Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5325068A (en) * | 1992-07-14 | 1994-06-28 | Abdul Rauf | Test system for measurements of insulation resistance |
| KR20060048331A (ko) * | 2004-06-11 | 2006-05-18 | 주식회사 파워트론 | 임피던스 측정기의 제어전원 회로 |
| CN102707149A (zh) * | 2012-06-28 | 2012-10-03 | 哈尔滨工业大学 | 积分式接触电阻测量系统及测量方法 |
| CN102981058A (zh) * | 2012-12-05 | 2013-03-20 | 辽宁省电力有限公司抚顺供电公司 | 抗干扰直流电阻测试装置 |
| CN104007322A (zh) * | 2014-06-12 | 2014-08-27 | 中国人民解放军第四军医大学 | 一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统 |
| CN206920524U (zh) * | 2017-05-31 | 2018-01-23 | 许继电气股份有限公司 | 一种逆变器滤波用铁芯电感的改进型增量阻抗法测量装置 |
| CN109342820A (zh) * | 2018-11-23 | 2019-02-15 | 南京理工大学 | 一种接触阻抗测试系统 |
| CN110082602A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-08-02 | 中国科学院计算技术研究所 | 一种全阻抗测量电路和测量装置 |
| CN110108939A (zh) * | 2018-02-01 | 2019-08-09 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 基于交流注入法的交流电机绝缘阻抗获取方法及装置 |
| CN110308330A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-10-08 | 福建星云电子股份有限公司 | 一种高效同步的保护板直流阻抗测试系统及测试方法 |
| CN212905144U (zh) * | 2020-06-19 | 2021-04-06 | 珠海市运泰利自动化设备有限公司 | 低压器件超高阻抗的高精度测量系统 |
-
2020
- 2020-06-19 CN CN202010564175.0A patent/CN111693779A/zh active Pending
Patent Citations (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US5325068A (en) * | 1992-07-14 | 1994-06-28 | Abdul Rauf | Test system for measurements of insulation resistance |
| KR20060048331A (ko) * | 2004-06-11 | 2006-05-18 | 주식회사 파워트론 | 임피던스 측정기의 제어전원 회로 |
| CN102707149A (zh) * | 2012-06-28 | 2012-10-03 | 哈尔滨工业大学 | 积分式接触电阻测量系统及测量方法 |
| CN102981058A (zh) * | 2012-12-05 | 2013-03-20 | 辽宁省电力有限公司抚顺供电公司 | 抗干扰直流电阻测试装置 |
| CN104007322A (zh) * | 2014-06-12 | 2014-08-27 | 中国人民解放军第四军医大学 | 一种用于电阻抗成像的高精度数据采集系统 |
| CN206920524U (zh) * | 2017-05-31 | 2018-01-23 | 许继电气股份有限公司 | 一种逆变器滤波用铁芯电感的改进型增量阻抗法测量装置 |
| CN110108939A (zh) * | 2018-02-01 | 2019-08-09 | 宁德时代新能源科技股份有限公司 | 基于交流注入法的交流电机绝缘阻抗获取方法及装置 |
| CN109342820A (zh) * | 2018-11-23 | 2019-02-15 | 南京理工大学 | 一种接触阻抗测试系统 |
| CN110082602A (zh) * | 2019-05-30 | 2019-08-02 | 中国科学院计算技术研究所 | 一种全阻抗测量电路和测量装置 |
| CN110308330A (zh) * | 2019-07-09 | 2019-10-08 | 福建星云电子股份有限公司 | 一种高效同步的保护板直流阻抗测试系统及测试方法 |
| CN212905144U (zh) * | 2020-06-19 | 2021-04-06 | 珠海市运泰利自动化设备有限公司 | 低压器件超高阻抗的高精度测量系统 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN212540542U (zh) | 精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统 | |
| Shenil et al. | Development of a nonintrusive true-RMS AC voltage measurement probe | |
| CN112858769A (zh) | 适用于朗缪尔探针的非线性微电流采集装置及方法 | |
| CN111707869B (zh) | 能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置 | |
| CN103235189A (zh) | 一种基于双电流电压比率法的微电阻高精度测量方法及实现该方法的测量系统 | |
| Hoja et al. | Portable analyzer for impedance spectroscopy | |
| Nojdelov et al. | Capacitive-sensor interface with high accuracy and stability | |
| CN101183147A (zh) | 电能表电快速瞬变脉冲群干扰试验的准确度测试系统 | |
| CN212905144U (zh) | 低压器件超高阻抗的高精度测量系统 | |
| Rajapaksha et al. | Development of portable electronic reader for picoampere detection for two-electrode based amperometric biosensor applications | |
| Bucci et al. | Measuring system for microelectric power | |
| CN108594140A (zh) | 电子线路功耗测量装置 | |
| CN111766450B (zh) | 精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统 | |
| CN111693779A (zh) | 低压器件超高阻抗的高精度测量系统 | |
| CN205619873U (zh) | 一种rvdt角位移传感器测试系统 | |
| CN105510674A (zh) | 一种微电流测量电路 | |
| CN205484500U (zh) | 一种便携式微电流测量电路 | |
| Janković et al. | Microcontroller power consumption measurement based on PSoC | |
| CN212540540U (zh) | 一种采用跨导分流结构实现交流阻抗测量的电路 | |
| CN106291065B (zh) | 一种电压取样电路 | |
| CN212905145U (zh) | 能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置 | |
| CN210626547U (zh) | 测量装置 | |
| CN213337808U (zh) | 低压器件超高阻抗的高精度测量系统架构 | |
| CN113295911A (zh) | 基于电流转频率的核仪表系统微电流测量方法和处理装置 | |
| Al-Hamry et al. | Low-cost portable system for capacitance measurement based on active bridge and relaxation oscillator |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |