CN112485526A - 阻抗测量装置 - Google Patents

Abstract

一种阻抗测量装置，适于测量待测元件的阻抗，阻抗测量装置包含信号混合器、基准信号产生器、相位比较器及模－数转换器。信号混合器耦接于待测元件以接收输入信号，用以混合输入信号及第一参考信号以产生混合信号。基准信号产生器依据输入信号以产生周期性的第一基准信号。相位比较器依据第一基准信号及第一参考信号的相位差，以产生一相位检测信号。模－数转换器，针对混合信号及相位检测信号进行模－数转换动作，借此产生阻抗检测结果。

Description

阻抗测量装置

技术领域

本发明是有关于一种阻抗测量装置，且特别是有关于一种可提升阻抗测量精准度的阻抗测量装置。

背景技术

传统的阻抗测量装置可通过同相正交调制技术以及全波整流技术来测量待测元件的阻抗。同相正交调制技术需要在同相信号通道以及正交信号通道之中，分别利用同相参考信号及正交参考信号来判断输入信号的振幅以及相位信息。其中，同相正交调制技术无法通过同相信号通道及正交信号通道中的单一通道取得输入信号的振幅或相位信息。此外，多通道的限制亦造成通道不匹配的效应，因而造成阻抗测量的误差。另外，全波整流技术受限于电路本身的电路偏移以及反应时间等非理想特性，亦造成阻抗测量上的误差。因此，传统的阻抗测量装置有改善的必要。

发明内容

本发明提供一种阻抗测量装置，通过输入信号与参考信号交互进行正交调制以减少通道间变异的影响，进而提升阻抗测量装置的精准度。

本发明的阻抗测量装置适于测量待测元件的阻抗。阻抗测量装置包含：信号混合器，耦接于待测元件以接收输入信号，用以混合输入信号及第一参考信号以产生混合信号；基准信号产生器，依据输入信号以产生周期性的第一基准信号；相位比较器，依据第一基准信号及第一参考信号的相位差，以产生相位检测信号；以及模－数转换器，针对混合信号及相位检测信号进行模－数转换动作，借此产生阻抗检测结果。

基于上述，本发明的阻抗测量装置可通过输入信号与参考信号交互进行正交调制以减少通道间变异的影响，提升阻抗测量装置的精准度。

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合所附图示作详细说明如下。

附图说明

图1为本发明实施例一阻抗测量装置的示意图。

图2为本发明实施例一阻抗测量装置的示意图。

图3为本发明实施例一阻抗测量装置的示意图。

图4为本发明实施例一阻抗测量装置的示意图。

图5为本发明实施例一阻抗测量装置的示意图。

图6为本发明实施例一阻抗测量装置的操作波形的示意图。

【附图标记说明】

10、20、30、40、50：阻抗测量装置

100、200、300、400、500：基准信号产生器

101、201、301、401、501：信号混合器

102、202、302、402、502：相位比较器

103、203、303、503：第一信号处理器

104、204、304、504：第二信号处理器

105、205、306、406、506：模－数转换器

2001、3001、5001：第一基准信号子产生器

2002、3002、5002：第二基准信号子产生器

2003：第一模拟多路转换器

305、505：第三信号处理器

3011、5011：第一信号子混合器

3012、5012：第二信号子混合器

4001、4002：比较器

4011、4012：模拟多路转换器

402：同或门

403：第一滤波器

404：第二滤波器

405：第三滤波器

5003：多路复用器

IMP：阻抗检测结果

Nin：输入节点

Nref：参考节点

S1：第一基准信号

S2：第二基准信号

S3：第三基准信号

Sin：输入信号

Smix：混合信号

Smix1：第一混合子信号

Smix2：第二混合子信号

Sp1：第一处理信号

Sp2：第二处理信号

Sp3：第三处理信号

Spd：相位检测信号

Sref1：第一参考信号

Sref2：第二参考信号

T1、T2、T3：时间

R、Z：阻抗

具体实施方式

图1为本发明实施例一阻抗测量装置10的示意图。如图1所示，阻抗测量装置10耦接于输入节点Nin。阻抗测量装置10通过输入节点Nin接收由一待测元件(未绘示于图1)通过输入节点Nin所传入周期性的输入信号Sin，本发明的阻抗测量装置10通过已知相位的周期性的第一参考信号Sref1借此测量以及分析待测元件输入的输入信号Sin的振幅以及相位，以精准地判断待测元件的阻抗。

阻抗测量装置10包括基准信号产生器100、信号混合器101、相位比较器102、第一信号处理器103、第二信号处理器104、模－数转换器105。基准信号产生器100耦接于输入节点Nin与相位比较器102之间，用以依据输入信号Sin产生周期性的第一基准信号S1。信号混合器101耦接于输入节点Nin，用以依据输入信号Sin以及第一参考信号Sref1产生混合信号Smix。相位比较器102耦接于基准信号产生器100以及参考节点Nref，用以依据第一基准信号S1及第一参考信号Sref1产生相位检测信号Spd。第一信号处理器103耦接于信号混合器101，用以针对混合信号Smix进行信号处理以产生第一处理信号Sp1。第二信号处理器104耦接于信号相位比较器102，用以针对相位检测信号Spd进行信号处理以产生第二处理信号Sp2。模－数转换器105耦接于第一信号处理器103及第二信号处理器104，用以针对第一处理信号Sp1及第二处理信号Sp2进行数模转换，以产生阻抗检测结果IMP。

在一实施例中，输入信号Sin可为一弦波信号，第一参考信号Sref1可为一方波信号，基准信号产生器100可为一方波产生器，用来依据输入信号Sin进行触发以产生第一基准信号S1。如此一来，本发明的阻抗测量装置10可通过信号混合器101对输入信号Sin以及第一参考信号Sref1进行信号混合，以取得输入信号Sin的振幅信息，且通过相位比较器102比较方波产生器100产生的第一基准信号S1以及第一参考信号Sref1以取得输入信号Sin的相位信息。在一实施例中，第一信号处理器103可为第一低通滤波器，第二信号处理器104可为第二低通滤波器。第一滤波器103及第二滤波器104可具有相同、相似或不同的滤波频带特性，以较佳地针对混合信号Smix以及相位检测信号Spd进行滤波。在不同的实施例中，本发明的阻抗测量装置10中的模－数转换器105可具备不同的硬件架构，以对应于不同的信号格式。在一实施例中，当第一处理信号Sp1及第二处理信号Sp2是以ΣΔ调制的信号时，换言之，即为时间调制的信号时，模－数转换器105可将信号脉冲的宽度转换为数字信号。在一实施例中，当第一处理信号Sp1及第二处理信号Sp2是以电压调制的信号时，模－数转换器105可将模拟电压值转换为数字信号。

详细而言，本发明的阻抗测量装置10通过信号混合器101、第一信号处理器103产生相对应于输入信号Sin振幅的第一处理信号Sp1，且通过相位比较器102及第二信号处理器104产生相对应于输入信号Sin相位的第二处理信号Sp2。模－数转换器105可将以相同调制方式调制的第一处理信号Sp1及第二处理信号Sp2转换为包含待测元件的阻抗的阻抗检测结果IMP。简言之，本发明的阻抗测量装置10可通过已知相位的第一参考信号Sref1判断输入信号Sin的振幅信息以及相位信息，提升阻抗测量装置的精准度。

图2为本发明实施例一阻抗测量装置20的示意图。阻抗测量装置20包含有基准信号产生器200、信号混合器201、相位比较器202、第一信号处理器203、第二信号处理器204、模－数转换器205。基准信号产生器200中包含有第一基准信号子产生器2001、第二基准信号子产生器2002、第一模拟多路转换器(模拟多路复用器)2003。第一基准信号子产生器2001依据输入信号Sin产生第一基准信号S1。第二基准信号子产生器2002产生周期性的第二基准信号S2及周期性的第三基准信号S3，其中，第二基准信号S2与第三基准信号S3的相位差为90度。第一模拟多路转换器2003耦接于第二基准信号子产生器2002，用来依据第二基准信号S2及第三基准信号S3产生第一参考信号Sref1。信号混合器201耦接于基准信号产生器200，可用来对输入信号Sin以及第一参考信号Sref1进行信号混合以产生混合信号Smix。第一信号处理器203耦接于信号混合器201，用以对混合信号Smix进行信号处理以产生第一处理信号Sp1。相位比较器202耦接于基准信号产生器200，用以依据第一基准信号S1及第一参考信号Sref1产生相位检测信号Spd。第二信号处理器204耦接于相位比较器202，用以对相位检测信号Spd进行信号处理以产生第二处理信号Sp2。模－数转换器205耦接于第一信号处理器203及第二信号处理器204，用以依据第一处理信号Sp1及第二处理信号Sp2产生阻抗检测结果IMP。

简言之，本发明的阻抗测量装置20可通过基准信号产生器200中相位互相正交的第二基准信号S2及第三基准信号S3以产生第一参考信号Sref1，通过已知相位的第一参考信号Sref1判断输入信号Sin的振幅信息及相位信息。因此，本发明的阻抗测量装置20可通过扩展的第二基准信号S2及第三基准信号S3来降低测量误差，进而提升阻抗测量装置的精准度。

图3为本发明实施例一阻抗测量装置30的示意图。阻抗测量装置30包含有基准信号产生器300、信号混合器301、相位比较器302、第一信号处理器303、第二信号处理器304、第三信号处理器305、模－数转换器306。基准信号产生器300包含有第一基准信号子产生器3001、第二基准信号子产生器3002。第一基准信号子产生器3001用来依据输入信号Sin的触发以产生第一基准信号S1。第二基准信号子产生器3002用来依据第一参考信号Sref1的触发以产生第二基准信号S2。信号混合器301包含第一信号子混合器3011、第二信号子混合器3012。信号混合器301产生的混合信号Smix包含第一混合子信号Smix1及第二混合子信号Smix2。第一信号子混合器3011对输入信号Sin及第二基准信号S2进行信号混合以产生第一混合子信号Smix1。第二信号子混合器3012对第一参考信号Sref1及第一基准信号S1进行信号混合以产生二混合子信号Smix2。第一信号处理器303耦接于信号混合器301的第一信号子混合器3011，用来对第一混合子信号Smix1进行信号处理以产生第一处理信号Sp1。第二信号处理器304耦接于信号混合器301的第二信号子混合器3012，用来对第二混合子信号Smix2进行信号处理以产生第二处理信号Sp2。相位比较器302耦接于基准信号产生器300，用以比较第一基准信号S1及第二基准信号S2两者的相位差以产生相位检测信号Spd。第三信号处理器305耦接于相位比较器302，用来对相位检测信号Spd进行信号处理以产生第三处理信号Sp3。模－数转换器306耦接于第一信号处理器303、第二信号处理器304、第三信号处理器305，用以依据第一处理信号Sp1、第二处理信号Sp2、第三处理信号Sp3产生阻抗检测结果IMP。

图4为本发明实施例一阻抗测量装置40的示意图。阻抗测量装置40为图3的阻抗测量装置30的其中一种实施方式。在本实施例中，阻抗测量装置40耦接于输入节点Nin及参考节点Nref。阻抗测量装置40通过输入节点Nin接收输入信号Sin，且通过参考节点Nref接收第一参考信号Sref1。输入节点Nin与共模节点Ncm之间具有阻抗Z。参考节点Nref与共模节点Ncm之间具有阻抗R。因此，本发明的阻抗测量装置40可通过已知相位的第一参考信号Sref1与输入信号Sin进行比较，且通过已知的阻抗R进一步判断输入信号Sin的振幅信息以及相位信息，以及判断耦接于输入节点Sin的待测元件的阻抗Z。

如图4所示，第一基准信号子产生器4001为比较器4001，其正输入端接收输入信号Sin且负输入端接收共模电压Vcm以于输出端产生第一基准信号S1。第二基准信号子产生器4002为比较器4002，其正输入端接收第一参考信号Sref1且负输入端接收共模电压Vcm以于输出端产生二基准信号S2。第一信号子混合器4011为模拟多路转换器4011，用来依据第二基准信号S2以判断是否将输入信号Sin反向输出以产生第一混合子信号Smix1。第二信号子混合器4012为模拟多路转换器4012，用来依据第一基准信号S1以判断是否将第一参考信号Sref1反向输出以产生第二混合子信号Smix2。相位比较器402为同或门(XNOR Gate)。第一信号处理器403为第一信号滤波器403。第二信号处理器404为第二信号滤波器404。第三信号处理器405为第三信号滤波器405。

因此，本发明的阻抗测量装置40通过已知相位的第一参考信号Sref1与输入信号Sin交互进行正交调制以减少通道间差异的影响。因此，本发明的阻抗测量装置40可进一步的降低通道误差，提升阻抗测量装置的精准度。

图5为本发明实施例一阻抗测量装置50的示意图。阻抗测量装置50包含基准信号产生器500、信号混合器501、相位比较器502、第一信号处理器503、第二信号处理器504、第三信号处理器505、模－数转换器506。

基准信号产生器500包含有第一基准信号子产生器5001、第二基准信号子产生器5002、多路复用器(多工器)5003。第一基准信号子产生器5001用来依据输入信号Sin的触发以产生第一基准信号S1。第一基准信号子产生器5001用来依据输入信号Sin的触发以产生周期性的第一基准信号S1。第二基准信号子产生器5002用来依据第一参考信号Sref1的触发以产生第二基准信号S2。多路复用器5003耦接于第一基准信号子产生器5001及第二基准信号子产生器5002，用来选择性地输出第一基准信号S1或第二基准信号S2以产生第三基准信号S3。信号混合器501包含第一信号子混合器5011、第二信号子混合器5012。信号混合器501产生的混合信号Smix包含第一混合子信号Smix1及第二混合子信号Smix2。第一信号子混合器5011对输入信号Sin及第二参考信号Sref2进行信号混合以产生第一混合子信号Smix1。第二信号子混合器5012对第一参考信号Sref1及第二参考信号Sref2进行信号混合以产生第二混合子信号Smix2。相位比较器502耦接于基准信号产生器500，用以比较第三基准信号S3及第二参考信号Sref2两者的相位差以产生相位检测信号Spd。第一信号处理器503耦接于信号混合器501的第一信号子混合器5011，用来对第一混合子信号Smix1进行信号处理以产生第一处理信号Sp1。第二信号处理器504耦接于信号混合器501的第二信号子混合器5012，用来对第二混合子信号Smix2进行信号处理以产生第二处理信号Sp2。第三信号处理器505耦接于相位比较器502，用来对相位检测信号Spd进行信号处理以产生第三处理信号Sp3。模－数转换器506耦接于第一信号处理器503、第二信号处理器504、第三信号处理器505，用以依据第一处理信号Sp1、第二处理信号Sp2、第三处理信号Sp3产生阻抗检测结果IMP。

详细而言，本发明的阻抗测量装置50可通过相位比较器502比较第三基准信号S3以及第二参考信号Sref2来得到输入信号Sin的相位信息，且通过信号混合器501得到输入信号Sin的振幅信息。因此，本发明的阻抗测量装置50可依据输入信号Sin、以及已知相位的第一参考信号Sref1及第二参考信号Sref2精准地判断待测元件的阻抗。

关于本发明阻抗测量装置的操作请参考图6，图6为本发明实施例一阻抗测量装置中操作波形的示意图。以下请配合图3所绘示的阻抗测量装置3以较佳的理解图6所绘示的操作波型。

如图6所示，在时间0～T1之间，输入信号Sin逐渐增加。第一基准信号S1为低电压电平(准位)且第二基准信号S2为高电压电平。相位比较器302产生低电压电平的相位检测信号Spd。在时间T1时，输入信号Sin触发第一基准信号子产生器3001，使第一基准信号S1由低电压电平切换至高电压电平，因此相位检测信号Spd由低电压电平切换至高电压电平。在时间T1～T2之间，第二基准信号S2仍维持在高电压电平，因此信号混合器301产生与输入信号Sin同相的第一混合子信号Smix1，相位比较器302产生高电压电平的相位检测信号Spd。在时间T2时，第一参考信号Sref1触发第二基准信号子产生器3002，使第二基准信号S2由高电压电平切换至低电压电平，因此相位检测信号Spd由高电压电平切换至低电压电平，且第一信号子混合器3011产生反相于输入信号Sin的第一混合子信号Smix1。在时间T2～T3之间，相位比较器302产生低电压电平的相位检测信号Spd。在时间T3时，输入信号Sin触发第一基准信号子产生器3001，使第一基准信号S1由高电压电平切换至低电压电平，因此相位检测信号Spd由低电压电平切换至高电压电平。在时间T3之后，相位比较器302产生高电压电平的相位检测信号Spd。

综上所述，本发明的阻抗测量装置可通过信号混合器以及相位比较器以分别取得输入信号的振幅及相位信息。另外，通过输入信号与参考信号交互进行正交调制以减少通道间变异的影响，进而提升阻抗测量装置的精准度。

虽然本发明已以实施例披露如上，然而其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中的一般技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，当可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围当视随附的权利要求书所界定者为准。

Claims (13)

1.一种阻抗测量装置，适于测量一待测元件的一阻抗，该阻抗测量装置包括：

一信号混合器，耦接于该待测元件以接收一输入信号，用以混合该输入信号及一第一参考信号以产生一混合信号；

一基准信号产生器，依据该输入信号以产生周期性的一第一基准信号；

一相位比较器，依据该第一基准信号及该第一参考信号的相位差，以产生一相位检测信号；以及

一模－数转换器，针对该混合信号及该相位检测信号进行模－数转换操作，借此产生一阻抗检测结果。

2.如权利要求1所述的阻抗测量装置，其中该输入信号及该参考信号为周期性信号。

3.如权利要求1所述的阻抗测量装置，还包括：

一第一信号处理器，耦接于该信号混合器及该模－数转换器之间；以及

一第二信号处理器，耦接于该相位比较器及该模－数转换器之间。

4.如权利要求3所述的阻抗测量装置，其中该第一信号处理器为一第一滤波器，该第二信号处理器为一第二滤波器。

5.如权利要求1所述的阻抗测量装置，其中该基准信号产生器还包括：

一第一基准信号子产生器，依据该输入信号以产生该第一基准信号；

一第二基准信号子产生器，用以产生周期性的一第二基准信号及周期性的一第三基准信号，其中该第二基准信号与该第三基准信号的相位差为90度；以及

一第一模拟多路转换器，耦接于该第二基准信号子产生器及该信号混合器之间，依据该第二基准信号及该第三基准信号产生该第一参考信号。

6.如权利要求1所述的阻抗测量装置，其中该基准信号产生器还依据该第一参考信号产生一第二基准信号，该基准信号产生器还包括：

一第一基准信号子产生器，依据该输入信号以产生该第一基准信号；以及

一第二基准信号子产生器，依据该第一参考信号以产生该第二基准信号。

7.如权利要求6所述的阻抗测量装置，其中该第一基准信号子产生器为一第一比较器，依据该输入信号及一共模信号的电压差产生该第一基准信号，该第二基准信号子产生器为一第二比较器，依据该第一参考信号及该共模信号的电压差产生该第二基准信号。

8.如权利要求6所述的阻抗测量装置，其中该混合信号还包括一第一混合子信号及一第二混合子信号，且该信号混合器还包括：

一第一信号子混合器，用以混合该输入信号及该第二基准信号，以产生该第一混合子信号；以及

一第二信号子混合器，用以混合该第一参考信号及该第一基准信号，以产生该第二混合子信号，

其中，该相位比较器依据该第一基准信号及该第二基准信号产生该相位检测信号，且该模－数转换器还依据该第一混合子信号、该第二混合子信号及该相位检测信号来产生该阻抗检测结果。

9.如权利要求8所述的阻抗测量装置，其中该第一信号混合器为一第一模拟多路转换器，该第二信号混合器为一第二模拟多路转换器。

10.如权利要求8所述的阻抗测量装置，还包括：

一第一信号处理器，耦接于该第一信号子混合器及该模－数转换器之间；

一第二信号处理器，耦接于该第二信号子混合器及该模－数转换器之间；以及

一第三信号处理器，耦接于该相位比较器及该模－数转换器之间。

11.如权利要求6所述的阻抗测量装置，其中该相位比较器为一同或门。

12.如权利要求6所述的阻抗测量装置，其中该混合信号还包括一第一混合子信号及一第二混合子信号，该信号混合器还包括：

一第一信号子混合器，用以混合该输入信号及一第二参考信号以产生该第一混合子信号；以及

一第二信号子混合器，用以混合该第一参考信号及该第二参考信号以产生该第二混合子信号。

13.如权利要求12所述的阻抗测量装置，还包括一多路复用器，依据该第一基准信号及该第二基准信号产生一第三基准信号至该相位比较器，

其中该相位比较器还依据该第三基准信号及该第二参考信号产生该相位检测信号。

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