CN113075456A - 高精度交流阻抗测试系统及其测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高精度交流阻抗测试系统及其测试方法，包括电脑主板、外围设备、电源模块、矢量信号测试模块、程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源、误差电流检测模块、程控平衡信号源。本发明综合运用了程控高精度低失真信号源、程控平衡信号源、不同频率选择不同的标准参考电阻、带有混频的矢量信号测试技术来进行测试，测试精度0.05％，测试频率范围10Hz‑130MHz，解决了现有技术中对各种元器件、固体材料、液体材料、气体材料等物体进行交流阻抗测试时，缺乏适合测试频率的测试系统及设备的问题。

Description

高精度交流阻抗测试系统及其测试方法

技术领域：

本发明涉及交流阻抗测试技术领域，尤其涉及一种高精度交流阻抗测试系统及其测试方法。

背景技术：

现代科学技术不断发展已经进入了信息化、数字化时代，对电子产品的各种要求也越来越高，准确可靠的交流阻抗测量是各类军用及民用电子产品至关重要的基础。从上世纪80年代开始，交流阻抗测量技术被迅速扩展到生物医学、电化学、电力控制、大规模集成电路制造、空间技术等领域。如目前生物医学领域，生物体的基本单元是细胞，大量生物组织常用交流阻抗模型来表示，可通过监测组织的复杂介电常数(其代表了各组织类型)，其通过安置在体表的电极向检测对象送入微弱的交流电，检测相应的电阻变化情况，然后根据不同的应用目的，获得相关的生理和病理信息进行疾病诊断、人体成份分析或交流阻抗断层成像，并通过测量一定频率下的交流阻抗来诊断病例；在电化学领域，通过检测材料的交流阻抗判断材料或装置的腐蚀程度等；而在工业自动化检测领域，交流阻抗测量系统不仅要求具有高精度、宽量程、宽频带测量的能力，还要求设备体积小、功耗低、操作方便，同时要具有毫秒级的测量速度、快速构成自动测量系统的能力。现有高端交流阻抗测试设备(注：这里高端定义为测试精度0.05％且测试频率大于30MHz)被国外企业垄断，其技术垄断、昂贵的价格和长达数月的供货周期都已经严重制约我国相关产业的发展，这种现状已经远远不能满足与日俱增的宽频高精度交流阻抗测量的要求。

现代流行的交流阻抗测试技术主要分为自动平衡电桥法、射频IV法和射频网络分析法。其中只有自动平衡电桥法能达到0.05％的测试精度。射频IV法和射频网络分析法虽然测试频率范围从5Hz-3GHz，但测试精度比较低测试领域比较窄。自动平衡电桥法目前可查的国内外测试设备测试频率范围最宽为20Hz-120MHz。

发明内容：

针对上述问题，本发明提出了一种基本测试精度0.05％、测试频率范围10Hz-130MHz的高精度交流阻抗测试系统及测试方法，解决了现有技术中对各种元器件、固体材料、液体材料、气体材料等物体进行交流阻抗测试时，缺乏适合测试频率的测试设备的问题。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种高精度交流阻抗测试系统，包括

电脑主板，用于控制整套系统运行；

外围设备，与电脑主板相连，用于人机交互；

电源模块，为整套系统提供电源；

矢量信号测试模块，与电脑主板相连，并通过标准参考电阻与被测件相连，用于测量被测件和标准参考电阻上的电压数据，将其发送至电脑主板；

程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源，分别与电脑主板、矢量信号测试模块、被测件相连，用于产生测试用的主信号和提供矢量信号测量模块用的混频本振信号；

误差电流检测模块，与被测件相连，用于检测测试信号通过被测件及平衡信号通过标准参考电阻产生的误差电流；

程控平衡信号源，分别与误差电流检测模块、矢量信号测量模块及标准参考电阻相连，用于产生一个和测试信号频率相同的信号。

在本发明一较佳实施例中，所述被测件通过HPOT端口与矢量信号测试模块连接，被测件通过HCUR端口与程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源连接，被测件通过LCUR端口与标准参考电阻连接，被测件通过LPOT端口与误差电流检测模块连接。

其中，所述标准参考电阻包括采用一个或多个不同频率的标准参考电阻阵列。

作为优选，所述误差电流检测模块包括

切换开关A，与被测件相连，根据不同的测试频率切换使用信号；

电流/电压变换模块，与切换开关A相连，将电流信号变化为电压信号；

自动增益控制模块，与电流/电压变换模块相连，将电压信号自动控制增益；

低通滤波器，与自动增益控制模块相连，将增益信号进行低通滤波；

切换开关B，与低通滤波器相连，根据不同的输出频率切换使用信号；

模数转换器，与切换开关B相连，将模拟信号转成数字信号；

可编程数字逻辑电路，与模数转换器相连，根据数字信号进行计算和处理。

作为优选，所述矢量信号测量模块包括

自动增益控制模块，分别与程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源及程控平衡信号源相连，根据测试信号的频率和幅度将程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源以及程控平衡信号源的信号进行增益控制；

低通滤波器，与自动增益控制模块相连，对自动增益控制模块发出的信号进行低通滤波；

混频器，与低通滤波器相连，对低通滤波器发出的信号进行混频，其中对低于本振频率的信号进行上混频，高于本振频率的信号进行下混频；

模数转换器，与混频器相连，将混频后的信号转换成数字信号；

可编程数字逻辑电路，与模数转换器相连，根据数字信号进行计算和处理，得出被测件的相关数据送给电脑主板进行处理。

作为优选，所述程控平衡信号源包括

可编程数字逻辑电路，与误差电流检测模块相连，根据误差电流检测模块输出的数据来控制平衡信号源的幅度和相位；

数模转换器，与可编程数字逻辑电路相连，将可编程数字逻辑电路发出的数字信号转换成模拟信号；

低通滤波器，与数模转换器相连，根据不同的测试频率进行滤波；

切换开关，与低通滤波器相连，根据不同的测试频率切换使用低通滤波器发出的信号。

本发明还提供一种上述高精度交流阻抗测试系统的测试方法，包括如下步骤：

(1)通过外围设备设置测试参数，然后将被测件接入矢量信号测试模块、程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源、误差电流检测模块、程控平衡信号源进行测试；

(2)测试时，程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源产生一个高精度低失真度的正弦波信号，送给被测件产生一个电流I1；同时程控平衡信号源也产生一个频率相同的正弦波，通过标准参考电阻也产生一个电流I2；

(3)I1和I2在被测件的LCUR端口和LPOT端口汇合，如果I1和I2的幅度相等且相位相反，那I1和I2就会抵消，被测件的LCUR端口和LPOT端口电压就等于零伏；如果幅度不相等或者相位不相反，就会有误差电流I3＝I1+I2；

(4)然后通过误差电流检测模块的信号处理将误差电流进行采集及处理，最终反向叠加到程控平衡信号源上，从而使程控平衡信号源产生的正弦波信号发生幅度和相位的变化达到I1和I2抵消的最终目的；

(5)当整个回路正常工作时，I1和I2将动态抵消，使LPOT端口没有电流流入，LCUR端口电压就等于零伏；

(6)通过测量被测件上的电压和标准参考电阻上电压就能通过公式算出阻抗。

本发明的有益效果是：

(1)本发明解决了现有技术中对各种元器件、固体材料、液体材料、气体材料等物体进行交流阻抗测试时，缺乏适合测试频率的测试设备的问题；

(2)使用本发明的交流阻抗测试系统及测试方法可以在10Hz-130MHz的频率范围内对电子元器件进行高精度的交流阻抗测试，可以为电子元器件研发、生产和检验提供参考依据；

(3)使用本发明的交流阻抗测试设备可以在10Hz-130MHz的频率范围内对各种固体、液体和气体材料进行高精度的交流阻抗测试，可以为各种材料研究提供参考依据；

(4)本发明的交流阻抗测试系统及测试方法填补了国内高端交流阻抗测试设备的空白，可以推进交流阻抗测试领域工作的开展。

附图说明：

图1为本发明的高精度交流阻抗测试系统的结构示意图；

图2为本发明的误差电流检测模块的结构示意图；

图3为本发明的程控平衡信号源的结构示意图；

图4为本发明的矢量信号测量模块的结构示意图；

图5为本发明的标准参考电阻的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易被本领域人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。

如图1所示的一种高精度交流阻抗测试系统，包括

外围设备100，用于人机交互用的设备，可以但不限于包括液晶，鼠标，键盘等外围设备；

电脑主板200，控制整套设备的软件系统运行于这块电脑主板上；

程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源300，用于产生测试用的主信号和提供矢量信号测量模块用的混频本振信号；

矢量信号测量模块320，用于测量被测件和标准参考电阻上的电压数据；

标准参考电阻400，测试频率10Hz-1.5MHz的时候使用的标准参考电阻Rr(注：频率可以更改)；

标准参考电阻410，测试频率1.5MHz-130MHz的时候使用的标准参考电阻Rr(注：频率可以更改)；

误差电流检测模块420，用于检测测试信号通过被测件和平衡信号通过标准参考电阻产生的误差电流；

程控平衡信号源450，用于产生一个和测试信号频率相同的信号；

电源模块500，输入为110V或者220V交流电，为整套设备提供电源；

被测件600，包括但不限于各种元器件、固体材料、液体材料、气体材料等；

HPOT，HCUR，LPOT，LCUR是设备测试端口，用于连接被测件进行测试。

如图2所示的误差电流检测模块，包括

LPOT是设备测试端口，用于连接被测件；

切换开关A 421，根据不同的测试频率切换不同电流/电压变换模块使用的信号；

电流/电压变换模块422，测试频率10Hz-1.5MHz时将电流信号变化为电压信号的电路模块；

电流/电压变换模块423，测试频率1.5MHz-130MHz时将电流信号变化为电压信号的电路模块；

自动增益控制模块424，将电流/电压变换模块422出来的电压信号自动控制增益适合后面的模数转换器；

自动增益控制模块425，将电流/电压变换模块423出来的电压信号自动控制增益适合后面的模数转换器；

低通滤波器426，将自动增益控制模块424出来的信号进行低通滤波；

低通滤波器427，将自动增益控制模块425出来的信号进行低通滤波；

切换开关B 428，根据不同的测试频率切换使用低通滤波器426和低通滤波器427出来的信号；

模数转换器429，将模拟信号转成数字信号给可编程数字逻辑电路处理；

可编程数字逻辑电路430，包括但不限于CPLD，FPGA，各种单片机等，根据模数转换器429出来的数据进行计算和处理。

如图3所示的程控平衡信号源，包括

可编程数字逻辑电路451，包括但不限于CPLD，FPGA和各种单片机等，根据误差电流检测模块的可编程数字逻辑电路430出来的数据来控制平衡信号源的幅度和相位；

数模转换器452，将可编程数字逻辑电路451出来的数字信号转换成模拟信号，包括但不限于直流电平和正弦波；

低通滤波器453，根据不同的测试频率进行滤波；

低通滤波器454，根据不同的测试频率进行滤波；

切换开关455，根据不同的测试频率切换使用低通滤波器453和低通滤波器453出来的信号。

如图4所示的矢量信号测量模块，包括

自动增益控制模块321，根据测试信号的频率和幅度将程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源300的信号和程控平衡信号源450的信号进行增益控制；

低通滤波器322，对自动增益控制模块321出来的信号进行低通滤波；

混频器323，对低通滤波器322出来的信号进行混频，其中对低于本振频率的信号进行上混频，高于本振频率的信号进行下混频；

模数转换器324，将混频后的信号转换成数字信号；

可编程数字逻辑电路325，包括但不限于CPLD，FPGA，各种单片机等，进行数据处理计算得出被检件的相关数据送给电脑主板200进行处理。

如图5所示的标准参考电阻，包括

切换开关C 401、切换开关D 402，包括但不限于各种模拟开关和继电器，一般根据不同的测试频率选用不同的切换开关；

标准电阻403，数量可以为1个或者多个。

该高精度交流阻抗测试系统的使用说明如下：

用户可以通过液晶、按键、鼠标或者键盘等外围设备观看和设置测试参数，比如测量的信号频率、信号电压、测量参数等。然后将被测件接入HCUR、HPOT、LCUR和LPOT四个端子进行测试，本系统会将测试结果用数字或者图形的方式显示在液晶上。用户可以对测试结果进行各种数学运算和处理。

本测试设备测试原理如下：

根据欧姆定律：

可以扩展到交流阻抗测试领域：

(公式二，式中的交流阻抗、电流和电压都为矢量信号)

该高精度交流阻抗测试系统的测试流程如下：

测试时，程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源300产生一个高精度低失真度的正弦波信号从HCUR端口送给被测件600产生一个电流，这个电流我们可以用I1来表示。同时程控平衡信号源450也产生一个频率相同的正弦波通过标准参考电阻400或者标准参考电阻410也产生一个电流I2。I1和I2在被测件的LCUR端和LPOT端汇合，如果I1和I2的幅度相等且相位相反，那I1和I2就会抵消，LCUR和LPOT端口电压就等于零伏；如果幅度不相等或者相位不相反，就会有误差电流I3＝I1+I2，因为HPOT端口是高阻端口，所以这个误差电流就只能流进LPOT端口，然后通过误差电流检测模块420的信号处理将误差电流进行采集然后进行处理最终反向叠加到程控平衡信号源450上，从而使程控平衡信号源450产生的正弦波信号发生幅度和相位的产生变化，达到I1和I2抵消的最终目的。当整个回路正常工作时，I1和I2将动态抵消，使LPOT没有电流流入，LCUR端口电压就等于零伏。通过测量被测件上的电压和标准电阻上电压就能通过下面公式算出阻抗：

综上所述，本发明提供了一种交流阻抗测试的系统，解决了现有技术中对各种元器件、固体材料、液体材料、气体材料等物体进行交流阻抗测试时，缺乏适合测试频率的测试设备的问题。

使用本发明的交流阻抗测试系统可以在10Hz-130MHz的频率范围内对电子元器件进行高精度的交流阻抗测试，可以为电子元器件研发、生产和检验提供参考依据。

使用本发明的交流阻抗测试系统可以在10Hz-130MHz的频率范围内对各种固体、液体和气体材料进行高精度的交流阻抗测试，可以为各种材料研究提供参考依据。

本发明的交流阻抗测试系统填补了国内高端交流阻抗测试设备的空白，可以推进交流阻抗测试领域工作的开展。

最后应说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种高精度交流阻抗测试系统，其特征在于：包括

电脑主板，用于控制整套系统运行；

外围设备，与电脑主板相连，用于人机交互；

电源模块，为整套系统提供电源；

矢量信号测试模块，与电脑主板相连，并通过标准参考电阻与被测件相连，用于测量被测件和标准参考电阻上的电压数据，将其发送至电脑主板；

程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源，分别与电脑主板、矢量信号测试模块、被测件相连，用于产生测试用的主信号和提供矢量信号测量模块用的混频本振信号；

误差电流检测模块，与被测件相连，用于检测测试信号通过被测件及平衡信号通过标准参考电阻产生的误差电流；

程控平衡信号源，分别与误差电流检测模块、矢量信号测量模块及标准参考电阻相连，用于产生一个和测试信号频率相同的信号。

2.根据权利要求1所述的高精度交流阻抗测试系统，其特征在于：所述被测件通过HPOT端口与矢量信号测试模块连接，被测件通过HCUR端口与程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源连接，被测件通过LCUR端口与标准参考电阻连接，被测件通过LPOT端口与误差电流检测模块连接。

3.根据权利要求1所述的高精度交流阻抗测试系统，其特征在于：所述标准参考电阻采用一个或多个不同频率的标准参考电阻阵列。

4.根据权利要求1所述的高精度交流阻抗测试系统，其特征在于：所述误差电流检测模块包括

切换开关A，与被测件相连，根据不同的测试频率切换使用信号；

电流/电压变换模块，与切换开关A相连，将电流信号变化为电压信号；

自动增益控制模块，与电流/电压变换模块相连，将电压信号自动控制增益；

低通滤波器，与自动增益控制模块相连，将增益信号进行低通滤波；

切换开关B，与低通滤波器相连，根据不同的输出频率切换使用信号；

模数转换器，与切换开关B相连，将模拟信号转成数字信号；

可编程数字逻辑电路，与模数转换器相连，根据数字信号进行计算和处理。

5.根据权利要求1所述的高精度交流阻抗测试系统，其特征在于：所述矢量信号测量模块包括

自动增益控制模块，分别与程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源及程控平衡信号源相连，根据测试信号的频率和幅度将程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源以及程控平衡信号源的信号进行增益控制；

低通滤波器，与自动增益控制模块相连，对自动增益控制模块发出的信号进行低通滤波；

混频器，与低通滤波器相连，对低通滤波器发出的信号进行混频，其中对低于本振频率的信号进行上混频，高于本振频率的信号进行下混频；

模数转换器，与混频器相连，将混频后的信号转换成数字信号；

可编程数字逻辑电路，与模数转换器相连，根据数字信号进行计算和处理，得出被测件的相关数据送给电脑主板进行处理。

6.根据权利要求1所述的高精度交流阻抗测试系统，其特征在于：所述程控平衡信号源包括

可编程数字逻辑电路，与误差电流检测模块相连，根据误差电流检测模块输出的数据来控制平衡信号源的幅度和相位；

数模转换器，与可编程数字逻辑电路相连，将可编程数字逻辑电路发出的数字信号转换成模拟信号；

低通滤波器，与数模转换器相连，根据不同的测试频率进行滤波；

切换开关，与低通滤波器相连，根据不同的测试频率切换使用低通滤波器发出的信号。

7.一种如权利要求1-6任一项所述的高精度交流阻抗测试系统的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)通过外围设备设置测试参数，然后将被测件接入矢量信号测试模块、程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源、误差电流检测模块、程控平衡信号源进行测试；

(2)测试时，程控高精度低失真度信号源和混频本振信号源产生一个高精度低失真度的正弦波信号，送给被测件产生一个电流I1；同时程控平衡信号源也产生一个频率相同的正弦波，通过标准参考电阻也产生一个电流I2；

(3)I1和I2在被测件的LCUR端口和LPOT端口汇合，如果I1和I2的幅度相等且相位相反，那I1和I2就会抵消，被测件的LCUR端口和LPOT端口电压就等于零伏；如果幅度不相等或者相位不相反，就会有误差电流I3＝I1+I2；

(4)然后通过误差电流检测模块的信号处理将误差电流进行采集及处理，最终反向叠加到程控平衡信号源上，从而使程控平衡信号源产生的正弦波信号发生幅度和相位的变化达到I1和I2抵消的最终目的；

(5)当整个回路正常工作时，I1和I2将动态抵消，使LPOT端口没有电流流入，LCUR端口电压就等于零伏；

(6)通过测量被测件上的电压和标准参考电阻上电压就能通过公式算出阻抗。

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