CN114137305A - 一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器 - Google Patents

一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器 Download PDF

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CN114137305A CN202111618562.9A CN202111618562A CN114137305A CN 114137305 A CN114137305 A CN 114137305A CN 202111618562 A CN202111618562 A CN 202111618562A CN 114137305 A CN114137305 A CN 114137305A
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刘乐
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Abstract

一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器，都包括频率可调的正弦激励信号源、激励信号调理电路、至少2通道的同步模数转换器(ADC)、单片机、上位机，后者还包括标准电阻。两仪器共同的主要特征是：(1)频率可调的正弦激励信号源可输出低至0.01Hz的正弦激励信号；(2)都采用适宜2‑3个周期甚至更短正弦信号的方法精确估计两正弦信号的幅值和初相位参数。两仪器分别在低频电路的频响测试、生化材料的低频复阻抗特性测试等方面有应用前景。

Description

一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器
技术领域
本申请涉及一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器。
频响图，又叫波德图(Bode)，包括幅频响应和相频响应，是线性系统完整特性的一种表征方法。幅频响应图的横轴为频率，纵轴为频率分量经过系统的增益；相频响应图的横轴为频率，纵轴为频率分量经过系统产生的相移。
复阻抗是反映一段无源电路或无源二端网络电性质的物理量。在交流电路的复数解法中，把电压电流等简谐量都用其对应复数表示，分别称为复电压、复电流，因此电压和电流的比值也同为复数，称之为复阻抗，单位为欧(Ω)。
复阻抗的代数式表为Z＝R+jX，其实部R称为有功电阻或简称电阻，虚部X称为电抗。纯电阻的复阻抗Z＝R，纯电感元件的复阻抗Z＝jωL，其量值XL＝ωL，称为感抗，纯电容元件的复阻抗Z＝1/jωC＝-j1/ωC，其量值Xc＝1/ωC称为容抗。一个复阻抗的量值是随频率而变化的，因此又有阻抗谱的概念，全称电阻抗谱(EIS)，包括电阻谱和电抗谱；电阻谱的横轴为频率，纵轴为复阻抗的电阻部分，电抗谱横轴也为频率，纵轴为复阻抗的电抗部分。
测试电路频响的仪器，通常又叫网络分析仪，如果给网络分析仪外接一个附件，它也可以用于测试复阻抗或阻抗谱，如Keysight公司的网络分析仪E5061B，它既可以测试电路频响，也可以用于测试复阻抗或阻抗谱。
现在的问题是：目前主流的频响测试仪器或复阻抗测试仪器，都不能覆盖低频频段，如Keysight公司的E5061B，它只能测试≥5Hz频率下的频响或复阻抗。
背景技术
一个典型的频响测试仪器，包括：频率可调整的正弦激励信号源，激励信号调理电路，至少2通道的同步模数转换器(ADC)，单片机，上位机等。信号源输出的一正弦激励信号，经调理电路调理后，通过三通器一方面将其连接到被测电路的输入端作为被测电路的输入，另一方面将其连接到ADC作为ADC的一个输入；同时，将被测电路输出的正弦波也连接到ADC，作为ADC的输入。ADC同步采集被测电路的一对输入输出正弦信号，然后依次送入单片机和上位机，在单片机或上位机上对同步采集的一对输入输出正弦信号进行锁相放大处理，从而得到被测电路在当前频率下的增益G和相移
Figure BSA0000262089580000011
进一步，通过扫频，可得到完整的频响图。
一个典型的复阻抗测试仪器，包括：频率可调整的正弦激励信号源，激励信号调理电路，至少2通道的同步模数转换器(ADC)，单片机，上位机，标准电阻等。信号源输出的一正弦激励信号，经调理电路调理后，作为一个电压加到标准电阻r与被测复阻抗R+jX之串联电路的两端，形成一个回路，在标准电阻和被测复阻抗上产生电流和电压；标准电阻两端产生的电压信号和被测复阻抗两端产生的电压信号，理想情况都为正弦信号，将它们送给ADC进行检测，ADC同步采集这两路正弦波信号，依次送入单片机和上位机，在单片机或上位机上对同步采集的两正弦波信号进行锁相放大处理，从而计算得到当前频率下的被测复阻抗R+jX；进一步，通过扫频，可得到完整的复阻抗谱图。
可以看出，以上频响测试仪器和复阻抗测试仪器的核心技术基本相同，都是对同步采集的两正弦信号通过锁相放大处理，以得到被测电路频响或被测复阻抗阻值的结果。现在的频响和复阻抗主流仪器不能覆盖低频频段的原因在于：实际中同步采集的一频率下的两正弦信号总是有一定噪声，这些仪器的锁相放大处理技术要求所采集正弦波信号的长度至少有4个周期才能保证估计结果的稳定性和准确性；如此以来，它们对低频信号的分析等待时间或者叫时间延迟就太长了，以0.01Hz为例，4个周期意味着400秒，即须等待至少6.7分钟才能算出一个频率点的频响或复阻抗值，所以这些仪器索性不覆盖低频段。
发明内容
发明目的。
提出一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器的技术方案，在激励信号小于4个周期的情况下能稳定地准确地估计频响和复阻抗的值，能覆盖向下低至0.01Hz的低频段的频响和复阻抗的测试。
技术方案。
一种频响测试仪器，包括频率可调的正弦激励信号源、激励信号调理电路、至少2通道的同步模数转换器(ADC)、单片机、上位机，其特征在于，(1)频率可调的正弦激励信号源可输出低至0.01Hz的正弦激励信号，它经调理电路调理后，通过三通器将其一方面连接到被测电路的输入端作为被测电路的输入，另一方面连接到ADC作为ADC的一个输入，同时，将被测电路输出的正弦信号也连接到ADC作为ADC的输入；(2)ADC同步采集被测电路的一对输入输出正弦信号，依次送入单片机和上位机，在上位机采用适宜2-3个周期甚至更短正弦信号的方法估计输入输出两正弦信号的幅值和初相位参数，设估计结果分别为Ai、
Figure BSA0000262089580000021
和Ao、
Figure BSA0000262089580000031
则当前频率下被测电路的增益G和相移
Figure BSA0000262089580000032
可分别计算为G＝Ao/Ai，
Figure BSA0000262089580000033
(3)进一步，通过扫频，可得到完整的频响图。见附图2所示。
一种复阻抗测试仪器，包括频率可调的正弦激励信号源、激励信号调理电路、至少2通道的同步模数转换器(ADC)、单片机、上位机、标准电阻，其特征在于，(1)频率可调的正弦激励信号源可输出低至0.01Hz的正弦激励信号，它经调理电路调理后，作为一个电压加到标准电阻r与被测复阻抗R+jX之串联电路的两端，形成一个回路，在标准电阻和被测复阻抗上产生电流和电压；(2)标准电阻r两端产生的电压信号和被测复阻抗R+jX两端产生的电压信号，理想情况都为正弦信号，将它们送给ADC进行检测，ADC同步采集这两路正弦信号，依次送入单片机和上位机，在上位机采用适宜2-3个周期甚至更短正弦信号的方法估计两正弦信号的幅值和初相位参数，设对应标准电阻和被测复阻抗的正弦信号幅值和初相位参数估计结果分别为Ar、
Figure BSA0000262089580000034
和Ax、
Figure BSA0000262089580000035
则当前频率下的被测复阻抗R+jX可计算为
Figure BSA0000262089580000036
(3)进一步，通过扫频，可得到完整的复阻抗谱图。见附图3所示。
以上一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器中，都需要在上位机估计已知频率下的两正弦信号的幅值和初相位参数，其特征在于，每一个正弦信号的幅度和初相位参数的估计可基于频谱比对的方法来进行，即先将待分析正弦信号做傅里叶变换求得频谱作为基准，然后以幅度和初相位为变量构造一系列与待估计正弦信号同频率的理想正弦信号并求得它们的频谱，以所构造正弦信号频谱和待估计正弦信号频谱的相关程度最大或差异程度最小作为优化目标，对幅度和初相位两参数进行优化，将优化得到的幅度和初相位参数作为待分析正弦信号的幅度和初相位参数的估值。实验显示，此频域比对的方法，适宜2-3个周期甚至更短信号的幅度和初相位参数估计，能保证足够精度。
以上一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器中，都需要在上位机估计已知频率下的两正弦信号的幅值和初相位参数，其特征在于，每一个正弦信号的幅度和初相位参数的估计可基于时域比对的方法来进行，即以待分析正弦信号的时域波形作为基准，然后以幅度和初相位为变量构造一系列与待估计正弦信号同频率的理想正弦信号，以所构造理想正弦信号和待估计正弦信号在时域的相关程度最大或差异程度最小作为优化目标，对幅度和初相位两参数进行优化，将优化得到的幅度和初相位参数作为待分析正弦信号的幅度和初相位参数的估值。实验显示，此时域比对的方法，适宜2-3个周期甚至更短信号的幅度和初相位参数估计，能保证足够精度。
有益效果。
基于实施例中搭建的本发明频响测试仪器，对一带通滤波电路的0.01Hz-250Hz的频响进行测试，对每个测试频点，采集3个周期的正弦信号进行分析。测试结果如附图4、附图5所示，经对比，测试频响与此带通滤波电路的设计频响一致，成功实现了低至0.01Hz的频响测试。
基于实施例中搭建的本发明复阻抗测试仪器，对一对胶对胶粘接电极贴0.01Hz-80Hz频段复阻抗进行测试，对每个测试频点，采集3个周期的正弦信号进行分析，测试结果见附图6所示。共5次测试，分别对应图中的data1-data5共5条曲线，显示出很好的重复性。说明本复阻抗测试仪器测试低至0.01Hz的复阻抗也是成功的。
基于实施例中搭建的本发明复阻抗测试仪器，对两测头短接情况(0欧姆)的复阻抗进行测试，测试结果见附图7所示。在0.01Hz-80Hz范围内若干频点上，均采集3个周期正弦信号进行分析。测试误差均小于0.1欧姆。
基于实施例中搭建的本发明复阻抗测试仪器，对一10k欧姆标准电阻进行测试，测试结果见附图8所示。在0.01Hz-80Hz范围内若干频点上，均采集3个周期正弦信号进行分析。从图8可看出，电阻部分的测试精度可达到±1/10000的精度。
基于实施例中搭建的本发明复阻抗测试仪器，对一10k欧姆标准电阻进行测试，测试结果见附图9所示。在0.01Hz-80Hz范围内若干频点上，均采集1个周期的正弦信号进行分析。从图9可看出，电阻部分的测试精度可达到±4/10000的精度，低于采集3个周期正弦信号分析的情况。
以上测试说明，本申请的技术方案可行。与目前的主流方案相比，本申请在激励信号小于4个周期的情况下能稳定地准确地估计频响和复阻抗的值，完全可覆盖低至0.01Hz的低频段的电路频响和复阻抗测试。
附图说明
图1，本申请一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器共同特征示意图。
图2，本申请一种频响测试仪器方案示意图。
图3，本申请一种复阻抗测试仪器方案示意图。
图4，用本申请仪器测试一电路频响的结果。图中Gain为增益，Phase为相移，横轴为频率(f)轴，单位为Hz，扫频范围为0.01Hz-250Hz。每个频点上，采集3个周期的正弦信号进行分析。
图5，图4频响测试结果的局部放大(0.01Hz-10Hz)。图中Gain为增益，Phase为相移，横轴为频率(f)轴，单位为Hz。
图6，用本申请仪器测试一对胶对胶粘结电极贴在0.01Hz-80Hz下的复阻抗结果示意图。各频点均采集3个周期的正弦信号进行分析。纵轴R为复阻抗的实部，单位为欧姆(ohm)，纵轴X为复阻抗的虚部，单位为欧姆(ohm)，横轴为频率(frequency)轴，单位为Hz。共5次测试，分别对应data1-data5。
图7，用本申请仪器测试两测头短接情况复阻抗(0欧姆)结果示意图。在0.01Hz-80Hz范围内若干频点上，均采集3个周期正弦信号来分析。纵轴R为复阻抗的实部，单位为欧姆(ohm)，纵轴X为复阻抗的虚部，单位为欧姆(ohm)，横轴为频率(frequency)轴，单位为Hz。
图8，用本申请仪器测试一10k欧姆标准电阻结果示意图。在0.01Hz-80Hz范围内若干频点上，均采集3个周期正弦信号进行分析。纵轴R为复阻抗的实部，单位为欧姆(ohm)，纵轴X为复阻抗的虚部，单位为欧姆(ohm)，横轴为频率(frequency)轴，单位为Hz。
图9，用本申请仪器测试一10k欧姆标准电阻结果示意图。在0.01Hz-80Hz范围内若干频点上，均采集1个周期正弦信号来分析。纵轴R为复阻抗的实部，单位为欧姆(ohm)，纵轴X为复阻抗的虚部，单位为欧姆(ohm)，横轴为频率(frequency)轴，单位为Hz。
具体实施方式
本申请一种频响测试仪器实施例。使用ADI9833作为频率可调的正弦激励信号源，基于可编程增益放大器PGA281搭建激励信号调理电路，选用ADS1294四通道同步模数转换器(ADC)，选用STM32作为单片机，选用普通PC作为上位机。ADI9833配1MHz有源品振，则激励信号最小频率可低至10^6/2^28＝0.0037Hz。激励信号经调理电路调理后，通过三通器将其一方面连接到被测电路的输入端作为被测电路的输入，另一方面连接到ADC作为ADC的一个输入，同时，将被测电路输出的正弦信号也连接到ADC作为ADC的输入，ADC同步采集被测电路的一对输入输出正弦信号，送入单片机和上位机。见图2所示。除上位机外的包括单片机的其他部分制作线路板形成一个模块。单片机与上位机的通信在实施中采用了USB转串口芯片CH343G进行通信。上位机编程实现适宜2-3个周期甚至更短正弦信号的幅值和初相位参数估计方法，具体采用了提出的基于时域比对的估计方法，通过求解优化问题，估计得到被测电路输入输出两正弦信号的幅度和相位参数，设分别为Ai、
Figure BSA0000262089580000061
和Ao、
Figure BSA0000262089580000062
则进一步估计当前频率下被测电路的增益G和相移
Figure BSA0000262089580000063
分别为G＝Ao/Ai，
Figure BSA0000262089580000064
进一步，通过扫频，得到完整的频响图。
本申请一种复阻抗测试仪器实施例。使用ADI9833作为频率可调的正弦激励信号源，基于可编程增益放大器PGA281搭建激励信号调理电路，选用ADS1294四通道同步模数转换器(ADC)，选用STM32作为单片机，选用普通PC作为上位机，选用一10k欧的标准电阻r。ADI9833配1MHz有源晶振，则激励信号最小频率可低至10^6/2^28＝0.0037Hz。正弦激励信号经调理电路调理后，作为一个电压加到标准电阻r与被测复阻抗R+jX之串联电路的两端，形成一个回路，在标准电阻和被测复阻抗上产生电流和电压，标准电阻两端产生的电压信号和被测复阻抗两端产生的电压信号，理想情况都为正弦信号，将它们送给ADC进行检测，ADC同步采集这两路正弦信号，依次送入单片机和上位机。如图3所示。除上位机外的包括单片机的其他部分制作线路板形成一个模块。单片机与上位机的通信在实施中采用了USB转串口芯片CH343G进行通信。上位机编程实现适宜2-3个周期甚至更短正弦信号的幅值和初相位参数估计方法，具体采用了提出的基于时域比对的估计方法来估计两正弦信号的幅值和初相位参数，设估计得到的标准电阻和被测复阻抗两端电压的正弦信号幅度和初相位参数分别为Ar、
Figure BSA0000262089580000065
和Ax、
Figure BSA0000262089580000066
则当前频率下的被测复阻抗R+jX可计算为
Figure BSA0000262089580000067
进一步，通过扫频，可得到完整的复阻抗谱图。

Claims (4)

1.一种频响测试仪器，包括频率可调的正弦激励信号源、激励信号调理电路、至少2通道的同步模数转换器(ADC)、单片机、上位机，其特征在于，(1)频率可调的正弦激励信号源可输出低至0.01Hz的正弦激励信号，它经调理电路调理后，通过三通器将其一方面连接到被测电路的输入端作为被测电路的输入，另一方面连接到ADC作为ADC的一个输入，同时，将被测电路输出的正弦信号也连接到ADC作为ADC的输入；(2)ADC同步采集被测电路的一对输入输出正弦信号，依次送入单片机和上位机，在上位机采用适宜2-3个周期甚至更短正弦信号的方法估计输入输出两正弦信号的幅值和初相位参数，设估计结果分别为Ai、
Figure FSA0000262089570000011
和Ao、
Figure FSA0000262089570000012
则当前频率下被测电路的增益G和相移
Figure FSA0000262089570000013
可分别计算为G＝Ao/Ai，
Figure FSA0000262089570000014
(3)进一步，通过扫频，可得到完整的频响图。
2.一种复阻抗测试仪器，包括频率可调的正弦激励信号源、激励信号调理电路、至少2通道的同步模数转换器(ADC)、单片机、上位机、标准电阻，其特征在于，(1)频率可调的正弦激励信号源可输出低至0.01Hz的正弦激励信号，它经调理电路调理后，作为一个电压加到标准电阻r与被测复阻抗R+jX之串联电路的两端，形成一个回路，在标准电阻和被测复阻抗上产生电流和电压；(2)标准电阻r两端产生的电压信号和被测复阻抗R+jX两端产生的电压信号，理想情况都为正弦信号，将它们送给ADC进行检测，ADC同步采集这两路正弦信号，依次送入单片机和上位机，在上位机采用适宜2-3个周期甚至更短正弦信号的方法估计两正弦信号的幅值和初相位参数，设对应标准电阻和被测复阻抗的正弦信号幅值和初相位参数估计结果分别为Ar、
Figure FSA0000262089570000015
和Ax、
Figure FSA0000262089570000016
则当前频率下的被测复阻抗R+jX可计算为
Figure FSA0000262089570000017
(3)进一步，通过扫频，可得到完整的复阻抗谱图。
3.根据权利要求1和权利要求2所述的一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器中，都需要在上位机估计已知频率下的两正弦信号的幅值和初相位参数，其特征在于，每一个正弦信号的幅度和初相位参数的估计可基于频谱比对的方法来进行，即先将待分析正弦信号做傅里叶变换求得频谱作为基准，然后以幅度和初相位为变量构造一系列与待估计正弦信号同频率的理想正弦信号并求得它们的频谱，以所构造正弦信号频谱和待估计正弦信号频谱的相关程度最大或差异程度最小作为优化目标，对幅度和初相位两参数进行优化，将优化得到的幅度和初相位参数作为待分析正弦信号的幅度和初相位参数的估值。
4.根据权利要求1和权利要求2所述的一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器中，都需要在上位机估计已知频率下的两正弦信号的幅值和初相位参数，其特征在于，每一个正弦信号的幅度和初相位参数的估计可基于时域比对的方法来进行，即以待分析正弦信号的时域波形作为基准，然后以幅度和初相位为变量构造一系列与待估计正弦信号同频率的理想正弦信号，以所构造理想正弦信号和待估计正弦信号在时域的相关程度最大或差异程度最小作为优化目标，对幅度和初相位两参数进行优化，将优化得到的幅度和初相位参数作为待分析正弦信号的幅度和初相位参数的估值。
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