CN117043621A - 使用阻抗模拟进行校准的系统和方法 - Google Patents

使用阻抗模拟进行校准的系统和方法 Download PDF

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Abstract

提供了一种用于校准阻抗测量装置(100a，100b,100c)的方法和设备。阻抗测量装置向锁相电流发生器(124)输出(502)第一AC信号。锁相电流发生器生成(504)第二AC信号，第二AC信号的相位锁定到第一AC信号的相位，并且其幅值表示具有已知阻抗值的所呈现的阻抗。锁相电流发生器向阻抗测量装置输出第二AC信号。阻抗测量装置基于第二AC信号执行(506)阻抗测量，以产生与所呈现的阻抗相关联的所测量的阻抗值。基于所测量的阻抗值和所呈现的阻抗的已知阻抗值来校准(508)阻抗测量装置。

Description

使用阻抗模拟进行校准的系统和方法
背景技术
技术领域
本申请涉及校准阻抗测量装置，尤其是通过模拟所呈现的阻抗来校准阻抗测量装置。
相关技术描述
在制造之后，测量装置会经历校准过程以验证性能是否符合规格。用于校准阻抗测量装置的现有技术依赖于固定变压器布置进行校准。然而，固定变压器布置的使用不允许在广泛的所呈现阻抗范围内测试测量性能的灵活性。通过变压器方法难以在阻抗之间粒度地步进并获得高分辨率的模拟阻抗。
发明内容
本文提供的是在系统中使用锁相电流发生器(也称为锁相多功能校准器)以使得能够模拟和呈现用于校准阻抗测量装置的阻抗。阻抗测量装置输出第一AC信号，如果使用外部采样电阻，则该第一AC信号为AC电流信号；如果使用内部采样电阻，该第一AC信号为AC电压信号。锁相电流发生器响应于第一AC信号生成第二AC信号。第二AC信号相对于第一AC信号是锁相的并且具有相同的频率。第二AC信号的幅值设置用于由阻抗测量装置进行测量的所呈现的阻抗。
由锁相电流发生器和可以是参考电阻模型的阻抗装置生成的第二AC信号以理想的或非常接近的方式对呈现给阻抗测量装置的阻抗进行建模。第二AC信号被锁相到第一AC信号。
锁相电流发生器通过允许精细地调整第二AC信号的幅值来提供高度准确的可设置能力和所呈现的阻抗的粒度。锁相电流发生器允许以精细的增量或步长(诸如1毫微安(nA))调整第二AC信号的幅值。这继而转换成所呈现的阻抗的精细调整。
所呈现的阻抗的高度准确的可设置性和粒度提供了对宽范围的阻抗值进行建模的灵活性。通过设置第二AC信号的幅值，可针对不同的所呈现的阻抗值校准阻抗测量装置。
可使用多个调整因子校准阻抗测量装置。调整因子可用于将测量的阻抗缩放或调整到读出阻抗。可针对相应的所呈现的阻抗确定调整因子(例如，在阻抗测量装置的测量范围的两端处)。可通过在针对相应的所呈现的阻抗确定的调整因子之间进行外推来确定进一步的调整因子。
多个调整因子的使用考虑了由阻抗测量装置对所测量的阻抗执行的调整的变化。此外，多个调整因子的使用使调整适应特定的测量阻抗或阻抗范围。
由锁相电流发生器提供的第二AC信号可通过参考电阻，并且参考电阻可包括在阻抗测量装置中而不是作为阻抗测量装置外的电阻箱的一部分。
包括参考电阻导致校准期间使用的电缆长度减小，因为该包括导致放弃连接外部电阻的附加电线。因此，减少了电线和电缆引入的噪声、干扰和工作频率伪影。
可选择或设置阻抗测量装置的采样电阻，使得阻抗测量装置的数模转换器(DAC)的输出在采样电阻两端产生指定范围的电压降。该指定范围可在锁相电流发生器的锁相函数的范围内。
相应地选择采样电阻导致确保阻抗测量装置和锁相电流发生器之间的适当可操作性。
附图说明
图1示出了阻抗测量装置的常规校准的电路图。
图2示出了用于校准阻抗测量装置的系统。
图3示出了包括用于在校准和测试操作之间进行切换的多个切换装置的阻抗测量装置。
图4示出了用于校准阻抗测量装置的系统。
图5示出了用于校准阻抗测量装置的方法的流程图。
图6示出了用于校准阻抗测量装置的系统。
具体实施方式
提供了用于以高度准确的方式并且以精细的粒度可设置性在多个阻抗水平下校准阻抗测量装置的技术。提供了一种系统，该系统包括阻抗测量装置和锁相电流发生器(或多功能校准器的锁相电流发生特征)。此外，该系统可包括位于阻抗测量装置内部或阻抗测量装置外部的采样电阻和参考电阻。该系统允许模拟阻抗，并且将该阻抗呈现给阻抗测量装置进行测量，以达到校准阻抗测量装置的目的。
阻抗测量装置向锁相电流发生器输出激励AC信号。锁相电流发生器锁定到激励AC信号的相位并且将锁相信号提供给阻抗测量装置。锁相信号的幅值指示所呈现的阻抗。阻抗测量装置测量所呈现的阻抗。
知晓所呈现的阻抗和所测量的阻抗，就可以确定用于将未来测量的阻抗缩放到经校准的读出阻抗的系数。可向阻抗测量装置呈现多个阻抗，以确定阻抗测量装置的测量范围内的系数。
锁相电流发生器可提供精细的粒度可设置性。例如，锁相电流发生器可提供粒度低至一毫微安培(nA)的锁相信号幅值。因为幅值转换为阻抗，所以阻抗的粒度可低至4.5微欧姆/欧姆(μΩ/Ω)。
图1示出了待测装置101的常规校准的电路图。在校准期间，待测装置101耦合到校准电路102。待测装置101可以是被配置成测量阻抗(或电阻)的任何装置。待测装置101可以是交流(AC)测量装置，其中，待测装置101基于输出为AC的激励电流来测量阻抗。待测装置101可测量任何装置(诸如电池)的阻抗。
待测装置101具有第一端子104、第二端子106、第三端子108和第四端子110。在校准期间，第一端子104和第二端子106作为输出端子进行操作，而第三端子108和第四端子110作为到待测装置101的输入端子进行操作。校准电路102包括源电阻112、缓冲器114和具有初级绕组118与次级绕组120的变压器116。变压器116在初级绕组118与次级绕组120之间具有K的变压器比。应当注意，源电阻112可以是校准电路102的一部分，或者可以是与校准电路102分离并且位于该校准电路外部的电阻箱的一部分。
源电阻112具有第一端子和第二端子。缓冲器114具有耦合到源电阻112的第一端子的第一输入端。缓冲器114具有耦合到缓冲器114的输出端的第二端子。初级绕组118具有耦合到缓冲器114的输出端的第一端和耦合到源电阻112的第二端子的第二端。次级绕组120具有第一端和第二端。
在校准期间，待测装置101的第一端子104和第二端子106分别耦合到源电阻112的第一端子和第二端子。此外，待测装置101的第三端子108和第四端子110分别耦合到次级绕组120的第一端和第二端。
待测装置101向校准电路102输出第一AC信号(μI(t))作为激励信号。当源电阻112的电阻为R时，第一AC信号(μI(t))导致在源电阻112两端生成电压(μI(t)R)。缓冲器114对该电压进行缓冲并且将缓冲后的电压输出到初级绕组118。变压器116的操作在次级绕组120两端产生电压(μI(t)R/K))。待测装置101检测该电压(μI(t)R/K))并且基于检测到的电压确定阻抗测量值(例如，检测到的电压与第一AC信号(μI(t))的比)。由校准电路102模拟的阻抗可以表示为：
常规校准存在各种缺点，包括受到由电缆长度引入的随机信号干扰的存在和经由变压器方法的可追溯性影响的不确定性不足。此外，源电阻112可以是不稳定的，这会负面地影响待测装置101的校准。另外，固定变压器比仅允许一个模拟阻抗数据点用于校准待测装置101。为了获得其他模拟阻抗数据点，可用具有不同比率的其他变压器替换变压器116。然而，使用不同的变压器很麻烦，并且可能引入额外的校准误差。
图2示出了用于校准阻抗测量装置100a的系统122。系统122包括阻抗测量装置100a和锁相电流发生器124。阻抗测量装置100a包含数模转换器(ADC)126、模数转换器(DAC)128、第一信道130、第二信道132、采样电阻134和参考电阻137。如本文所述，阻抗测量装置100a还包括第一端子104和第二端子106以及第三端子108和第四端子110。锁相电流发生器124包括第一输入端136和第二输入端138以及第一输出端140和第二输出端142。
锁相电流发生器124可以是能够进行锁相操作的任何类型的装置。锁相电流发生器124被配置成在第一输入端136和第二输入端138上接收第一信号，并且在第一输出端140和第二输出端142上输出第二信号，该第二信号被锁相到第一信号的相位。因此，锁相电流发生器124输出相位对应于第一信号的相位(或与第一信号的相位相同)的第二信号。锁相电流发生器124输出具有可由用户设置或调整的幅值的第二信号。锁相电流发生器124可以是任何锁相装置并且可锁定电压信号或电流信号。
锁相电流发生器124可以例如是多功能校准器，诸如由Fluke Corporation(美国福禄克公司)制造的5730A高性能多功能校准器。锁相电流发生器124通常可以是具有输出信号幅值调整能力的锁相装置。
在校准期间，阻抗测量装置100a耦合到锁相电流发生器124。阻抗测量装置100a的第一端子104和第二端子106耦合到锁相电流发生器124的第一输入端136和第二输入端138。另外，阻抗测量装置100a的第三端子108和第四端子110耦合到锁相电流发生器124的第一输出端140和第二输出端142。
数模转换器126具有耦合到第一信道130的输入端129的第一输出端127。第一信道130具有耦合到阻抗测量装置100a的第一端子104的第一输出端131。第一信道130还耦合到采样电阻134的第一端子，由此采样电阻134的第二端子耦合到接地节点144。应当注意，尽管本文参考接地，但是接地节点144可以是任何参考电压节点并且可提供除零电压之外的任何参考电压。
参考电阻137具有分别耦合到阻抗测量装置100a的第三端子108和第四端子110的第一端子和第二端子。第二信道132具有耦合到参考电阻137的第一端子的第一输入端133。第二信道132具有耦合到阻抗测量装置100a的第二端子106的第二输入端135，其中，阻抗测量装置100a的第二端子106耦合到接地节点144。第二信道132具有输出端139。模数转换器128具有耦合到数模转换器126的输出端的第一输入端141、耦合到第一信道130的第二输出端145的第二输入端143、耦合到第二信道132的输出端的第三输入端147和耦合到接地节点144的第四输入端149。
采样电阻134、参考电阻137或两者可位于阻抗测量装置100a外部。例如，电阻134、137可以由耦合到阻抗测量装置100a的电阻箱提供，并且锁相电流发生器124可耦合到该电阻箱。然而，在阻抗测量装置100a中包括电阻134、137可以是有利的，因为它导致用于将电阻箱耦合到阻抗测量装置100a和锁相电流发生器124的电缆或电线长度减小。减小电缆长度继而导致减少由电缆引入的干扰、噪声或误差。
在校准期间，数模转换器126生成信号(μI(t))并且将该信号输出到第一信道130。第一信道130可包括多个放大器等。第一信道130将数模转换器126的输出端耦合到采样电阻134。另外，第一信道130将采样电阻134耦合到锁相电流发生器124的第一输入端136。第一信道130通过至少缓冲或放大信号来处理该信号。信号(μI(t))可以是AC电流信号并且因此可引起采样电阻134两端的电压降。信号(μI(t))可具有任何频率，例如一千赫(kHz)。
第一通道130基于具有电阻值R的采样电阻134两端的电压降产生第一AC信号(μIR(t))，并且输出该第一AC信号(μIR(t))。可选择采样电阻134的电阻值R以及信号(μI(t))的幅度和频率，使得所得到的第一AC信号(μIR(t))在锁相电流发生器124的锁相函数的范围内，从而确保在锁相函数范围内的适当可操作性。
锁相电流发生器124在第一输入端136上接收第一AC信号(μIR(t))并且在第二输入端138上接收参考电压(接地)。锁相电流发生器124确定第一AC信号(μIR(t))的相位。锁相电流发生器124生成第二AC信号(μIx(t))，该第二AC信号的相位与第一AC信号(μIR(t))的相位相同。第二AC信号(μIx(t))可以是电流信号。第一AC信号(μIR(t))的幅值可由锁相电流发生器124的用户(诸如，测试人员)设置或调整。特别地，锁相电流发生器124可具有低至一毫微安(nA)的幅值分辨率。例如，根据幅值，锁相电流发生器124的最小步长大小可以是1nA、10nA或100nA。5730A高性能多功能校准器提供具有低均方根(RMS)不确定性的可设置幅值。例如，20mA信号在1kHz下的不确定性小于0.03％，置信度为95％。所生成的信号的高准确性导致模拟的或所呈现的阻抗的高准确性。
用户或校准装置可指定第二AC信号(μIx(t))的幅值，并且锁相电流发生器124可生成具有指定幅值并且其相位锁定到第一AC信号(μIR(t))的相位的第二AC信号(μIx(t))。
锁相电流发生器124向阻抗测量装置100a输出第二AC信号(μIx(t))。第二AC信号(μIx(t))在电阻值为Rref的参考电阻137的两端导致电压降。第二信道132接收表示该电压降的第一电压信号(μVx(t))。可选择参考电阻137，使得所得到的第一电压信号(μVx(t))处于模数转换器128的范围内，从而确保在模数转换器128的范围内的适当可操作性。
第一电压信号(μVx(t))可以是毫伏或微伏信号，并且可例如具有介于1微伏(μV)与1毫伏(mV)之间或介于1mV与一伏(V)之间的电压水平。特别地，第一电压信号(μVx(t))可具有介于10毫微伏(nV)与1mV之间的电压。此外，所呈现的阻抗可小于1毫欧(mΩ)或小于0.5mΩ。因此，可在小信号水平下测试阻抗测量装置100a的响应，在小信号水平下，噪声和干扰比使用更高电压信号更明显。第二信道132还接收接地电压。第二信道132包括对第一电压信号(μVx(t))执行差分处理的多个放大器。第二信道132向模数转换器128输出第二电压信号(μVk(t))。模数转换器128还接收由数模转换器126输出的信号(μI(t))。因此，模数转换器128可将信号(μI(t))数字化，并且阻抗测量装置100a可减小由第一通道130引入的伪影或噪声对第一AC信号(μIR(t))的影响。应当注意，可在从数模转换器126并返回模数转换器128的信令路径上执行可追溯性分析以符合计量标准。可追溯性分析可显示和记录信号穿过路径时的测量不确定性。可追溯性分析可用于评估测量中的不确定性，从而导致沿信令路径的装置(诸如，采样和参考电阻134、137)的可变性(例如，误差界限)。
系统122向阻抗测量装置100a呈现模拟阻抗。锁相电流发生器124连同采样电阻134和参考电阻137的布置的操作模拟可设置的阻抗，因为该布置接收信号(μI(t))作为电流信号并且提供代表由该装置提供的模拟可设置阻抗的第一电压信号(μVx(t))。将第二AC信号(μIx(t))并且因此将第一电压信号(μVx(t))锁相到第一AC信号(μIR(t))来模拟物理阻抗(或“理想”物理阻抗)对激励信号的响应性。
锁相电流发生器124的幅值可设置性能够以高分辨率模拟阻抗。例如，5730A高性能多功能校准器可产生低至4.5微欧姆/欧姆(μΩ/Ω)的分辨率。/>5730A高性能多功能校准器具有针对10微安到220微安(μA)之间的幅值的1nA的分辨率。因此，在10μA幅值水平下，分辨率为1nA/10μA(或100μA/A)。应当注意，μA/A对应于百万分率(ppm)。在220μA范围的上端，分辨率提高了22倍(由于该范围的上端是该范围下端的22倍)，变为100/22μA/A(或4.5μA/A)。将提供第二AC信号(μIx(t))的电流源的分辨率直接转换为通过第一电压信号(μVx(t))获得的阻抗源分辨率(以μΩ/Ω为单位)。
锁相电流发生器124的幅值分辨率允许校准阻抗测量装置100a以获得精细粒度的阻抗水平和宽的阻抗范围(或如本文所述的其控制器)。可操作锁相电流发生器124从而以由锁相电流发生器124提供的最精细的粒度(例如，在毫微安水平处)单步遍历幅值，以便校准阻抗测量装置100a来获得模拟阻抗的微欧姆水平。
阻抗测量装置100a检测阻抗(Z0x)作为第二电压信号(μVk(t))与第一AC信号(μIR(t))之间的比率，即：
由锁相电流发生器124呈现的阻抗(Zx)可以表示为第一电压信号(μVx(t))与由数模转换器126输出的信号(μI(t))的比率。也就是说，所呈现的阻抗是：
为了评估阻抗测量装置100a的准确性，将所检测到的阻抗追踪到所呈现的阻抗。第一电压信号(μVx(t))是参考电阻137(表示为‘Rref’)和第二AC信号(μIx(t))的乘积。第二AC信号(μIx(t))具有由锁相电流发生器124生成的均方根值AIx和相移(Δθs)。因此，所呈现的阻抗可以表示为：
其中，AI是由数模转换器126输出的信号(μI(t))的均方根。
所呈现的阻抗(Zx)具有实部(Rx)和虚部(Xx)，它们分别表示为：
如本文所述，响应于接收到第一电压信号(μVx(t))，第二信道132向模数转换器128输出第二电压信号(μVk(t))。第二信道132相对于第一电压信号(μVx(t))向第二电压信号(μVk(t))应用增益(kV)和相移(ΔθV)。因此，第二电压信号(μVk(t))可以表示为：
μVk(t)＝kVAIxRrefcos(2πft+Δθs+ΔθV). 等式(6)
模数转换器128还直接接收由数模转换器126输出的信号μI(t)。此外，模数转换器128接收来自第一信道130的已经经历相移(ΔθI)的第一AC信号(μIR(t))。可以以信号(μI(t))的均方根(AI)和采样电阻134(R)将第一AC信号(μIR(t))表示为：
μIR(t)＝AIR cos(2πft+ΔθI) 等式(7)
因此，等式(2)的所检测到的阻抗(Z0x)可以表示为：
根据等式(8)，所检测到的阻抗(Z0x)的实部、虚部和相位可以分别表示为：
θ0x＝Δθs+ΔθV-ΔθI 等式(9)。
所检测到的阻抗(Z0x)在阻抗测量装置100a中经历采样和相关处理。阻抗测量装置100a基于所检测到的阻抗(Z0x)来测量阻抗。所测量的阻抗可以表示为：
Z0x_＝R0x_+jX0x_＝|Z0x_|cosθ0x_+j|Z0x_|sinθ0x_， 等式(10)
其中，R0x_，X0x_，|Z0x_|和θ0x_分别是所测量的阻抗(Z0x_)的实部、虚部、模量和相位。
阻抗测量装置100a将测得的阻抗(Z0x_)的相位偏移相位(Δθ0)，以考虑等式(10)的相移(θ0x)。将相位偏移产生已相移的测量阻抗(Zθ0x)。应当注意，相位(Δθ0)补偿由第二信道132执行的处理(例如，过滤和放大)引起的相位变化。锁相电流发生器124补偿由第一信道130执行的处理。锁相电流发生器124输出第二AC信号(μIx(t))作为锁相到第一AC信号(μIR(t))的独立信号。第二AC信号(μIx(t))具有与第一AC信号(μIR(t))相同的相位。然而，除了相位的改变之外，第二AC信号(μIx(t))不受由第一信道130执行的调节或处理的影响。
已相移的所测量的阻抗(Zθ0x)可以表示为：
Zθ0x＝Rθ0x+jXθ0x＝|Z0x_|cos(θ0x-Δθ0)+j|Z0x_|sin(θ0x-Δθ0)， 等式(11)
其中，Rθ0x和Xθ0x分别是相移测量的阻抗(Zθ0x)的实部和虚部。
阻抗测量装置100a可采用调整因子(k0x)将已相移的所测量的阻抗(Zθ0x)调整到表示所呈现的阻抗((Zx)的读出阻抗。调整因子(k0x)可以是乘法因子，由此阻抗测量装置100a可将已相移的所测量的阻抗(Zθ0x)乘以调整因子(k0x)，以获得表示所呈现的阻抗(Zx)的读出阻抗。因此，读出阻抗可以表示为：
Zx＝k0xZθ0x. 等式(12)
调整因子(k0x)可在所呈现的阻抗(Zx)的范围内(例如，在所呈现的阻抗的范围内)线性地变化。因此，锁相电流发生器124可向阻抗测量装置100a呈现至少两个阻抗。阻抗测量装置100a可确定至少两个所测量的阻抗的相应调整因子。阻抗测量装置100a可在调整因子之间外推，以确定测量的阻抗与调整因子之间的线性(或其他类型的)关系。在一个实施例中，所呈现的阻抗可对应于阻抗测量装置100a的阻抗测量范围的两端。阻抗测量装置100a额定的整个测量范围的调整因子可在测量范围两端的调整因子之间外推。
应当注意，多个阻抗的调整因子的确定考虑了在阻抗测量装置100a额定的阻抗范围内的测试变化。对所测量的阻抗的调整可在阻抗范围内发生变化。因此，确定阻抗范围内的多个调整因子有助于考虑阻抗测量装置100a要执行的调整的变化。
应当注意，可基于已相移的测量阻抗的实部(Zθ0x)来执行阻抗测量。因此，可忽略测量结果的虚部。此外，使用等式(12)确定调整因子(k0x)可基于已相移的测量阻抗的实部(Zθ0x)和所呈现的阻抗(Zx)来执行。可忽略实阻抗的虚对应物。
所呈现的阻抗(Zx)的不确定性归因于多个不确定性来源。不确定性的来源包括(1)由数模转换器126输出的信号(μI(t))的均方根中的不确定性(表示为)，(2)第二AC信号((μIx(t))的均方根中的不确定性(表示为/>)，(3)参考电阻137中的不确定性(表示为/>)和(4)由锁相电流发生器124生成的相移Δθs中的不确定性(表示为/>)。所呈现的阻抗(Zx)的实部(Rx)的复合不确定性可以表示为：
对于3mΩ的满量程测量范围和幅值为300mA与频率为1kHz的第二AC信号(μIx(t))，复合不确定性可以表示为：
通过将复合不确定性乘以2来获得具有95％置信度水平的扩展的不确定性。因此，扩展的不确定性可以表示为：
阻抗测量装置100a包括多个切换装置。可操作这些多个切换装置以将阻抗测量装置100a从校准操作转换到测试操作。
图3示出了包括用于在校准和测试操作之间进行切换的多个切换装置的阻抗测量装置100b。阻抗测量装置100b包括第一切换装置146、第二切换装置148、第三切换装置150、第四切换装置152和第五切换装置154。在测试期间，阻抗测量装置100b的第一端子104和第三端子108可耦合到待测装置的第一端子(例如，阳极)，该第一端子可以是电池。第二端子106和第四端子110可耦合到待测装置的第二端子(例如，阴极)。端子104、端子106、端子108、端子110是选择性地双向的，并且与校准相比，端子104、端子106、端子108、端子110的功能在测试期间进行切换。在测试期间，第一端子104和第二端子106作为输入端子操作，而第三端子108和第四端子110作为阻抗测量装置100b的输出端子操作。
第一切换装置146包括两个开关146a、146b，这两个开关操作以将第三端子108耦合到第一信道130或参考电阻137。第二切换装置148包括两个开关148a、148b，这两个开关操作以将第四端子110耦合到第一信道130或参考电阻137。第一切换装置146和第二切换装置148进一步将第一信道130与采样电阻134耦合或解耦。第三切换装置150将第一信道130耦合到采样电阻134，或者将第一信道130与采样电阻134解耦。
第四切换装置152包括两个开关152a、152b；将第一端子104耦合到第一信道130或第二信道132；并且将参考电阻137耦合到第二信道132，或者将参考电阻137与第二信道132解耦。第五切换装置154包括两个开关154a、154b，并且将第二端子106耦合到第二信道132或将该第二端子耦合到参考电阻137。
当阻抗测量装置100b用于测试时，切换装置146-154如图3所示定位。应当注意，从图3中所示的位置切换这些切换装置146-154中的每个切换装置的状态，将阻抗测量装置100b配置为用于校准，这产生图2的布置。
应当注意，在一个实施例中，可以放弃切换装置146-154。例如，采样电阻134和参考电阻137可位于电阻箱中而不是作为阻抗测量装置的一部分。因此，在将阻抗测量装置置于校准操作中时，阻抗测量装置与电阻箱的物理耦合和电阻箱与锁相电流发生器124的物理耦合替代了切换装置146-154的使用。在将阻抗测量装置置于测试操作中时，阻抗测量装置与电阻箱的物理解耦替代了切换装置146-154的使用。
图4示出了用于校准阻抗测量装置100c的系统160。应当注意，阻抗测量装置100c可类似地或相同地被配置为本文所述的阻抗测量装置100a、100b。系统160包括阻抗测量装置100c、锁相电流发生器124和校准装置162。校准装置162可校准阻抗测量装置100c，由此例如校准装置162可确定调整因子并且用该调整因子配置阻抗测量装置100c。阻抗测量装置100c的与本文描述的阻抗测量装置100a类似的元件具有相同的附图标记。阻抗测量装置100c包括控制器164、通信装置166和输出装置168。类似地，校准装置162包括控制器170、通信装置172和输出装置174。另外，锁相电流发生器124包括控制器176和通信装置178。
控制器164可以是被配置成执行本文描述的技术的任何类型的装置。控制器164可以是处理器、微控制器或微处理器等，并且可包括算术逻辑单元(ALU)以及其他计算单元。控制器164可以是嵌入式片上系统(SoC)。控制器164可包括中央处理单元(CPU)或图形处理单元(GPU)等。控制器164可控制数模转换器126，以生成信号(μI(t))并且向第一信道130输出该信号，如本文所述。进一步地，控制器164可从模数转换器128接收表示第二电压信号(μVk(t))的数字信号。进一步地，控制器164可确定所检测到的阻抗(Z0x)、使该所检测到的阻抗(Z0x)发生相移，以产生已相移的测量阻抗(Zθ0x)，并将调整因子(Zθ0x)应用到该已相移的测量阻抗(Zθ0x)以生成读出阻抗。控制器164可被校准并且配置有调整因子(k0x)，由此如本文所述的校准阻抗测量装置包括校准阻抗测量装置的控制器164。
控制器164可执行存储在存储器(未示出)中的可执行指令。当控制器164执行可执行指令时，这些可执行指令使控制器164执行本文描述的功能或技术。控制器164可将任何确定的阻抗发送到通信装置166，以用于传输到另一装置或输出装置168以输出到用户。
通信装置166可以是可操作以与另一装置通信的任何类型的装置。通信装置166可以是发射器、接收器、收发器或调制解调器等。通信装置166可被配置成使用任何类型的通信协议进行通信。该协议可以是蜂窝通信协议，诸如长期演进(LTE)或无线通信协议，诸如电气和电子工程师协会(IEEE)802协议等。该协议可以是近场通信协议，诸如通信装置166可将所确定的阻抗传输到校准装置162。
输出装置168可以是被配置成向用户输出数据的任何类型的装置。例如，输出装置168可以是显示器或扬声器等。输出装置168可向用户输出由阻抗测量装置100c执行的阻抗测量的结果。
校准装置162的控制器170、通信装置172和输出装置174可以是分别与阻抗测量装置100c的控制器164、通信装置166和输出装置168类似的装置。控制器170可控制阻抗测量装置100c和锁相电流发生器124以校准阻抗测量装置100c(或其控制器164)。控制器170可命令锁相电流发生器124锁定到第一AC信号(μIR(t))的相位，并且可设置第二AC信号(μIx(t))的幅值以指定所呈现的阻抗。
控制器170可接收已相移的测量阻抗(Zθ0x)，并且可确定用于所呈现的阻抗(Zx)的调整因子(k0x))。控制器170还可确定用于多个所呈现的阻抗的多个调整因子。控制器170可外推调整因子以确定由阻抗测量装置100c确定的已相移的测量阻抗(Zθ0x)与调整因子((k0x)之间的关系。例如，该关系可以是函数关系(例如，线性的或二次的等)。调整因子可以是作为已相移的测量阻抗(Zθ0x)的函数而变化的变量。曲线可表示调整因子与已相移的测量阻抗(Zθ0x)之间的关系。
另外，该关系可以表示为查找表。控制器170可使用通信装置172向阻抗测量装置100c发送调整因子。阻抗测量装置100c可使用该调整因子在操作期间将已相移的测量阻抗调整到相应的读出阻抗。
锁相电流发生器124的控制器176和通信装置178可以是分别与阻抗测量装置100c的与控制器164和通信装置166类似的装置。通信装置178可从校准装置162的通信装置172接收锁定到第一AC信号(μIR(t))的相位的命令。进一步地，通信装置178可接收第二AC信号(μIx(t))的幅值的指示。通信装置178可向控制器176输出表示命令和幅值的数据。
控制器176可控制锁相电流发生器124以使锁相电流发生器124执行本文所述的技术。控制器176可控制锁相电流发生器124以将第二AC信号(μIx(t))的相位锁定到第一AC信号(μIR(t))的相位。控制器176可输出具有由校准装置162命令的幅值的第二AC信号(μIx(t))。
应当注意，在另选的实施例中，可放弃校准装置162，并且阻抗测量装置100c可执行校准装置162的功能。例如，阻抗测量装置100c的通信装置166可耦合到锁相电流发生器124的通信装置178。锁相电流发生器124的调整因子的确定和命令可由阻抗测量装置100c的控制器164执行。
图5示出了用于校准阻抗测量装置的方法500的流程图。在方法500中，阻抗测量装置(诸如参考图2所描述的阻抗测量装置100a)在502处向锁相电流发生器输出第一AC信号。在504处，锁相电流发生器生成第二AC信号，该第二AC信号的幅值表示具有已知阻抗值的所呈现的阻抗，并且其相位锁定到第一AC信号的相位。锁相电流发生器向阻抗测量装置输出第二AC信号。在506处，阻抗测量装置基于第二AC信号执行阻抗测量，以产生与所呈现的阻抗相关联的所测量的阻抗值。如本文所述，阻抗测量装置可将阻抗测量结果确定为从第二AC信号生成的电压与用于生成第一AC信号的电流之间的比率。此外，阻抗测量装置可使阻抗测量结果发生相移，以补偿由于阻抗测量装置执行的处理而引起的相位变化。
方法500包括，在508处，基于所测量的阻抗值和所呈现的阻抗的已知阻抗值校准阻抗测量装置。如本文所述，校准阻抗测量装置可包括用调整因子配置阻抗测量装置。调整因子可基于所测量的阻抗和模拟阻抗的已知阻抗值来确定。在操作期间，阻抗测量装置基于调整因子来调整测量的阻抗，以产生相应的读出阻抗测量结果。
如本文所述，采样电阻134和参考电阻137可位于电阻箱中而不是作为阻抗测量装置的一部分。
图6示出了用于校准阻抗测量装置100d的系统180。系统180包括阻抗测量装置100d、电阻模型182和锁相电流发生器124。电阻模型182可以是电阻箱，包括采样电阻184和参考电阻188。因此，采样电阻134和参考电阻137未结合到阻抗测量装置100d中。在电阻134、137未结合到阻抗测量装置100d中的模式中，该装置以本文参考图3示出的正常测试模式配置。如本文参考图3所描述的，通过切换装置152、154的操作绕过参考电阻137。阻抗测量装置100d的与本文参考图3描述的阻抗测量装置100b类似的元件具有相同的附图标记。
电阻模型182具有第一采样电阻端子190、第二采样电阻端子192、第三采样电阻端子194和第四采样电阻端子196以及第一参考电阻端子198、第二参考电阻端子202、第三参考电阻端子204和第四参考电阻端子206。第一采样电阻端子190和第二采样电阻端子192耦合到采样电阻184的第一端子。第三采样电阻端子194和第四采样电阻端子196耦合到采样电阻184的第二端子。第一参考电阻端子198和第二参考电阻端子202耦合到参考电阻188的第一端子。第三参考电阻端子204和第四参考电阻端子206耦合到参考电阻188的第二端子。
阻抗测量装置100d的第一端子104和第二端子106分别耦合到第一采样电阻端子190和第三采样电阻端子194。锁相电流发生器124的第一输入端136和第二输入端138分别耦合到第二采样电阻端子192和第四采样电阻端子196。
阻抗测量装置100d的第三端子108和第四端子110分别耦合到第一参考电阻端子198和第三参考电阻端子204。锁相电流发生器124的第一输出端140和第二输出端142分别耦合到第二参考电阻端子202和第四参考电阻端子206。
如本文所描述的，阻抗测量装置100d生成信号(μI(t))。阻抗测量装置100d向采样电阻184输出信号(μI(t))。信号(μI(t))在采样电阻184两端产生第一AC信号(μIR(t))。锁相电流发生器124接收第一AC信号(μIR(t))。如本文所描述的，锁相电流发生器124生成第二AC信号(μIx(t))。锁相电流发生器124向电阻模型182输出第二AC信号(μIx(t))。第二AC信号(μIx(t))在参考电阻188两端产生第一电压信号(μVx(t))的电压降。阻抗测量装置100d接收由电阻模型182生成的第一电压信号(μVx(t))。系统180将采样电阻和参考电阻与阻抗测量装置分离，并且提供将电阻放置在可耦合到阻抗测量装置的电阻模型中。
鉴于前述公开内容，用于校准阻抗测量装置的方法、阻抗测量装置和用于校准阻抗测量装置的系统的各种示例可包括以下特征中的任一个或其组合：输出第一AC信号；接收相位锁定到第一AC信号的相位的第二AC信号；基于第二AC信号执行阻抗测量以产生与所呈现的阻抗相关联的所测量的阻抗值；以及基于所测量的阻抗值和所呈现的阻抗的已知阻抗值来校准阻抗测量装置。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如向锁相电流发生器输出第一AC信号并且从所述锁相电流发生器接收第二AC信号。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如所具有的幅值表示具有已知阻抗值的所呈现阻抗的第二AC信号。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如由阻抗测量装置执行的阻抗测量。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如改变第二AC信号的幅值以改变由锁相电流发生器提供的所呈现的阻抗。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如所呈现的阻抗变化的粒度，该粒度对应于由锁相电流发生器提供的第二AC信号的幅值变化的粒度。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如将第二AC信号的幅值从第一幅值变为第二幅值。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如第二幅值与第一幅值的不同之处在于由锁相电流发生器提供的最精细的步进设置。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如基于所测量的阻抗值和所呈现的阻抗的已知阻抗值来确定调整因子。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如调整所测量的阻抗值以基于调整因子产生相应的读出阻抗测量结果。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如作为所呈现的阻抗的函数线性地变化的调整因子。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如基于相应的多对所测量的阻抗值和对应的所呈现的阻抗并且通过在多个调整因子之间外推来确定多个调整因子。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如使第二AC信号通过包括在阻抗测量装置中的参考电阻。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如检测参考电阻两端的电压信号。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如使电流信号通过采样电阻。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如检测采样电阻两端的第一AC信号。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如将测量的阻抗值确定为电压信号和电流信号的比率。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如使所测量的阻抗值发生相移以考虑由阻抗测量装置执行的处理。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如将调整因子确定为所测量的阻抗值与所呈现的阻抗的已知阻抗值之间的比率。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如操作第二AC信号以使参考电阻两端的电压信号介于10nV与1mV之间。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如阻抗测量装置的输出端子被配置成向锁相电流发生器输出第一AC信号；阻抗测量装置的输入端子被配置成接收第二AC信号；以及阻抗测量装置的控制器被配置成执行阻抗测量。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如通过锁相电流发生器改变第二AC信号的幅值。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如通过锁相电流发生器将第二AC信号的幅值从第一幅值变为第二幅值。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如阻抗测量装置的控制器配置有调整因子并且被配置成调整所测量的阻抗值。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如结合到阻抗测量装置中的采样电阻。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如采样电阻耦合到输出端子并且被配置成接收电流信号。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如采样电阻被配置成响应于电流信号的通过而生成第一AC信号。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如结合到阻抗测量装置中的参考电阻。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如参考电阻耦合到输入端子并且被配置成接收第二AC信号。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如参考电阻被配置成响应于第二AC信号的通过而生成电压信号。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如阻抗测量装置被配置成确定所测量的阻抗值。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如锁相电流发生器，该锁相电流发生器包括输入端子，该输入端子耦合到阻抗测量装置的输出端子并且被配置成接收第一AC信号；控制器，该控制器被配置成使得生成相位锁定到第一AC信号的相位的第二AC信号；以及输入端子，该输入端子耦合到阻抗测量装置的输入端子并且被配置成输出第二AC信号。
该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如锁相电流发生器的控制器被配置成改变第二AC信号的幅值以改变所呈现的阻抗。该方法、装置和系统可包括另一特征，诸如锁相电流发生器的控制器被配置成将第二AC信号的幅值从第一幅值变为第二幅值。
可组合以上所述的各种实施方案来提供另外的实施方案。鉴于上文的详细说明，可以对这些实施方案作出这些和其他改变。一般来说，在随后的权利要求中，使用的术语不应解释成将权利要求书限制在本说明书和权利要求书中披露的具体实施方案中，而应解释成包括所有可能的实施方案以及这类权利要求书赋予的等效物的全部范围。因此，权利要求并不受本公开内容所限定。

Claims (20)

1.一种阻抗测量装置，所述阻抗测量装置包括：
输出端子，所述输出端子被配置成向锁相电流发生器输出第一AC信号；
输入端子，所述输入端子被配置成接收由锁相电流发生器生成的第二AC信号，所述第二AC信号的相位锁定到所述第一AC信号的相位，并且其幅值表示具有已知阻抗值的所呈现的阻抗；和
控制器，所述控制器被配置成：
基于所述第二AC信号执行阻抗测量以产生与所呈现的阻抗相关联的所测量的阻抗值；以及
基于所测量的阻抗值和所呈现的阻抗的所述已知阻抗值进行校准。
2.根据权利要求1所述的阻抗测量装置，其中：
所述锁相电流发生器在操作中改变所述第二AC信号的所述幅值，
所呈现的阻抗响应于改变所述第二AC信号的所述幅值而改变，并且
所呈现的阻抗的变化的第一粒度对应于由所述锁相电流发生器提供的所述第二AC信号的所述幅值的变化的第二粒度。
3.根据权利要求1所述的阻抗测量装置，其中，所述输入端子被配置成接收由所述锁相电流发生器生成的第三AC信号，并且所述第三AC信号的幅值与所述第二AC信号的所述幅值的不同之处在于由所述锁相电流发生器提供的最精细的步进设置。
4.根据权利要求1所述的阻抗测量装置，其中，所述控制器被配置成基于调整因子调整所测量的阻抗值，以产生相应的读出阻抗测量结果，所述调整因子基于所测量的阻抗值和所呈现的阻抗的所述已知阻抗值来确定。
5.根据权利要求4所述的阻抗测量装置，其中：
所述调整因子作为所呈现的阻抗的函数线性地变化，
所述控制器被配置成用多个调整因子进行校准，所述多个调整因子基于相应的多对所测量的阻抗值和对应的所呈现的阻抗来确定，并且
所述控制器被配置成用外推调整因子进行校准，所述外推调整因子通过在所述多个调整因子的第一调整因子与第二调整因子之间进行外推来确定。
6.根据权利要求1所述的阻抗测量装置，包括：
采样电阻，所述采样电阻耦合到所述输出端子并且被配置成接收电流信号，其中，所述采样电阻被配置成响应于所述电流信号通过而生成所述第一AC信号；和
参考电阻，所述参考电阻耦合到所述输入端子并且被配置成接收所述第二AC信号，其中，所述参考电阻被配置成响应于所述第二AC信号通过而生成电压信号，
其中，所述阻抗测量装置被配置成基于所述电压信号与所述电流信号的比率来确定所测量的阻抗值，并且所测量的阻抗值发生相移，以补偿在由所述阻抗测量装置处理期间执行的相移。
7.根据权利要求6所述的阻抗测量装置，其中，所述第二AC信号可操作用以使所述参考电阻两端的所述电压信号介于10毫微伏(nV)与一毫伏(mV)之间。
8.根据权利要求1所述的阻抗测量装置，其中，调整因子被确定为所测量的阻抗值与所呈现的阻抗的所述已知阻抗值之间的比率。
9.一种用于校准阻抗测量装置的方法，所述方法包括：
向锁相电流发生器输出第一AC信号；
接收由锁相电流发生器生成的第二AC信号，所述第二AC信号的相位锁定到所述第一AC信号的相位，并且其幅值表示具有已知阻抗值的所呈现的阻抗；
由所述阻抗测量装置基于所述第二AC信号执行阻抗测量，以产生与所呈现的阻抗相关联的所测量的阻抗值；以及
基于所测量的阻抗值和所呈现的阻抗的所述已知阻抗值来校准所述阻抗测量装置。
10.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：
改变所述第二AC信号的所述幅值；
响应于改变所述第二AC信号的所述幅值致使所呈现的阻抗改变，其中：
所呈现的阻抗的变化的第一粒度对应于由所述锁相电流发生器提供的所述第二AC信号的所述幅值的变化的第二粒度。
11.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：
接收由所述锁相电流发生器生成的第三AC信号，所述第三AC信号的幅值与所述第二AC信号的所述幅值的不同之处在于由所述锁相电流发生器提供的最精细的步进设置。
12.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：
基于所测量的阻抗值和所呈现的阻抗的所述已知阻抗值确定调整因子；以及
基于所述调整因子，调整所测量的阻抗值以产生相应的读出阻抗测量值。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述调整因子作为所呈现的阻抗的函数线性地变化，并且所述方法进一步包括：
基于相应的多对所测量的阻抗值和对应的所呈现的阻抗确定多个调整因子；
通过在所述多个调整因子的第一调整因子与第二调整因子之间外推来确定外推调整因子；以及
利用所述多个调整因子和所述外推调整因子校准所述阻抗测量装置。
14.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：
使所述第二AC信号通过包括在所述阻抗测量装置中的参考电阻；
检测所述参考电阻两端的电压信号；
使电流信号通过采样电阻；
检测所述采样电阻两端的所述第一AC信号；
将所测量的阻抗值确定为所述电压信号和所述电流信号的比率；以及
使所测量的阻抗值发生相移以补偿在由所述阻抗测量装置处理期间执行的相移。
15.根据权利要求14所述的方法，所述方法进一步包括：
检测在所述参考电阻两端的所述电压信号介于10毫微伏(nV)与一毫伏(mV)之间。
16.根据权利要求9所述的方法，所述方法进一步包括：
将调整因子确定为所测量的阻抗值与所呈现的阻抗的所述已知阻抗值之间的比率。
17.一种系统，所述系统包括：
阻抗测量装置，所述阻抗测量装置包括：
输出端子，所述输出端子被配置成输出第一AC信号；
输入端子，所述输入端子被配置成接收第二AC信号，所述第二AC信号的幅值表示具有已知阻抗值的所呈现的阻抗；和
控制器，所述控制器被配置成：
基于所述第二AC信号执行阻抗测量以产生与所呈现的阻抗相关联的所测量的阻抗值；以及
基于所测量的阻抗值和所呈现的阻抗的所述已知阻抗值进行校准；和
锁相电流发生器，所述锁相电流发生器包括：
输入端子，所述输入端子耦合到所述阻抗测量装置的所述输出端子并且被配置成接收所述第一AC信号；
控制器，所述控制器被配置成使得生成相位锁定到第一AC信号的相位的第二AC信号；和
输入端子，所述输入端子耦合到所述阻抗测量装置的所述输入端子并且被配置成输出所述第二AC信号。
18.根据权利要求17所述的系统，其中：
所述锁相电流发生器的所述控制器被配置成改变所述第二AC信号的所述幅值，
所呈现的阻抗响应于改变所述第二AC信号的所述幅值而改变，并且
所呈现的阻抗的变化的第一粒度对应于由所述锁相电流发生器提供的所述第二AC信号的所述幅值的变化的第二粒度。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述锁相电流发生器的所述控制器被配置成：
生成第三AC信号，所述第三AC信号的幅值与所述第二AC信号的所述幅值的不同之处在于由所述锁相电流发生器提供的最精细的步进设置。
20.根据权利要求17所述的系统，其中，所述阻抗测量装置的所述控制器将基于调整因子调整所测量的阻抗值，以产生相应的读出阻抗测量结果，所述调整因子基于所测量的阻抗值和所呈现的阻抗的所述已知阻抗值来确定。
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