CN201141879Y - 有源可变阻抗合成器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种有源可变阻抗合成器，可以构成供LCR测量仪校准的标准电容或电感等标准阻抗，此有源可变阻抗合成器通过一个构成可变电容或电感的基本电容或电感电路和一个与之相连的伴测电路，来形成高频、高精度和范围可变的阻抗。此外，结合等电位跟踪电路可以进一步提高有源可变阻抗合成器的准确性。

Description

有源可变阻抗合成器

技术领域

本实用新型涉及一种运算放大器电路应用于三端阻抗变换技术的方法，特别涉及一种采用伴测电路、等电位跟踪电路及确定频率下提高运算放大器稳定性电路，以形成高精度、宽频、有源阻抗可变的合成装置。

背景技术

LCR测量仪是一种计量器具，应定期应用标准计量量具(如电容器、电感器)用于对测量仪进行检验或校准，以保持其测量精度。在精密阻抗计量测试或调试宽频的高精度LCR测量仪中，有一个突出的问题是缺少高精度、高频的计量量具。

要制造100kHz、1MHz精密的、稳定的损耗低的电感、电容和交流电阻标准量具是不容易的。作为单个体的标准量具目前有美国Agilent公司的16380A型1pF、10pF、100pF和1000pF四端对空气介质电容器，有美国QuadTech公司的1406型100pF、1000pF同轴空气介质电容器及西安电子部二十所制造的CO-120-1型100pF、200pF、500pF和1000pF同轴空气介质电容器。但是，这些单个体的标准量具电容量值范围不宽，计量值局限于几个点，也没有100kHz、1MHz的高频电感标准量具和交流标准电阻量具。还有，单个体的标准量具在计量测试中需要分别与测量仪连接，测量一种量具就要连接一次，很是麻烦，而且不能符合由点到面，由单值到多值的检定。目前，国内外宽频(如20Hz～1MHz)、高精度(0.05％及以上)的LCR测量仪产品越来越多，已广泛应用于计量部门、研究单位、企事业单位对LCR元件及参数的测量，现有的单个体的标准量具已远远不能满足对国内外的LCR测量仪的计量需求及调试需求。

阻抗的模拟和变换是运算放大器的一个重要应用方面，高精度、宽频、可变的有源阻抗合成装置有很大的发展前景，如美国Fluke公司已将“Impedancesynthesizer”(US 5485115)专利技术应用于一种称为多产品校准仪的产品中，其有源标准电容器的工作频率可达50kHz，不确定度达2×10^-3等级，多种电容值由程控D/A转换器以调节运算放大器的增益来获得。这种标准电容器可满足校验二端式手持电容表的需要，但是不能满足校验高精度(0.05％及以上)的LCR测量仪需求。

因此，目前还未有适用于高精度LCR测量仪的工作频率达1MHz、不确定度等级达10^-4数量级的可变有源电容器和可变有源电感器产品。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种适应更高频率并具有更高精度的有源可变阻抗合成器，可以合成电感或者电容。

本实用新型为解决上述技术问题而采用的技术方案是提供一种有源可变阻抗合成器，适于合成一定范围的电容，其包括有源电容电路和伴测电路。

有源电容电路具有第一端、第二端和第三端，其包括第一运算放大器、第一电阻、第一电容和第一可变电阻器，第一运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接有源电容电路的第一端，第二输入端连接有源电容电路的第三端，且第三端为低电位端；输出端连接第一可变电阻器的一端，第一可变电阻器的另一端连接有源电容电路的第二端；第一电容跨接在第一运算放大器的第一输入端与输出端之间。

伴测电路包括第二运算放大器、第一阻抗、第二阻抗、第三阻抗和第二可变电阻器，第二运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端连接第一阻抗的一端，第一阻抗的另一端连接所述有源电容电路的第一端，第二输入端连接一低电位端，第二阻抗跨接在第二运算放大器的第一输入端与输出端之间；第三阻抗一端连接第二运算放大器的第一输入端，另一端连接第一运算放大器的输出端；第二可变电阻器一端连接第二运算放大器的输出端，另一端连接有源电容电路的第二端。

在上述的阻抗合成器中，第一电阻的阻值R和第一电容的电容值C满足：RC＝1/ω，其中ω为有源电容电路的工作频率。

在上述的阻抗合成器中，伴测电路的第三阻抗与第二阻抗的值相等。

在上述的阻抗合成器中，第二可变电阻器的阻值是依据第一可变电阻器的阻值而同步调节。

在上述的阻抗合成器中，阻抗合成器具有一屏蔽外壳，其通过电压跟随器连接至第一、第二运算放大器的第二输入端所连接的低电位端，以进行等电位跟踪；在四端对连接时，阻抗合成器具有一BNC接头，其外壳也通过电压跟随器连接至第一、第二运算放大器的第二输入端所连接的低电位端，以进行等电位跟踪。LCR测量仪的机壳与BNC连接件(若有的话)会在测量时连接阻抗合成器的外壳或BNC接头，因此也间接地连接所述低电位端。

本实用新型还提供一种有源可变阻抗合成器，适于合成一定范围的电感，其包括有源电感电路和伴测电路。

有源电感电路具有第一端、第二端和第三端，其包括第一反相器、第一运算放大器、第一电阻、第一电容和第一可变电阻器，其中第一反相器的输入端连接有源电感电路的第一端；第一运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中第一输入端连接第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接第一反相器的输出端，第二输入端连接有源电感电路的第三端，且第三端为低电位端，第一运算放大器输出端连接第一可变电阻器的一端，第一可变电阻器的另一端连接有源电感电路的第二端；第一电容跨接在第一运算放大器的第一输入端与输出端之间。

伴测电路包括第二反相器、第二运算放大器、第一阻抗、第二阻抗、第三阻抗和第二可变电阻器，其中第二反相器的输入端连接有源电感电路的第一端；第二运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，第一输入端连接第一阻抗的一端，第一阻抗的另一端连接第二反相器的输出端，第二输入端连接一低电位端，第二阻抗跨接在第二运算放大器的第一输入端与输出端之间；第三阻抗一端连接第二运算放大器的第一输入端，另一端连接第一运算放大器的输出端；第二可变电阻器一端连接第二运算放大器的输出端，另一端连接有源电感电路的第二端。

在上述的阻抗合成器中，第一电阻的阻值R和第一电容的电容值C满足：RC＝1/ω，其中ω为有源电感电路的工作频率。

在上述的阻抗合成器中，第二反相器和第一反相器的结构对称，伴测电路的第三阻抗与第二阻抗相等。

在上述的阻抗合成器中，第二可变电阻器的阻值是依据第一可变电阻器的阻值而同步调节。

在上述的阻抗合成器中，阻抗合成器具有一屏蔽外壳，其通过电压跟随器连接至所述第一、第二运算放大器的第二输入端所连接的低电位端；而阻抗合成器的LCR测量仪具有一机壳，其通过电压跟随器连接至第一、第二运算放大器的第二输入端所连接的低电位端，以进行等电位跟踪。

本实用新型的有源电容/电感可变的阻抗合成器由于采用以上技术方案，使之与现有技术相比，利用伴测电路来提高精度并消除负载影响，并结合了等电位跟踪技术，可达到很高的精度，在10kHz时不确定度达1×10^-4，在100kHz时不确定度达2×10^-4，在1MHz时不确定度达5×10^-4。能基本满足用户对0.05级～0.1级的宽频LCR元件及参数的测量及计量需求。

附图说明

为让本实用新型的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本实用新型的具体实施方式作详细说明，其中：

图1是根据本实用新型实施例的作为可变有源电容的阻抗合成器的基本电路。

图2是根据本实用新型实施例的作为可变有源电感的阻抗合成器基本电路。

图3是根据本实用新型实施例的伴测电路工作原理图。

图4是具有伴测电路的阻抗合成器与LCR测量仪组成测量电路的示意图。

图5是本实用新型的合成可变有源标准电容的阻抗合成器电路图。

图6是本实用新型的合成可变有源标准电感的阻抗合成器电路图。

图7A和图7B是根据本实用新型实施例的等电位跟踪电路。

图8是有源可变阻抗合成器的结构图。

图9是有源可变阻抗合成器与四端对或五端测量法LCR测量仪的测量接线图。

图10是有源可变阻抗合成器与三端测量法LCR测量仪的测量接线图。

具体实施方式

以下先以合成电容和电感的阻抗合成器的基本电路来说明本实用新型的原理。

图1是一种合成电容的阻抗合成器基本电路，此电路包括运算放大器N1，电阻R1、电容C1以及可变电阻器Z2，它们以图中所示的方式连接。先假设图1运算放大器N1是理想的，第一端U_s接LCR测量仪的信号源和测量输入高端，第二端U₀₂接LCR测量仪的信号源和测量输入低端(即LCR测量仪的测量虚地端)，第三端V_GND是运算放大器的虚地端，根据比例运放的运算公式可得到如下等式：

U₀₁/U_s＝-(1/jωC₁)/R₁

U₀₁＝-U_s·(1/jωR₁C₁)

由于U₀₂是虚地端，则流过的作为负载的可变电阻器Z₂电流为：

I_O＝(U₀₁-U₀₂)/Z₂＝-U_s·(1/jωR₁C₁)/Z₂

得到有源阻抗U_s/I_O＝-jωR₁C₁Z₂

等效有源感抗X_L＝-jωR₁C₁·Z₂＝-jωL

由于负感抗即是正容抗，则有-jωL＝1/jωC

所以，有源电容C＝1/ω²L＝1/(ω²R₁C₁Z₂)

在10kHz、或100kHz、或1MHz的确定频率条件下，可设计成R₁＝1/ωC₁，设计成Z₂为纯电阻。

最终得到：有源电容C＝1/ωZ₂

公式C＝1/ωZ₂表明图1的有源电容容量大小在固定工作频率下仅与运算放大器N1的负载Z₂有关，二者成反比，也就是说改变纯电阻Z₂阻值即可改变有源电容容量值。Z₂阻值越大则有源电容容量越小，反之则有源电容容量越大。

图2是一种合成电感的阻抗合成器基本电路，此电路是在图1所示的电路的输入端前加入反相器电路，其中，第一反相器是由放大器N1、电阻R1和R2组成的，有源电容电路包括电阻R3、运算放大器N2、电容C1和可变电阻器Z4，它们以图中所示的方式连接。假定运算放大器N1和N2都是理想的，第一端U_s接LCR测量仪的信号源和测量输入高端，第二端U₀₃接LCR测量仪的信号源和测量输入低端(即虚地端)，第三端V_GND是有源电容运放的虚地端(低电位端)，根据比例运放的运算公式可得到如下等式：

U₀₁/U_s＝-R₂/R₁

U₀₁＝-U_s·R₂/R₁

U₀₂/U₀₁＝-(1/jωC₁)/R₃

U₀₂＝-U₀₁·(1/jωC₁·R₃)＝-(-U_s·R₂/R₁)·(1/jωC₁R₃)＝(U_s·R₂/R₁)·(1/jωC₁R₃)

由于U₀₃是虚地端，则流过的作为负载的第一可变电阻器Z₄电流为：

I_O＝(U₀₂-U₀₃)/Z₄＝(-U₀₁·(1/jωC₁R₃)/Z₄＝-U₀₁/(jωC₁R₃·Z₄)

＝-(-U_s·R₂/R₁)·(jωC₁R₃·Z₄)＝(U_s·R₂)/(jωR₁R₃C₁·Z₄)

当R₁＝R₂时，流过的负载Z₄电流I＝U_s/(jωR₃C₁·Z₄)

得到有源阻抗U_s/I_O＝jωR₃C₁Z₄

即等效有源感抗为X_L＝jωR₃C₁·Z₄＝jωL

所以有源电感L＝R₃C₁Z₄

在10kHz、或100kHz、或1MHz的确定频率条件下，可设计成R₃＝1/ωC₁，即L＝(1/ωC₁)·C₁·Z₄，设计成Z₄为纯电阻。

最终得到：有源电感L＝Z₄/ω

公式L＝Z₄/ω表明图2的有源电感量的大小在固定工作频率下仅与运算放大器N2的负载Z₄有关，二者成正比，也就是说改变纯电阻Z₄阻值即可改变有源电感量的值。Z₄阻值越大则有源电感量越大，反之则有源电感量越小。

在本实用新型中，凡是有输入端U_s和输出端U_o以及与U_o相连接的阻抗Z，而且Z的另一端连至虚地端∑(即电桥的指零点或运算器的输入相加节点)，则只要在U_s与∑点之间附加一个由运算放大器构成的伴测电路，就可以大大提高这段电路信号传递的准确性。

图3是根据本实用新型实施例的伴测电路工作原理图。此伴测电路包括第二运算放大器N2、第一阻抗Z1、第二阻抗Z2″、第三阻抗Z2和第二可变电阻器Z′，它们以图中所示的方式连接。此伴测电路由第一阻抗Z1连接所述第二运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端连接主运放电路(例如是上述的构成电容或电感的阻抗合成器)的第一端Us，通过第三阻抗Z2连接主运放电路输出端，此外，还通过可变电阻器Z′连接虚地端∑。主运放电路的负载(第一可变电阻器Z)连接Uo与虚地端∑。

在图3中，主运放电路的传递函数-H(jω)＝U_o/U_s为电压比例函数，用虚线连接的表明并不一定是直接变换关系。H(jω)一般可用阻抗比的形式来表达，其理想值可表示为Z₂/Z₁。

设实际值H(jω)与理想值Z₂/Z₁之间的关系为：

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{Z_2}{Z_1}(1+{\mathrm{\Δ}}_1)$

以及：Z₂′＝Z₂(1+Δ₂)，Z₁′＝Z₁(1+Δ₃)

并设运算放大器的环路增益为a_fA_f，则一阶微量被消去，残存误差都是Δ₁、Δ₂、Δ₃和的二阶以上的微量(可以被忽略)。

以LCR测量仪线路为例，把输入端U_s到虚地端∑这段电路延伸为LCR测量仪内的测量电路，并且为了便于推导，采用导纳来表示，其中Y_s为LCR测量仪中的量程导纳(取样电阻)，见图4所示：

设实际值H(jω)与理想值Z₂/Z₁＝Y₁/Y₂之间的关系为：

$H\left(\mathrm{j\ω}\right)=\frac{Y_1}{Y_2}(1+{{\mathrm{\δ}}_1}^{,})$

以及：Y′＝Y(1+δ′)，Y₂″＝Y₂(1+δ₂″)

并设运算放大器的开环增益为A，反馈系数：

$a_f=\frac{{Y_2}^{\′\′}}{Y_1+Y_2+{Y_2}^{\′\′}}$

${{\stackrel{\·}{u}}_0}^{\′}=[-\frac{Y_1}{{Y_2}^{\′\′}}{u}_0+\frac{Y_1}{{Y_2}^{\′\′}}(1+{{\mathrm{\δ}}_1}^{\′}){\stackrel{\·}{u}}_s][1-\frac{1}{1+a_f{A}_2}]$

∑求和点的电位 ${\stackrel{\·}{e}}_{\mathrm{\Σ}}=\frac{Y{u}_0+Y^{\′}{{\stackrel{\·}{u}}_0}^{\′}+Y_s{\stackrel{\·}{u}}_s}{Y+Y^{\′}+Y_s}$

$\frac{{\stackrel{\·}{e}}_{\mathrm{\Σ}}}{{\stackrel{\·}{u}}_s}(Y+Y^{\′}+Y_s)=-\frac{Y_{1}Y}{Y_2}(1+{{\mathrm{\δ}}_1}^{\′})+\frac{Y_1{Y}^{\′}}{{Y_2}^{\′\′}}{{\mathrm{\δ}}_1}^{\′}(1-\frac{1}{1+a_f{A}_2})+Y_s$

$=Y_s-\frac{Y_{1}Y}{Y_2}(1+{{\mathrm{\δ}}_1}^{\′})+\frac{Y_{1}Y(1+{\mathrm{\δ}}^{\′})}{Y_2(1+{{\mathrm{\δ}}_2}^{\′\′})}{{\mathrm{\δ}}_1}^{\′}(1-\frac{1}{1+a_f{A}_2})$

$=Y_s-\frac{Y_{1}Y}{Y_2}[1+{{\mathrm{\δ}}_1}^{\′}-{{\mathrm{\δ}}_1}^{\′}(1+{\mathrm{\δ}}^{\′}-{{\mathrm{\δ}}_2}^{\′\′}-\frac{1}{1+a_f{A}_2})]$

$\≈Y_s-\frac{Y_{1}Y}{Y_2}$

若虚地端电位 ${\stackrel{\·}{e}}_{\mathrm{\Σ}}=0,$ 则 $\frac{Y_s}{Y}=\frac{Y_1}{Y_2}.$

即Y_s/Y与H(jω)所选的理想值相等，很明显，如果不附加伴测电路，则只能与H(jω)的实际值相等。上面用了二阶以上的微量可以略去的假定，如每个微量都在2×10^-4左右，则从误差分析来看至少可以达到10^-7电路准确度，由此可见伴测电路可以很大程度提高电路的准确度。在此，可变电阻器Z′(Y′的倒数)起了Z(Y的倒数)伴测作用，为了准确测量可变Z，就需要同时有一个与其值相近的Z′。

伴测电路除了有此功能外，它还有一个重要作用就是可以消除负载影响。图1、图2电路的有源阻抗合成器会随着负载电阻箱或导纳箱(如图1中的Z₂和图2中的Z₄)的量值变化而产生负载效应。而应用伴测电路技术，在伴测电路负载接端接上一个与主电路负载相近的另一个十进值相关及多值相关的电阻箱或可加性导纳箱值，就能消除不同量值的负载效应，大大提高了测量过程中可加性传递的准确度。如，配以主副二个十进值相关及多值相关的电阻箱(在后描述)，达到了由个别高精度宽频标准值增加到包括十进值和非十进值相关在内的多值相关的标准值，使被检LCR测量仪测量点的覆盖面大大增加。

下面就说明加上伴测电路的有源阻抗合成器的电路。

图5的三端可变有源标准电容电路是在图1的电路基础上加上伴测电路组成。其中运算放大器N501作为第一运算放大器，电阻R501(即第一电阻)作为输入电阻，设其阻值为R1，电容C502(第一电容)作为反馈电容，设其阻值为C1，则R1＝1/ωC1，其中ω为电路的工作频率。端子H作为阻抗合成器的第一端，端子L作为阻抗合成器的第二端，端子V_GND作为虚地端，均连接LCR测量仪的测量端子。

由于本实用新型的三端可变有源标准电容工作频率可达1MHz，而精密运算放大器的工作频率都不是很高，工作在高频时有较大的运算误差，而且电路容易发生自激。例如，选择OP37型超低噪声精密运算放大器的开环电压增益典型值为124dB(DC)，增益带宽积典型值为63MHz，当该OP37工作在1MHz时，查阅该运算放大器的开环频率相应特性曲线得到其开环电压增益将降至40dB(1MHz)以下，也就是说，工作在频率1MHz下OP37的开环电压增益仅为100倍，从运放电路闭环增益的分析可推算出运算误差可达-1％，该运算误差不能满足精密运算放大器电路的设计要求。

为避免图5的第一和第二运算放大器N501和N502的电路可能发生高频振荡，本实用新型采用确定频率下提高运算放大器电路工作稳定性的方法，在主电路输入电阻器R501上串联了一只电容器C501和一只电感器L501，在反馈电容器C502上并联了一只电阻器R502。在这里，要注意增加的元件量值选择要确保运算放大器电路的阻抗变换运算功能及运算精度不能变，即电感器L501、电阻器R501、电容器C501串联后的阻抗模值与电容器C502、电阻器R502并联后的阻抗模值应相等，其中与电容器C501串联在一起的电感器L501可以起到微调相位的作用。更具体的细节请参考专利“确定频率下提高运算放大器电路稳定性的方法”(ZL01105505.7)。此外，在所有运算放大器的输出端都连接了RC高通滤波器(如R503、C503和R506、C507)接滤波地(F_GND)，以防止电路发生高频振荡，提高了电路的工作稳定性。

图5的伴测电路与主电路的电路参数接近，具体地说，主电路的输出信号通过作为第三阻抗的电容器C507耦合到伴测电路的第二运算放大器N502的输入端。根据对上述图4的伴测电路的分析，设计成图5的作为第三阻抗的耦合电容C507与伴测电路的第二运算放大器N502的作为第二阻抗的反馈电容C505容量相等；伴测电路的负载电阻箱或导纳箱(Z₂)(第二可变电阻器)的阻值与主电路的负载电阻箱或导纳箱(Z₁)(第一可变电阻器)的阻值相等，其中，Z₁改变不同的阻值时，Z₂是需要同步切换的。

可以推算得到图5有源标准电容器的容量C＝1/ωZ₁，表明有源标准电容容量大小在确定工作频率下仅与阻抗变换电路的负载Z₁有关，二者成反比。也就是说，改变纯电阻Z₁阻值(同步改变纯电阻Z₂阻值)即可改变有源电容容量值，Z₁阻值越大则有源电容容量越小，反之则有源电容容量越大。

图6的三端可变有源标准电感电路是在图2的电路基础上加上伴测电路组成。其中，伴测电路具有与电感电路相同的反相器电路。运算放大器N602作为第一运算放大器，电阻R604(即第一电阻)作为输入电阻，设其阻值为R1，电容C605(第一电容)作为反馈电容，设其阻值为C1，则R1＝1/ωC1，其中ω为电路的工作频率。端子H作为阻抗合成器的第一端，端子L作为阻抗合成器的第二端，端子V_GND作为虚地端，均连接LCR测量仪的测量端子。

同上面所述，工作在频率1MHz下放大器0P37的开环电压增益不超过100倍，所以三端可变有源标准电感工作在高频时的运算误差也是不能忽视的。为避免图7的运算放大器N601～N604电路可能发生的高频振荡，本实用新型同样采用确定频率下提高运算放大器电路工作稳定性的方法。在主电路输入电阻器R601上串联了一只电容器C601，在反馈电阻器R602上并联了一只电容器C602，在输入电阻器R604上串联了一只电容器C604和电感器L601，在反馈电容器C605上并联了一只电阻器R605，其中与电容器C604串联在一起的电感器L601起到微调相位的作用；在伴测电路输入电阻器R608上串联了一只电容器C608，在反馈电阻器R609上并联了一只电容器C609，在输入电阻器R612上串联了一只电容器C613，在反馈电容器C614上并联了一只电阻器R613；在所有运算放大器的输出端都连接了一个RC高通滤波器接滤波地(F_GND)，提高了电路的工作稳定性。主电路运算放大器N601的输出信号通过电阻器R607和串接的电容器C504耦合到伴测电路运算放大器N603的输入端，主电路运算放大器N602的输出信号通过电容器C611耦合到伴测电路运算放大器N604的输入端。

根据上述图4伴测电路的分析，设计图6的耦合电容C611(第三阻抗)与伴测电路的第二运算放大器的反馈电容C614(第二阻抗)容量相等；伴测电路的负载电阻箱或导纳箱(Z₂)(第二可变电阻器)的阻值也与主电路的负载电阻箱或导纳箱(Z₁)(第一可变电阻器)阻值相等，其中，Z₁改变不同的阻值时，Z₂是需要同步切换的。

可以推算得到图6有源标准电感器的电感量L＝Z₄/ω，表明图6有源电感量的大小在确定工作频率下仅与阻抗变换电路的负载Z₁有关，二者成正比。也就是说，改变纯电阻Z₁阻值即可改变有源电感量的值，Z₁阻值越大则有源电感量越大，反之则有源电感量越小。

在四端对测量法的LCR测量仪中采用了自平衡桥路，测量连接端子是采用BNC型插头插座连接的，BNC连接头的外壳用于连接测量线的屏蔽层而不是连接机壳地或大地。四端对测量法结构特点是BNC型插头插座外壳的导体也是不平衡测量信号电流的回路，以补偿在频率较高时流过被测件DUT的电流与流过I-V运算放大器反馈电阻的电流不相等引起的测量误差。因此，四端对方法能使寄生电容和残余电感在测量负载时减少到最小，以保证最好的测量精度。

但是，由于有源阻抗标准与LCR测量仪连接线的位置不固定、有源阻抗标准内部连接线存在的分布参数影响及有源阻抗标准印制电路板布线存在的分布参数影响，在四端对测量时使BNC型插头插座外壳与运算放大器虚地(V_GND)不是同一电位，LCR测量仪的机壳地(G_GND)与运算放大器虚地(V_GND)不是同一电位，与测量仪机壳地(G_GND)连接的测量线屏蔽层与运算放大器虚地(V_GND)也不是同一电位，各地连接点之间或屏蔽层对各连接线有泄漏电流流过，影响了有源阻抗标准的准确性。同理，在三端测量或五端测量时，LCR测量仪的机壳地(G_GND)与运算放大器虚地(V_GND)不是同一电位，与测量仪机壳地(G_GND)连接的测量线屏蔽层与运算放大器虚地(V_GND)也不是同一电位，各地连接点之间或屏蔽层对各连接线也有泄漏电流流过，影响了有源阻抗标准的准确性。

对此，本实用新型采用一种图7A和图7B所示的等电位跟踪电路解决方案：即四端对测量时，如图7A所示，在有源阻抗合成器的BNC插座外壳接入一个由运算放大器N1构成的电压跟随器电路，跟随器N1的输出接其他运算放大器的虚地，如图1～图3所示的运算放大器的虚地端(V_GND)，进行等电位跟踪。所谓等电位跟踪是指各虚地端之间与屏蔽外壳等电位，但它们又不是直接连接。

同样地，如图7B所示，在有源阻抗合成器与LCR测量仪机壳地(G_GND)的连接点也接入一个由运算放大器N2构成的电压跟随器电路，跟随器N2的输出接其他运算放大器的虚地端(V_GND)，进行等电位跟踪。

同理，三端测量或五端测量时，也可以在有源阻抗合成器与LCR测量仪机壳地(G_GND)的连接点接入一个由运算放大器构成的电压跟随器电路，跟随器的输出接运算放大器的虚地端(V_GND)，进行等电位跟踪。

等电位跟踪电路解决方案的实施，使各种地连接点之间及屏蔽层对各连接之间因为电位相等而没有电流或只有很小的泄漏电流流过，以达到消除有源阻抗合成器各种杂散分布参数的影响，提高了有源阻抗合成器的运算准确性。

图8示出具有上述的有源电容或电感基本电路、伴测电路和等电位跟踪电路的有源标准阻抗合成器结构图。如图8所示，每一个具有屏蔽功能的有源标准阻抗合成器100的箱体101的内部设计有由图5或图6所示电路图所制作的有源标准电路板110、主电路负载电阻箱Z₁和伴测电路负载电阻箱Z₂，并置于有源标准箱内部三个独立的屏蔽盒内，在每一种确定频率下制作成一个电容/电感标准装置。图8中左上方是5个接线端子，其中Hc、Hp、Lp、Lc采用BNC连接件，BNC接头的外壳及GND连接端分别与有源标准电路板110中的等电位跟踪电路(参照图7A和图7B所示)的运算放大器输入端连接。主电路负载Z1与伴测电路负载Z2在图8中画的4只电阻只是示意，可根据测量点的需要增加或减少电阻。开关SW1和SW2都闭合时，Z1和Z2与有源标准电路板110连接，同步调节Z1和Z2可改变有源阻抗合成器所合成的电容或电感的值大小。可使开关SW1和SW2都断开，则与有源标准电路板110连接的主电路负载Z1与伴测电路负载Z2各有二个H接线端和L接线端与外部的可变电阻负载连接，同步调节外部的Z1和Z2同样可以改变有源标准的值大小。为使被检LCR测量仪测量点多、稳定性强，Z1和Z2可以配置十进值相关及多值相关的电阻装置或可加性导纳箱。

图9是有源标准阻抗合成器100与四端对或五端测量法LCR测量仪200的测量接线图，图中示出上述的五个测量端子Hc、Hp、Lp、Lc和GND分别与四端对或五端测量法LCR测量仪200(如Agilent 4284A LCR测量仪)对应的五个测量端子连接，根据有源标准的工作频率，设置LCR测量仪的测试频率，即可进行测量。

图10是有源标准阻抗合成器100与三端测量法LCR测量仪300的测量接线图。将有源标准阻抗合成器100的Hc、Hp、Lp、Lc四个测量端子通过转换器400转换成H、L二个测量端子分别与三端测量法的LCR测量仪300(如AH2700精密电容电桥)对应的H、L二个测量端子连接，有源标准阻抗合成器100的GND与该LCR测量仪的GND直接连接。转换器的内部是将Hc、Hp端与H端短接，将Lp、Lc端与L端短接，实现四/二端的转换功能。根据有源标准阻抗合成器100的工作频率，设置LCR测量仪的测试频率，即可进行测量。

经实验及测试验证，本实用新型的高精度宽频有源电容/电感可变的阻抗合成装置可达到很高的精度，在10kHz时不确定度达1×10^-4，在100kHz时不确定度达2×10^-4，在1MHz时不确定度达5×10^-4。能基本满足用户对0.05级～0.1级的宽频LCR元件及参数的测量及计量需求。

虽然本实用新型已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本实用新型，如本实用新型还可以应用于制作高精度宽频有源电阻的可变阻抗合成装置。任何本领域技术人员，在不脱离本实用新型的精神和范围内，当可作些许的修改和完善，因此本实用新型的保护范围当以权利要求书所界定的为准。

Claims (10)

1.一种有源可变阻抗合成器，适于合成一定范围的电容，其特征在于，所述阻抗合成器包括有源电容电路和伴测电路，其中：

所述有源电容电路具有第一端、第二端和第三端，其包括第一运算放大器、第一电阻、第一电容和第一可变电阻器，所述第一运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端连接所述第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接所述有源电容电路的第一端，所述第二输入端连接所述有源电容电路的第三端，且所述第三端为低电位端；所述输出端连接所述第一可变电阻器的一端，第一可变电阻器的另一端连接所述有源电容电路的第二端；所述第一电容跨接在所述第一运算放大器的第一输入端与输出端之间；

所述伴测电路包括第二运算放大器、第一阻抗、第二阻抗、第三阻抗和第二可变电阻器，所述第二运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端连接所述第一阻抗的一端，第一阻抗的另一端连接所述有源电容电路的第一端，所述第二输入端连接一低电位端，所述第二阻抗跨接在所述第二运算放大器的第一输入端与输出端之间；所述第三阻抗一端连接所述第二运算放大器的第一输入端，另一端连接所述第一运算放大器的输出端；所述第二可变电阻器一端连接所述第二运算放大器的输出端，另一端连接所述有源电容电路的第二端。

2.如权利要求1所述的阻抗合成器，其特征在于，所述第一电阻的阻值R和所述第一电容的电容值C满足：RC＝1/ω，其中ω为所述有源电容电路的工作频率。

3.如权利要求1所述的阻抗合成器，其特征在于，所述伴测电路的第三阻抗与第二阻抗的值相等。

4.如权利要求1所述的阻抗合成器，其特征在于，所述第二可变电阻器的阻值是依据所述第一可变电阻器的阻值而同步调节。

5.如权利要求1所述的阻抗合成器，其特征在于，所述阻抗合成器具有一屏蔽外壳，其通过电压跟随器连接至所述第一、第二运算放大器的第二输入端所连接的低电位端。

6.一种有源可变阻抗合成器，适于合成一定范围的电感，其特征在于，所述阻抗合成器包括有源电感电路和伴测电路，其中：

所述有源电感电路具有第一端、第二端和第三端，其包括第一反相器、第一运算放大器、第一电阻、第一电容和第一可变电阻器，其中第一反相器的输入端连接所述有源电感电路的第一端；所述第一运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，其中所述第一输入端连接所述第一电阻的一端，第一电阻的另一端连接所述第一反相器的输出端，所述第二输入端连接所述有源电感电路的第三端，且所述第三端为低电位端，所述第一运算放大器输出端连接所述第一可变电阻器的一端，第一可变电阻器的另一端连接所述有源电感电路的第二端；所述第一电容跨接在所述第一运算放大器的第一输入端与输出端之间；

所述伴测电路包括第二反相器、第二运算放大器、第一阻抗、第二阻抗、第三阻抗和第二可变电阻器，其中第二反相器的输入端连接所述有源电感电路的第一端；所述第二运算放大器具有第一输入端、第二输入端和输出端，所述第一输入端连接所述第一阻抗的一端，第一阻抗的另一端连接所述第二反相器的输出端，所述第二输入端连接一低电位端，所述第二阻抗跨接在所述第二运算放大器的第一输入端与输出端之间；所述第三阻抗一端连接所述第二运算放大器的第一输入端，另一端连接所述第一运算放大器的输出端；所述第二可变电阻器一端连接所述第二运算放大器的输出端，另一端连接所述有源电感电路的第二端。

7.如权利要求6所述的阻抗合成器，其特征在于，所述第一电阻的阻值R和所述第一电容的电容值C满足：RC＝1/ω，其中ω为所述有源电感电路的工作频率。

8.如权利要求6所述的阻抗合成器，其特征在于，所述第二反相器和所述第一反相器的结构对称，所述伴测电路的第三阻抗与所述第二阻抗相等。

9.如权利要求6所述的阻抗合成器，其特征在于，所述第二可变电阻器的阻值是依据所述第一可变电阻器的阻值而同步调节。

10.如权利要求6所述的阻抗合成器，其特征在于，所述阻抗合成器具有一屏蔽外壳，其通过电压跟随器连接至所述第一、第二运算放大器的第二输入端所连接的低电位端。

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