CN206489218U

CN206489218U - 一种网络阻抗测试仪

Info

Publication number: CN206489218U
Application number: CN201621344226.4U
Authority: CN
Inventors: 李国建; 蔡佳琪; 王义军; 苏天水; 张光耀; 王鑫
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2016-12-09
Filing date: 2016-12-09
Publication date: 2017-09-12
Anticipated expiration: 2026-12-09

Abstract

本实用新型涉及的是一种网络阻抗测试仪，包括信号发生模块、信息处理模块、人机交互模块、I/V转换模块、量程选择模块、两路幅度测量模块、相敏检波模块和电源供应模块；信号发生模块由信息处理模块控制产生正弦波。正弦波分为三条电路，一路经一幅度测量电路连接至信息处理模块，一路连接至相敏检波模块，一路则通过一端口无源网络得到一个待测信号；待测信号经I/V转换模块转换后分为两路，一路连接至相敏检波模块，另一路则经另一幅度测量模块连接至信息处理模块的输入端；信息处理模块控制量程选择模块的增益大小。本实用新型能够实现对一端口网络的阻抗模、阻抗角的准确测量，测量误差的绝对值小于理论计算值的5%。

Description

一种网络阻抗测试仪

技术领域

本发明涉及阻抗测试仪，尤其涉及的是一种网络阻抗测试仪。

背景技术

电子信息行业的产品研发以及生产，测量电子、电气元器件的各项参数是必需的，如阻抗、相角、电感、电容、损耗因子、品质因素等等。阻抗测量是电子测量的五大领域之一，电子测量是电子信息产业的基础。阻抗测量不仅是电子测量领域的重要内容，而且通过对阻抗的测量，一般可以间接的实现对电子元器件其他参数的快速准确的推导和换算；对阻抗的测量还可以间接实现对一些物理量的测量，例如压力、温度、流量、液位等等。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种能够实现对端口网络的阻抗模|Z|、阻抗角φ的准确测量，测量误差的绝对值小于理论计算值的5％，具有良好人机交互界面的网络阻抗测试仪。

为实现上述目的，本发明的技术解决方案是：一种网络阻抗测试仪，包括多个模块，分别为信号发生模块、信息处理模块、人机交互模块、I/V转换模块、量程选择模块、两路幅度测量模块、相敏检波模块和电源供应模块；信息处理模块与人机交互模块互连；信号发生模块由信息处理模块控制产生正弦波；正弦波分为三条电路，一路经一幅度测量电路连接至信息处理模块的输入端，一路连接至相敏检波模块的一个输入端，一路则通过一端口无源网络得到一个待测信号；待测信号经I/V转换模块转换后分为两路，一路连接至相敏检波模块的另一输入端，另一路则经另一幅度测量模块连接至信息处理模块的输入端；信息处理模块控制量程选择模块的增益大小；信息处理模块还用于采集并处理得到阻抗模和阻抗角，再根据阻抗模和阻抗角判断一端口无源网络的结构、以及组成该结构的元件类型和参数。

优选的，信号发生模块主要由DDS正弦波发生电路、椭圆低通滤波电路和信号放大电路构成。

优选的，相敏检波模块包括两路并联的过零比较电路和一鉴相器电路，一过零比较电路的输入端与信号发生模块的输出端连接，另一过零比较电路的输入端与量程选择电路的输出端连接。

优选的，信息处理模块为单片机MSP430。

优选的，DDS正弦波发生电路采用AD9850作为频率合成器，DDS正弦波发生电路经一椭圆低通滤波电路连接至信号放大电路的输入端；信号放大电路主要由放大器OP07和调节电位器R37构成。

优选的，I/V转换模块主要由运算放大芯片OPA320和负反馈电阻R36构成，负反馈电阻R36为金属薄膜精密电阻。

优选的，量程选择模块由DA模块和程控放大电路组成，DA模块包括数模转换器TLC7528，程控放大电路包括增益放大器VCA810；信息处理模块发出信息先经DA模块数模转换再发送至程控放大电路，通过人机交互模块控制放大倍数。

优选的，幅度测量电路主要由真有效值直流转换芯片AD637、调节电阻R14、调节电阻R7、保护电阻R6和平均电容C2构成。

优选的，过零比较电路主要由比较器TL3016构成，鉴相器电路包括异或门74HC86和低通滤波电路。

优选的，人机交互模块包括键盘和显示屏。

通过采用上述的技术方案，本发明的有益效果是：本发明能够实现对一端口网络的阻抗模|Z|、阻抗角φ的准确测量，而且测量误差的绝对值小于理论计算值的5％。同时判断被测一端口网络的结构，以及一端口网络中各元件的类型和参数。

本发明以MSP430F149单片机为控制和信息处理核心，利用最新的频率合成技术DDS，通过程序控制产生频率为1kHz～200kHz的正弦波信号，经过椭圆低通滤波器滤除杂波，再通过放大器OP07组成的放大电路使信号放大为2V；低噪声精密运算放大芯片 OPA320用于I/V变换电路，宽带程控高增益放大器VCA810用于量程选择电路；高精度有效值转换芯片AD637用于峰值检波电路；高速比较器TL3016和高速异或门74HC86用于相敏检测电路；4×4矩阵键盘和12864液晶显示器作为人机交互界面。采用频率合成技术 DDS，它相对于其他信号发生电路，具有频率准确，频率分辨率高，易于控制等特点。量程选择电路采用VCA810，具有硬件电路简单、易于程序控制等特点。AD采集模块采用 MSP430自带的12位AD，具有精度高、转换速率快等优点。有效值转换芯片AD637测量误差小、频带宽，用于峰值检波电路，具有电路简单、精度高、适用范围广等特点。实验结果表明，该设计具有成本低、可靠性高、测量精度高、自动切换档位和测试频率、使用方便等特点，非常适用于对一端口网络的阻抗分析，通过对阻抗的测量，一般可以间接地实现对电子元器件的其他参数快速准确的推导和换算；还可以间接实现对一些物理量的测量，例如压力、温度、流量、液位等等，因此该设计具有较强的市场竞争力和较好的应用前景。

附图说明

图1为本发明的原理框架图；

图2为DDS正弦波发生电路图；

图3为椭圆低通滤波电路图；

图4为信号放大电路图；

图5为I/V转换电路图；

图6为程控放大电路图；

图7为幅度测量电路；

图8为相敏检波模块的电路图；

图9为低通滤波电路。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来进一步说明本发明。

如图1所示，网络阻抗测试仪，包括信号发生模块1、信息处理模块2、人机交互模块3、I/V转换模块4、量程选择模块5、两路幅度测量模块6、相敏检波模块7和电源供应模块8。信息处理模块2与人机交互模块互连3；信号发生模块1由信息处理模块2控制产生正弦波；正弦波分为三条电路，一路经一幅度测量电路6连接至信息处理模块2的输入端，一路连接至相敏检波模块7的一个输入端，一路则通过一端口无源网络9得到一个待测信号；待测信号经I/V转换模块4转换后分为两路，一路连接至相敏检波模块7的另一输入端，另一路则经另一幅度测量模块6连接至信息处理模块2的输入端。信息处理模块2还用于采集并处理得到阻抗模和阻抗角，再根据阻抗模和阻抗角判断一端口无源网络的结构、以及组成该结构的元件类型和参数。

所述信息处理模块2采用单片机MSP430，由8MHZ的晶振为其提供工作所需要的时钟信号。MSP430是德州公司新开发的一类具有16位总线的带FLASH的单片机，外设和内存统一编址，寻址范围可达64K，还可以外扩展存储器，有统一的中断管理，具有丰富的片上外围模块，片内有精密硬件乘法器、两个16位定时器、一个14路的12位的模数转换器、一个看门狗、6路P口、两路USART通信端口、一个比较器、一个DCO内部振荡器和两个外部时钟，支持8M的时钟，可以在超低功耗模式下工作，对环境和人体的辐射小，测量结果为100mw左右的功耗(电流为14mA左右)，可靠性能好，加强电干扰运行不受影响。

如图1所示，信号发生模块1主要由DDS正弦波发生电路12、椭圆低通滤波电路和信号放大电路11构成。如图2所示，DDS正弦波发生电路12以频率合成器AD9850作为电路核心，外接一个Rset电阻。AD9850可产生一个频谱纯净、频率和相位都可编程控制的模拟正弦波，该正弦波可直接用作频率信号源或转换成方波用作时钟输出。AD9850接口控制简单，可以用8位并行口或串行口经频率控制字、相位等控制数据。AD9850功耗少，在 3.3V供电时，功耗仅为155mW。AD9850采用32位相位累加器，截断成14位，输入正弦查询表，查询表输出截断成10位，输入到DAC。DDS有一个明显的缺点，输出频率越接近 Nyquist带宽的高端，采样点数越少，其输出的杂散干扰就越大。考虑到本测试仪的需要，作为激励源的输入信号必须为平滑的波形，且谐波和噪声的影响越小越好，因此DDS正弦波发生电路12和信号放大电路11之间加上椭圆低通滤波电路。如图3所示，椭圆低通滤波电路主要由三组LC电路串联而成，分别由电感L1和电容C2并联的LC电路，电感L2和电容C4并联的LC电路，电感L3和电容C6并联的LC电路；相邻LC电路之间还连接有滤波电容C1、电容C3、电容C5和电容C7。如图4所示，信号放大电路11包括放大器 OP07和调节电位器R37。放大器OP07是一种低噪声和非斩波稳零的双极性集成运算放大器电路，具有低输入偏置电流(OP07输入偏置电流为±2nA)和高开环增益(OP07开环增益为300V/mV)，同时还具有非常低的输入失调电压(OP07最大的输入失调电压为25μ V)等特点。调节电位器R37作为负反馈电阻，与放大器OP07的负输入电阻R36组成一个线性放大倍数可调的运算放大器，放大器OP07的放大倍数为1～50倍，通过调节电位器 R37将放大器OP07调节到一个合理的放大倍数。

如图5所示，I/V转换模块4包括运算放大芯片OPA320和负反馈电阻R36。OPA320 是一种低噪声精密低功耗零交越失真的运算放大芯片。低失调电压：(最大150μV)；低输入失调电流：(最大0.9pA)；低噪声：带宽:20MHz，静态电流只有1.45mA。的低噪声，也使他们非常适合模数转换器(ADC)。OPA320宽电源电压范围从 1.8V到5.5V，在整个电源电压范围内具有优良的PSRR(106dB)，适合用于精密、低功耗的应用。负反馈电阻R36采用的是金属薄膜精密电阻(10Ω+0.01％)，提高了转换的精度。

量程选择模块5的增益大小由信息处理模块2控制，而信息处理模块2发出控制信号为数字信号，先将数字信号转换为模拟信号有利于控制增益大小，因此量程选择模块5由DA模块和程控放大电路组成，即DA模块连接于程控放大电路和信息处理模块2之间。DA 模块包括数模转换器TLC7528，TLC7528可以工作于电压方式，价格适中，功耗较小(小于15mW)，在仪器仪表中有较为广泛的应用。如图6所示，程控放大电路包括增益放大器VCA810；其增益大小和控制电压呈线性关系；直流耦合、宽带、连续可变电压控制增益放大器。它提供了差分输入单端输出转换，在-40dB至+40dB的增益范围内成dB/V的线性变化。具有较大的增益控制带宽：25MHz；低输出直流误差：<±40mv。拥有出色的共模抑制，低输入噪声电压确保在最高增益设置好输出信噪比。电容C3、C4、 C5、C6为滤波电容。信息处理模块2发出的数字信号先经模块5转换为模拟信号，再连接至输入接口JP5。

如图7所示，幅度测量电路包括真有效值直流转换芯片AD637、调节电阻R14、调节电阻R7、保护电阻R6和平均C2电容构成。AD637是AD公司生产的一款真有效值直流转换芯片，可以计算各种复杂波形的真有效值，可测量的输入信号的有效值可达7V。此外，AD637通过片选(CS)作用，可以使静态电流从2.2mA降到350μA，因此在数据采集和仪表设计方面有广泛的应用。R14和R7都是调节电阻，减小测量结果的非线性误差；电压信号经过保护电阻R6输入；C2为平均电容，它是AD637关键外围元件，用于增加稳定时间，延长测量时间。

如图1所示，相敏检波模块7包括两路并联的过零比较电路71和一鉴相器72，一过零比较电路71的输入端源自于信号发生模块1的输出端，另一过零比较电路71的输入端源自于量程选择电路5的输出端。如图8所示，过零比较电路71主要由比较器TL3016构成，TL3016是超快低功耗精密比较器，是一个比较直接的接口设计与TTL逻辑，同时，无论是从单一的5V电源或双±5V电源工作，它具有极其严格的失调电压和高精密设备的增益；传播延迟时间只有7.6ns。鉴相器72主要由异或门74HC86和低通滤波器构成， 74HC86是一款高速CMOS器件，引脚兼容低功耗肖特基TTL(LSTTL)系列；传输延迟时间：11ns@5V；包含四路异或门，可以实现“异或门”鉴相器的功能。经过鉴相器鉴相之后得到的为脉冲信号，因此需要先通过低通滤波电路取出直流分量后，再送入信息处理模块2 的进行AD数据采集。如图9所示，低通滤波电路由两节RC滤波电路和同相比例放大电路器0P07组成，截止频率为1KHz。两节RC滤波电路包括：电阻R33和电容C10构成的RC 滤波电路，以及电阻R25和电容C9构成的RC滤波电路。

人机交互模块3包括键盘31和显示屏32。为了显示更人性化和美观化，显示屏32选择MzLH04-12864液晶模块，自带两种字号的汉字库(包含一、二级汉字库)以及两种字号的ASCII码西文字库；并且自带基本绘图功能，包括画点、画直线、矩形、圆形等；此外该模块特色的地方就是还自带有直接数字显示。模组为串行SPI接口，接口简单、操作方便，与各种MCU进行方便简单的接口操作。为使用户使用界面尽量简洁，以及对功能的拓展，键盘采用4×4矩阵键盘，通过按键复用来实现量程选择、信号源频率设置等多种功能。

由于市电为220V交流供电，而单片机和外围电路系统的工作电压为直流5V；放大器OP07采用双电源，采用12V和负12V；功率放大器采用双电源，采用18V和负18V；因此本发明还设计了可以产生5V、12V、18V、-12V、-18V的直流电源。每路电源由变压器、整流电路、滤波模块和稳压电路组成。

以上所述的，仅为本发明的较佳实施例而已，不能限定本发明实施的范围，凡是依本发明申请专利范围所作的均等变化与装饰，皆应仍属于本发明涵盖的范围内。

Claims

1.一种网络阻抗测试仪，其特征在于，包括多个模块，分别为信号发生模块、信息处理模块、人机交互模块、I/V转换模块、量程选择模块、两路幅度测量模块、相敏检波模块和电源供应模块；信息处理模块与人机交互模块互连；信号发生模块由信息处理模块控制产生正弦波；正弦波分为三条电路，一路经一幅度测量电路连接至信息处理模块的输入端，一路连接至相敏检波模块的一个输入端，一路则通过一端口无源网络得到一个待测信号；待测信号经I/V转换模块转换后分为两路，一路连接至相敏检波模块的另一输入端，另一路则经另一幅度测量模块连接至信息处理模块的输入端；信息处理模块控制量程选择模块的增益大小；信息处理模块还用于采集并处理得到阻抗模和阻抗角，再根据阻抗模和阻抗角判断一端口无源网络的结构、以及组成该结构的元件类型和参数。

2.根据权利要求1所述网络阻抗测试仪，其特征在于，信号发生模块主要由DDS正弦波发生电路、椭圆低通滤波电路和信号放大电路构成。

3.根据权利要求1所述网络阻抗测试仪，其特征在于，相敏检波模块包括两路并联的过零比较电路和一鉴相器电路，一过零比较电路的输入端与信号发生模块的输出端连接，另一过零比较电路的输入端与量程选择电路的输出端连接。

4.根据权利要求1所述网络阻抗测试仪，其特征在于，信息处理模块为单片机MSP430。

5.根据权利要求2所述网络阻抗测试仪，其特征在于，DDS正弦波发生电路采用AD9850作为频率合成器，DDS正弦波发生电路经一椭圆低通滤波电路连接至信号放大电路的输入端；信号放大电路主要由放大器OP07和调节电位器R37构成。

6.根据权利要求1所述网络阻抗测试仪，其特征在于，I/V转换模块主要由运算放大芯片OPA320和负反馈电阻R36构成，负反馈电阻R36为金属薄膜精密电阻。

7.根据权利要求1所述网络阻抗测试仪，其特征在于，量程选择模块由DA模块和程控放大电路组成，DA模块包括数模转换器TLC7528，程控放大电路包括增益放大器VCA810；信息处理模块发出信息先经DA模块数模转换再发送至程控放大电路，通过人机交互模块控制放大倍数。

8.根据权利要求1所述网络阻抗测试仪，其特征在于，幅度测量电路主要由真有效值直流转换芯片AD637、调节电阻R14、调节电阻R7、保护电阻R6和平均电容C2构成。

9.根据权利要求3所述网络阻抗测试仪，其特征在于，过零比较电路主要由比较器TL3016构成，鉴相器电路包括异或门74HC86和低通滤波电路。

10.根据权利要求1所述网络阻抗测试仪，其特征在于，人机交互模块包括键盘和显示屏。