CN211528539U - 一种测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开并提供了一种效率高、集成度高、体积小、易扩展的测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置。本实用新型包括阻抗变换和网络分析电路（1）、控制器（2）以及数据存储电路（3），阻抗变换和网络分析电路的输入端连接被测设备或元件，输出端连接控制器的输入端，控制器的输出适配连接数据存储电路，阻抗变换和网络分析电路在控制器的作用下完成对被测设备或元件的阻抗变换和网络分析，控制器包括微控制器芯片（U3）、I2C总线、SPI总线及USB接口，数据存储电路包括EERPOM存储芯片（U4），微控制器芯片通过I2C总线向EERPOM存储芯片读写数据。本实用新型可应用于电子电器产品或设备的阻抗测试领域。

Description

一种测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置

技术领域

本实用新型涉及电子电器产品或设备的阻抗测试领域，尤其涉及一种测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置。

背景技术

电阻、电容、电感是电子产品中最常见的元器件，它们贴片是否良好，参数是否正确，对电路的功能和性能有很大影响。为了保证电子产品的性能，电阻、电容、电感的阻抗测量一直是IQC/ICT/FCT设备中不可缺少的组成部分。

近几年无线充电产品逐渐开始流行，其内部谐振电路、FSK电路、ASK电路的核心元件是电感和电容，对这些电感、电容的阻抗分析和测量，是确保无线充电产品性能的关键环节。此外，随着电容、电感类传感器的发展，现在越来越多的位移传感器、压力传感器、接近传感器、电化学传感器、生物电传感器、材料分析传感器都采用电容、电感来表征，这就需求更多的阻抗测量方案来分析阻抗特性或参数，从而得出准确结果。

现有技术中通常采用下列方式方法实施上述测量：

1、使用LCR表，如Keysight E4980A来完成阻抗测量；

2、使用网络分析仪，如Keysight E5072A来完成阻抗分析和测量；

3、使用专用的电化学、生物电、材料分析仪器中带有的阻抗分析和测量模块。

但这些方式方法均存在以下缺点：标准LCR表/网络分析仪/专用分析仪成本高，价格动辄几万甚至十几万，很难在批量生产的设备/平台中广泛应用；标准LCR表/网络分析仪/专用分析仪测试效率低，通过GPIB/USB/TCP和上位机通信，测量一个阻抗至少需要1S或以上；标准LCR表/网络分析仪/专用分析仪体积大，集成度低，不适合在电子产品测试设备中使用；专用分析仪是为某一类传感器定制开发的，通用性能低。

综上所述，研发一种成本低、效率高、集成度高、体积小、易扩展、精度高的阻抗测量装置用于替代标准LCR表/网络分析仪，解决LCR表/网络分析仪成本高、测试效率低、体积大集成困难等问题，从而广泛应用于电子测试/测量设备中，做到准确测量阻抗参数，保证产品质量显得很有必要。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足,提供一种效率高、集成度高、体积小、易扩展的测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置。

本实用新型所采用的技术方案是：本实用新型包括阻抗变换和网络分析电路、控制器以及数据存储电路，所述阻抗变换和网络分析电路的输入端连接被测设备或元件，所述阻抗变换和网络分析电路的输出端连接所述控制器的输入端，所述控制器的输出适配连接所述数据存储电路，所述阻抗变换和网络分析电路在所述控制器的作用下完成对被测设备或元件的阻抗变换和网络分析，所述控制器包括微控制器芯片、I2C总线、SPI总线及USB接口，所述数据存储电路包括EERPOM存储芯片，所述微控制器芯片通过I2C总线向所述EERPOM存储芯片读写数据，完成阻抗测量校准参数的存储和调用。

进一步地，它还包括上位机和液晶显示屏，所述上位机通过USB线与所述控制器信号连接，所述液晶显示屏通过所述SPI总线与所述控制器信号连接。

再进一步地，所述阻抗变换和网络分析电路包括阻抗匹配电路、模拟前端电路、阻抗转换器和时钟电路，所述阻抗匹配电路包括串联后并接在被测设备或元件的待测阻抗的两端的第一电容、第二电容和第三电容，所述模拟前端电路包括带偏置的反向放大电路、电压跟随电路以及由第七电容、第七电阻和第八电阻组成的隔直电路，所述反向放大电路、所述隔直电路和所述电压跟随电路依次连接并并联再所述待测阻抗的两端，所述反向放大电路和所述隔直电路之间设置有连接点与所述阻抗转换器连接，所述时钟电路与所述阻抗转换器的EXT_CLK引脚连接。

具体地，所述微控制器芯片的型号为CY7C68013。

所述阻抗转换器的型号为AD5933。

所述上位机为计算机。

本实用新型的有益效果是：本实用新型中，通过控制器对阻抗变换和网络分析电路进行控制，实现阻抗变换和网络分析，并将结果存放在寄存器中，等待控制器读取调用；控制器通过I2C总线控制阻抗变换和网络分析电路产生特定频率和幅值的正弦波信号加载到被测设备或元件上进行阻抗测量，再通过I2C总线读取阻抗变换和网络分析电路测得的电容和电感值结果，再读取数据存储电路中的校准数据，对测量结果进行修正，进而保证测量结果的精度；且通过阻抗变换和网络分析电路、控制器以及数据存储电路的配合，大大降低了设备的体积，也提高了集成度，而控制器通过微控制器芯片、I2C总线、SPI总线及USB接口的设置，大大地提高了设备的可扩展性；通过控制器的配合，可实现快速测量，大大地提高了测量效率；与现有技术需采用标准LCR表等昂贵仪器相比，本实用新型大大地降低了成本。

进一步地，通过上位机和液晶显示屏的设置，通过上位机可以快速地与控制器进行通信，实现人机交互，且对测量结果进行自动化分析和结果存储，提高了自动化程度和测量效率，也为后续的维护提供可追溯查询；而液晶显示屏则更利于操作人员对装置进行参数设置和可视化反馈，极大地提高了便捷性。

再进一步地，阻抗变换和网络分析电路中，阻抗匹配电路完成对不同的阻抗进行匹配；模拟前端电路通过带偏置的反向放大电路的设置，一方面把经过待测阻抗之后的电压信号放大，另一方面给电压信号增加一个直流偏置，变成0V以上的信号，以便阻抗转换器内部的ADC处理；电压跟随电路的设置一方面起到阻抗隔离作用，防止第七电阻和第八电阻对测量产生影响，另一方面则用于增强电流驱动能力，增加这个运放之后，可以测量从100Ω～1KΩ的阻抗极大地扩展了测量范围；隔直电路对阻抗转换器输出的正弦波进行直流滤除，避免直流对测量产生不良的影响；时钟电路为阻抗转换器提供时钟晶振；从而极大地提高了测量效率和测量精度。

附图说明

图1是本实用新型的简易结构框图；

图2是本实用新型阻抗变换和网络分析电路的电路原理示意图；

图3是本实用新型所述阻抗转换器的内部结构示意图；

图4是本实用新型中的控制器和数据存储电路的原理示意图。

具体实施方式

如图1至图4所示，本实用新型包括阻抗变换和网络分析电路1、控制器2以及数据存储电路3。所述阻抗变换和网络分析电路1的输入端连接被测设备或元件，所述阻抗变换和网络分析电路1的输出端连接所述控制器2的输入端，所述控制器2的输出适配连接所述数据存储电路3，所述阻抗变换和网络分析电路1在所述控制器2的作用下完成对被测设备或元件的阻抗变换和网络分析，所述控制器2包括微控制器芯片U3、I2C总线、SPI总线及USB接口，所述数据存储电路包括EERPOM存储芯片U4，所述微控制器芯片U3通过I2C总线向所述EERPOM存储芯片U4读写数据，完成阻抗测量校准参数的存储和调用。

本实用新型还包括上位机4和液晶显示屏5，所述上位机4为计算机。所述上位机4通过USB线与所述控制器2信号连接，所述液晶显示屏5通过所述SPI总线与所述控制器2信号连接。所述阻抗变换和网络分析电路1包括阻抗匹配电路11、模拟前端电路12、阻抗转换器U2和时钟电路Y2，所述阻抗匹配电路11包括串联后并接在被测设备或元件的待测阻抗Z的两端的第一电容C1、第二电容C2和第三电容C3，可根据实际情况选择焊接或者不焊接。所述模拟前端电路12包括带偏置的反向放大电路U1-B、电压跟随电路U1-A以及由第七电容C7、第七电阻R7和第八电阻R8组成的隔直电路，所述反向放大电路U1-B、所述隔直电路和所述电压跟随电路U1-A依次连接并并联再所述待测阻抗Z的两端，所述反向放大电路U1-B和所述隔直电路之间设置有连接点与所述阻抗转换器U2连接，所述时钟电路Y2与所述阻抗转换器U2的EXT_CLK引脚连接。其中，带偏置的反向放大电路由放大器U1-B和第一电阻R1、第二电阻R2、调节电阻RFB组成了带偏置的反向放大电路，该电路一方面把经过待测阻抗之后的电压信号放大，一方面给电压信号增加一个直流偏置，变成0V以上信号，以便AD5933内部的ADC处理。

具体地，所述微控制器芯片U3的型号为CY7C68013。所述阻抗转换器U2的型号为AD5933。所述微控制器芯片U3通过I2C和所述阻抗转换器U2（AD5933）通信，通过I2C控制EEPROM存储芯片U4，读写板卡信息或校准数据，通过USB插座J1给装置供电并和上位机4通信。

如图3所示，所述阻抗转换器U2——AD5933是ADI公司推出的一款高精度阻抗转换器，片上集成频率发生器DDS与12位、1MSPS的模数转换器ADC，用频率发生器产生的信号来激励外部复阻抗Z(w)，外部阻抗的响应信号由片上ADC进行采集，然后由片上DSP（数字信号处理器）进行离散傅里叶变换（DFT）处理，DFT算法在每个频率上返回一个实部（R）数据字和一个虚部（I）数据字，通过I2C总线读取阻抗变换和网络分析电路的测量结果，实部（R）数据字表示电阻类，虚部（I）数据字表示电容电感类，利用Z=1/(2*π*f*c)或Z=1/(2*π*f*l)公式求出电容或电感值。校准之后，即可得出扫描频率点的阻抗幅度和相对相位，这一过程是利用实部和虚部寄存器内容在片外完成，寄存器内容可以从串行I2C接口读取。该芯片的阻抗测量范围为：1KΩ～10MΩ，测量精度可达：0.5%。

图2中VOUT是阻抗转换器U2——AD5933的输出端，可以输出从1Hz～1MHz的正弦波，Y2是有源晶振，给AD5933的MCLK提供时钟；C7是隔直电容，AD5933输出的正弦波是带有直流偏置的，从0V~1.98V，经过C7之后直流偏置被滤除，电压从-0.99V～0.99V；U1-A是电压跟随电路可以测量从100Ω～1KΩ的阻抗，极大地增加了阻抗测量范围。控制器通过I2C总线控制AD5933输出信号的频率和幅值，待AD5933把阻抗转换成实部和虚部之后，再通过I2C读取出来。

本实用新型具有如下优点：

1、成本低，相比LCR表或者网络分析仪动辄十万人民币以上的价格，本实用新型成本在300人民币以内；

2、体积小，相比LCR表或者网络分析仪动辄L*W*H=400mm*400mm*200mm以上的体积，本实用新型板卡尺寸仅L*W*H=40mm*60mm*10mm；

3、装置测量精度最高可达0.5%，尽管测量范围比不上LCR表和网络分析仪，但是100Ω～10MΩ的测量范围可以满足绝大部分测试设备和分析设备要求。

Claims (6)

1.一种测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置，其特征在于：它包括阻抗变换和网络分析电路（1）、控制器（2）以及数据存储电路（3），所述阻抗变换和网络分析电路（1）的输入端连接被测设备或元件，所述阻抗变换和网络分析电路（1）的输出端连接所述控制器（2）的输入端，所述控制器（2）的输出适配连接所述数据存储电路（3），所述阻抗变换和网络分析电路（1）在所述控制器（2）的作用下完成对被测设备或元件的阻抗变换和网络分析，所述控制器（2）包括微控制器芯片（U3）、I2C总线、SPI总线及USB接口，所述数据存储电路包括EERPOM存储芯片（U4），所述微控制器芯片（U3）通过I2C总线向所述EERPOM存储芯片（U4）读写数据，完成阻抗测量校准参数的存储和调用。

2.根据权利要求1所述的一种测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置，其特征在于：它还包括上位机（4）和液晶显示屏（5），所述上位机（4）通过USB线与所述控制器（2）信号连接，所述液晶显示屏（5）通过所述SPI总线与所述控制器（2）信号连接。

3.根据权利要求1所述的一种测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置，其特征在于：所述阻抗变换和网络分析电路（1）包括阻抗匹配电路（11）、模拟前端电路（12）、阻抗转换器（U2）和时钟电路（Y2），所述阻抗匹配电路（11）包括串联后并接在被测设备或元件的待测阻抗（Z）的两端的第一电容（C1）、第二电容（C2）和第三电容（C3），所述模拟前端电路（12）包括带偏置的反向放大电路（U1-B）、电压跟随电路（U1-A）以及由第七电容（C7）、第七电阻（R7）和第八电阻（R8）组成的隔直电路，所述反向放大电路（U1-B）、所述隔直电路和所述电压跟随电路（U1-A）依次连接并并联再所述待测阻抗（Z）的两端，所述反向放大电路（U1-B）和所述隔直电路之间设置有连接点与所述阻抗转换器（U2）连接，所述时钟电路（Y2）与所述阻抗转换器（U2）的EXT_CLK引脚连接。

4.根据权利要求1所述的一种测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置，其特征在于：所述微控制器芯片（U3）的型号为CY7C68013。

5.根据权利要求3所述的一种测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置，其特征在于：所述阻抗转换器（U2）的型号为AD5933。

6.根据权利要求2所述的一种测试设备用低成本、高精度阻抗测量装置，其特征在于：所述上位机（4）为计算机。

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