CN212540542U - 精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种结构简单、成本低、效率高、性能强的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统。本实用新型包括MCU（1）、交流源信号发生装置（2）、隔离耦合装置（3）、直流阻抗测量装置（5）、交流阻抗测量装置（6）、通道切换装置（7）、待测产品接入装置（8）以及电源，所述待测产品接入装置（8）外设置有屏蔽装置（9），所述直流阻抗测量装置（5）和交流阻抗测量装置（6）分别连接所述待测产品接入装置（8）并对待测产品的阻抗进行测量，直流阻抗测量装置（5）和待测产品接入装置（8）之间、所述交流阻抗测量装置（6）和待测产品接入装置（8）之间均设置有保护环（10），所述电源为整个测量系统供电。本实用新型可应用于测试领域。

Description

精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统

技术领域

本实用新型涉及测试领域，尤其涉及一种应用于针对G欧（1×10¹⁴＞X_R＞1×10⁹欧姆）甚至达到T欧姆且材料本身电压耐受力较低（＜2～5伏特）的精密低压器件的直流阻抗和交流阻抗测试的超高阻抗的高精度测量系统。

背景技术

普通绝缘材料的阻抗越高，其电压耐受力也会越高，所以测量一般都会使用高压仪表（0～KV）去测量，如兆欧表等。但测量低耐压（＜2V，甚至更低）、高阻抗的材料时，这种高压测试方法就不能正常应用了。而低电压下影响测量精度的主要因素包括：

1.电阻本身噪声的影响尤为突出；

2.激励源自身噪声；

3.EMI（电磁干扰）的影响；

4.测试网络的漏电流、漏电压。

目前在测量＞1G欧姆的电阻时，基本都是采用静电计、SMU、皮安计+电压源、高阻计等一起进行测量。静电计的测量方式需要配置电压源或电流源，所以高阻的精密测试都是使用外接一台电压源（源表）加静电计或是皮安计的方法实现，从而获得测量电压或电流，使用欧姆定律最终计算出阻值，如图1和图2所示。使用源表和静电计的仪表测试方法，可以直接获得测试值。如图1、图2 所示为通用的静电计(静电电压表)、高阻计仪器仪表实现的高电阻测量，它们的特点是静电计(静电电压表)和激励源(电压源或电流源)是分开的两部分。另外市面上较为流行的高阻测量仪器，如型号为B2985A等仪器设备，将源表和静电计综合在一台仪器中，然后通过仪表专用配套适配器连接测量高阻，直接可以在仪表面板上读取测试值，不用再另外计算。

另外一种方法是使用普通数字万用表通过读取电压的方式计算高阻，其原理如图3所示。图3所示为使用一个外部电流源向被测器件提供恒流，然后通过一个运放作为缓冲器，其中V1≈V0，从而实现较低成本的普通数字万用表就可以测量Rx的高阻。

此外，还可以内置集成激励源（电压源或电流源）和缓冲器组成测量电路来进行高阻测量。目前很多测试仪器板卡的电路测量技术，使用电路板自身的电流源，再使用运放作为输入信号的缓冲器，如图4和图5所示。图4是带内置电流源的静电计高阻测量的简易原理图，图5是带保护欧姆式的静电计高阻测量的简易原理图。

图4、5中的被测电阻计算公式如下：

R_X=V₁/(V_S×R) （表达式1）

R_X=V₁/I （表达式2）

以上述及的图1、图2、图3所示的测试方法是通过仪器仪表的配合来实现高阻的测量。图4、图5完全是自主电路仪器板卡的测量方法。但其测量质量非常受限于运放本身的电参性能。

上述现有技术中，测量＞100G的高阻，测试电压≤1V的情况下，由于被测物体两端加载的电压过低，电场内电荷的定向移动极容易受到工频辐射的骚扰。被测物体本身具有极高的阻抗，辐射可以很容易通过空间及金属或低阻非导体传递到测量仪器两端，造成被测电信号上会加载0～150Hz的低频谐波，达到稳定测试状态的时间比较长。为了保证更快和更准确的测试，必须将电流源或电压源的电压调整得比较高，一般会调到＞1V，甚至更高，从而降低电阻本身产生的热噪声影响。并且测试条件要在要求非常高的屏蔽环境下（隔离度＞60dB）进行测试。尽管如此，此类分压测试由于没有动态响应能力，仍然需要等待被测量物体两端电场稳定后，才能精准测试出阻值，测试时间仍然较长。

由于现在的测量技术基本都是分压测试的模式，所以首先要有精度高的仪器，如皮安计，静电计，电压源等等。加上容易受到外部环境中EMI（电磁干扰）以及静电场、自然环境的温湿度等等影响，所以必须搭建良好的屏蔽环境，造成了测试成本非常高，且会导致不必要的浪费。测试仪器和测量设备所占用的体积比较大，很难导入到量化生产中去。

另外市场上存在非常多低耐压高阻抗的材料。上述现有的测试方法经常会出现被测物体因耐压的问题造成击穿或者材质裂变，从而降低了材料本身的特性和使用寿命。当被测器件（材料）的绝缘直流阻抗和交流阻抗这些特征参数都超过GΩ（1×10⁹欧姆），测量超高阻抗时，针对这些被测材料的测试电压＞2伏特后，被测材料的电参数就会敏感变化，呈现非线性的低压工作状态。

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，提供一种结构简单、成本低、效率高、性能强的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，该系统设计科学，测试精准且适用于量产。

本实用新型所采用的技术方案是，该系统包括

独立设置且用于向测量系统输出测试数据并接收测试结果的MCU，

独立设置且用于输出AC交流正弦激励信号的交流源信号发生装置，

用于隔离耦合所述MCU和所述交流源信号发生装置输出的数据信号和AC交流正弦激励信号的隔离耦合装置，

用于产生直流电源信号的直流源信号发生装置，

用于对待测产品的直流阻抗进行测量的直流阻抗测量装置，

用于对待测产品的交流阻抗进行测量的交流阻抗测量装置，

用于进行直流阻抗测量通道、交流阻抗测量通道及数据通道切换的通道切换装置，

用于将待测产品接入到测量系统中的待测产品接入装置，以及电源，

所述待测产品接入装置外设置有屏蔽装置，所述直流阻抗测量装置和所述交流阻抗测量装置分别连接所述待测产品接入装置并对待测产品进行阻抗测量，所述直流阻抗测量装置和所述待测产品接入装置之间、所述交流阻抗测量装置和所述待测产品接入装置之间均设置有保护环，所述电源为整个测量系统供电。

所述隔离耦合装置、所述直流源信号发生装置、所述直流阻抗测量装置、所述交流阻抗测量装置、所述通道切换装置和所述待测产品接入装置均设置在同一块PCB板上。

所述隔离耦合装置包括AC交流信号隔离电路和通信数据隔离电路，所述AC交流信号隔离电路包括依次连接的线性隔离器、第一低功耗放大器和第二低功耗放大器，所述通信数据隔离电路包括标准数字隔离器，所述标准数字隔离器的一端与所述MCU的输出端连接，另一端与通道切换装置及所述直流源信号发生装置相连接。

所述直流源信号发生装置包括DAC数模转换器、第二十二低压差线性稳压器、高精分压器、反相器和缓冲器，所述第二十二低压差线性稳压器和所述高精分压器相连接组成高精电压源，所述DAC数模转换器为所述直流阻抗测量装置提供设定值电压源，所述高精电压源和所述设定值电压源之间通过第五继电器切换。

所述直流阻抗测量装置包括第三低功耗放大器、直流运放器、直流仪表放大器和直流测量电阻，所述第三低功耗放大器的输出端与所述直流运放器的负输入端相连接，所述第三低功耗放大器的正输入端、所述直流运放器的正输入端及所述直流仪表放大器的负输入端连通，所述直流仪表放大器的输出端与所述通道切换装置相连接，所述直流测量电阻的一端与所述直流运放器的输出端相连接，另一端与所述待测产品接入装置的输入端相连接，所述保护环连接在所述直流运放器的负输入端与所述待测产品接入装置的输入端相连接，所述直流运放器的正输入端与所述反相器及所述缓冲器的输出端之间设置有第四继电器，所述第三低功耗放大器的输出端与所述直流运放器的负输入端之间设置有第一继电器。

所述交流阻抗测量装置包括交流运放器、交流仪表放大器和交流测量电阻，所述交流运放器和所述交流仪表放大器的正输入端相连通，所述交流运放器的输出端与所述交流仪表放大器的负输入端及所述交流测量电阻的一端相连接，所述交流测量电阻的另一端与所述待测产品接入装置的输入端相连接，所述交流仪表放大器的输出端与所述通道切换装置相连接，所述保护环连接在所述交流运放器的负输入端与所述待测产品接入装置的输入端之间，所述第二低功耗放大器的输出端与所述交流运放器的负输入端之间也设置有所述第一继电器。

所述通道切换装置包括ADC模数转换器，所述ADC模数转换器上设置有直流差分信号输入通道、交流差分信号输入通道和信号读取通道，所述直流仪表放大器的输出端与所述直流差分信号输入通道相连接，所述交流仪表放大器的输出端与所述交流差分信号输入通道相连接，所述信号读取通道上连接有第三继电器，所述第三继电器的另一端分别与所述直流运放器的正输入端及所述交流运放器的正输入端相连接。

所述待测产品接入装置包括第二继电器和三同轴连接器，待测产品连接在所述三同轴连接器上，所述三同轴连接器与所述第二继电器相连接，所述直流阻抗测量装置和所述交流阻抗测量装置的输出端均与所述第二继电器相连接，所述屏蔽装置为EMI屏蔽盒，所述EMI屏蔽盒通过基准电压源器件连接有电压源。

所述电源为单电源输入、双电源输出的隔离电源，所述电源包括双输出隔离电源、第一低压差线性稳压器、第二低压差线性稳压器、第三低压差线性稳压器、第五低压差线性稳压器和第六线性稳压器，所述第一低压差线性稳压器、所述第三低压差线性稳压器和所述第六线性稳压器均与所述双输出隔离电源的一路输出相连接，所述第二低压差线性稳压器和所述第五低压差线性稳压器均与所述双输出隔离电源的另一路输出相连接。

所述直流仪表放大器的输出端与所述直流差分信号输入通道之间还设置有跟随器，所述直流仪表放大器和所述跟随器组成共模参考电压电路。

本实用新型的有益效果是：在本实用新型中，直流源信号发生装置输出设定的固定电压值到直流阻抗测量装置的直流运放器的同相输入端，完成直流测量的正压建立，此时，待测产品、直流测量电阻、直流运放器、恒定测量电压源及地之间形成一个串联的闭合回路，在该闭合回路中，待测产品的阻值变化会引起直流运放器输入端电压的变化，定义该变化的电压为差分电压，通过对该差分电压进行放大处理后，利用通道切换装置将该差分电压值传输到MCU中，得到正向电流情况下的电压值；再通过接通第四继电器，通过反相器输入到直流运放器的同相端，完成直流测量的负压建立，待测产品的两端获得一个电流反向的负压源，待测产品、直流测量电阻、直流运放器、恒定测量电压源及地之间形成一个串联的闭合回路，在该闭合回路中，反相电流由直流运放器分流，即获得反相负压值，通过对该差分电压进行放大处理后，利用通道切换装置将该差分电压值传输到MCU中，即获得反向电流情况下的电压值；再次将直流源信号发生装置的DAC数模转换器设定为0V输出，在由待测产品、直流测量电阻、直流运放器及地之间形成一个串联的闭合测试回路中，最后从通道切换装置读取到零电位电压值；由于直流测量电阻为已知设定值，利用该已知电阻值与电压压降的关系，分别获得在正向电流、负向电流和零电位电流情况下的阻抗值，再利用求均值即得到待测产品的阻抗；而通过继电器接通可以切换到交流阻抗的测量电路上，交流源信号发生装置产生的信号经过隔离耦合装置耦合到交流运放器上，再经过交流测量电阻、第二继电器和待测产品构成测试回路，再通过通道切换装置读取到交流测量电压信号，再通过已知的交流测量电阻即可获得待测产品的交流阻抗；故本实用新型系统能够快速准确的完成待测产品的高精度测量，工作性能优越，该系统的设计极具科学性，且其体积小，易于实现此类高阻抗测量需求在量化生产时的高精度准确测试，也适用于产品研发阶段的验证测试和科研攻关等等。

附图说明

图1是现有技术中采用静电计和外部电压源进行高阻测量的简易原理图；

图2是现有技术中采用静电计和外部电流源进行高阻测量的简易原理图；

图3是是现有技术中使用真实电流源和数字多用表的高阻测量的简易原理图；

图4是现有技术中带内置电流源的静电计高阻测量的简易原理图；

图5是现有技术中带保护欧姆式的静电计高阻测量的简易原理图；

图6是本实用新型电路的简易结构框图；

图7是所述AC交流信号隔离电路的电路原理图；

图8是所述通信数据隔离电路的电路原理图；

图9是所述DAC数模转换器的电路原理图；

图10是所述高精电压源的电路原理图；

图11是所述第五继电器的电路原理图；

图12是所述缓冲器和反相器的电路原理图；

图13是本实用新型高阻测量电路的原理图；

图14是所述屏蔽装置的电路原理图；

图15是所述第四继电器的电路原理图；

图16是所述ADC模数转换器的电路原理图；

图17是所述双输出隔离电源的电路原理图；

图18是所述第一低压差线性稳压器的电路原理图；

图19是所述第二低压差线性稳压器的电路原理图；

图20是所述第三低压差线性稳压器的电路原理图；

图21是所述第五低压差线性稳压器的电路原理图；

图22是所述第六线性稳压器的电路原理图；

图23是本实用新型实施例在交流测量阻抗状态下采集的数据图。

具体实施方式

如图6所示，本实用新型所述系统包括

独立设置且用于向测量系统输出测试数据并接收测试结果的MCU 1，

独立设置且用于输出AC交流正弦激励信号的交流源信号发生装置2，

用于隔离耦合所述MCU1和所述交流源信号发生装置2输出的数据信号和AC交流正弦激励信号的隔离耦合装置3，

用于产生直流电源信号的直流源信号发生装置4，

用于对待测产品的直流阻抗进行测量的直流阻抗测量装置5，

用于对待测产品的交流阻抗进行测量的交流阻抗测量装置6，

用于进行直流阻抗测量通道、交流阻抗测量通道及数据通道切换的通道切换装置7，

用于将待测产品接入到测量系统中的待测产品接入装置8以及电源，

所述待测产品接入装置8外设置有屏蔽装置9，所述直流阻抗测量装置5和所述交流阻抗测量装置6分别连接所述待测产品接入装置8并对待测产品进行阻抗测量，所述直流阻抗测量装置5和所述待测产品接入装置8之间、所述交流阻抗测量装置6和所述待测产品接入装置8之间均设置有保护环10，所述电源为整个测量系统供电。

所述隔离耦合装置3、所述直流源信号发生装置4、所述直流阻抗测量装置5、所述交流阻抗测量装置6、所述通道切换装置7和所述待测产品接入装置8均设置在同一块PCB板上。如图7和图8所示，所述隔离耦合装置3包括AC交流信号隔离电路和通信数据隔离电路，所述AC交流信号隔离电路包括依次连接的线性隔离器U18、第一低功耗放大器U19A和第二低功耗放大器U19B，所述通信数据隔离电路包括标准数字隔离器U9，所述标准数字隔离器U9的一端与所述MCU 1的输出端连接，另一端与通道切换装置7及所述直流源信号发生装置4相连接。

在这里，线性隔离器U18实现模拟信号的隔离，标准数字隔离器U9实现数字信号隔离。而MCU和交流源信号发生装置2（在这里选择型号为AD9833BRMZ的直接数字频率合成器作为交流源信号发生装置）则设置在上述PCB板外，MCU和交流源信号发生装置2通过隔离耦合装置3实现隔离和信号耦合。在这里，将MCU和交流源信号发生装置2设置在测量PCB板之外，能够极大地降低MCU等带来的开关噪声干扰，从而避免出现低频共模噪声的传导干扰。其中MCU的芯片型号为STM32F103ZET6。

如图9、图10和图12所示，所述直流源信号发生装置4包括DAC数模转换器U10、第二十二低压差线性稳压器U22、高精分压器U21、反相器U20A和缓冲器U20B，所述第二十二低压差线性稳压器U22和所述高精分压器U21相连接组成高精电压源，所述DAC数模转换器U10为所述直流阻抗测量装置5提供设定值电压源，所述高精电压源和所述设定值电压源之间通过第五继电器K5切换。在本实施例中，DAC数模转换器U10选自型号为AD5663的器件，该器件实现16位、0～5V轨到轨250uA设定、双通道输出。测试电压源就是通过该器件进行0～5V的设定，由于芯片输出电流只有250uA，比较小，所以再经过缓冲器U20B进行阻抗匹配后送入直流阻抗测量装置5。而第二十二低压差线性稳压器U22和高精分压器U21相连接组成高精电压源为直流测量供给电源的另外一种方式。第二十二低压差线性稳压器U22选自型号为ADR4520的芯片，其输出一个2.048V的高精准电压，然后再通高精分压器U21进行高精分压产生一个1.024V的输出。采用固定1.024V作为源的优点是精度高、温漂小、信噪比高。这可以在多台设备的测试数据一致性中反映出来。至于是选择1.024V作为测量信号源还是通过设置DAC数模转换器U10的电平参数来作为测量信号源，可以根据实际应用自行设定，如果待测产品的阻抗值是在一个固定的范围内，使用1.024V的测量效果会更好。

如图13所示，所述直流阻抗测量装置5包括第三低功耗放大器U14A、直流运放器U12、直流仪表放大器U11和直流测量电阻Rz，所述第三低功耗放大器U14A的输出端与所述直流运放器U12的负输入端相连接，所述第三低功耗放大器U14A的正输入端、所述直流运放器U12的正输入端及所述直流仪表放大器U11的负输入端连通，所述直流仪表放大器U11的输出端与所述通道切换装置7相连接，所述直流测量电阻Rs的一端与所述直流运放器U12的输出端相连接，另一端与所述待测产品接入装置8的输入端相连接，所述保护环10连接在所述直流运放器U12的负输入端与所述待测产品接入装置8的输入端相连接，所述直流运放器U12的正输入端与所述反相器U20A及所述缓冲器U20B的输出端之间设置有第四继电器K4，所述第三低功耗放大器U14A的输出端与所述直流运放器U12的负输入端之间设置有第一继电器K1。所述直流仪表放大器U11的输出端与所述直流差分信号输入通道ADC_AIN0、ADC_AIN1之间还设置有跟随器U13，所述直流仪表放大器U11和所述跟随器U13组成共模参考电压电路。这能够保证正向阻抗测量电压值和反向阻抗测量电压值的绝对值是一致的，进而保证正负信号源输出阻抗的一致性。

如图13所示，所述交流阻抗测量装置6包括交流运放器U16、交流仪表放大器U15和交流测量电阻Rj，所述交流运放器U16和所述交流仪表放大器U15的正输入端相连通，所述交流运放器U16的输出端与所述交流仪表放大器U15的负输入端及所述交流测量电阻Rj的一端相连接，所述交流测量电阻Rj的另一端与所述待测产品接入装置8的输入端相连接，所述交流仪表放大器U15的输出端与所述通道切换装置（7）相连接，所述保护环10连接在所述交流运放器U16的负输入端与所述待测产品接入装置8的输入端之间，所述第二低功耗放大器U19B的输出端与所述交流运放器U16的负输入端之间也设置有所述第一继电器K1。

如图16所示，所述通道切换装置7包括ADC模数转换器U7，所述ADC模数转换器U7上设置有直流差分信号输入通道ADC_AIN0和ADC_AIN1、交流差分信号输入通道ADC_AIN2、ADC_AIN3以及信号读取通道ADC_AIN4，所述直流仪表放大器U11的输出端与所述直流差分信号输入通道ADC_AIN0、ADC_AIN1相连接，所述交流仪表放大器U15的输出端与所述交流差分信号输入通道ADC_AIN2、ADC_AIN3相连接，所述信号读取通道ADC_AIN4上连接有第三继电器K3，所述第三继电器K3的另一端分别与所述直流运放器U12的正输入端及所述交流运放器U16的正输入端相连接。

在这里，综合考虑到信号采集精度和所需独立信号通道数量，本实用新型选择型号为AD7175的芯片作为数据采集器，该芯片具备24位、250KSPS数据采样率，集成的Σ-Δ型模数转换器适合低带宽的高阻测量信号输入，且内置的数字滤波器能以27.27 SPS输出数据速率对50 Hz/60 Hz以及工频的倍频（100Hz/120Hz）进行同步抑制，其抑制能力达到86dB，这样就很好的降低了在测量过程中工频噪声的辐射影响。具体地，直流DC阻抗测量的信号是从直流差分信号输入通道ADC_AIN0、ADC_AIN1读取的，交流AC阻抗测量的信号是从交流差分信号输入通道ADC_AIN2、ADC_AIN3读取的，设置的V_REF直流电平和交流正弦波幅值信号都是从信号读取通道ADC_AIN4读取的。

如图13和图14所示，所述待测产品接入装置8包括第二继电器K2和三同轴连接器J4，待测产品连接在所述三同轴连接器J4上，所述三同轴连接器J4与所述第二继电器K2相连接，所述直流阻抗测量装置5和所述交流阻抗测量装置6的输出端均与所述第二继电器K2相连接，所述屏蔽装置9为EMI屏蔽盒，所述EMI屏蔽盒通过基准电压源器件U8连接有电压源。其中，三同轴连接器J4可以使用同轴电缆连接好待测产品。在这里，设置屏蔽装置9的原因如下：由于测量回路本身具有高阻抗的固有特性，非常容易吸收周边压电磁场，所以无论是工频电场还是静电场，都会以电磁场的方式骚扰到测量电路，这些干扰会以噪声叠加的方式出现在被测量的有效信号中，从而产生测量误差。为了解决测量中的EMC问题，电磁骚扰一般都是通过传导和辐射两种方式，所以需要设置屏蔽装置来隔离和屏蔽电磁骚扰。

如图18至图22所示，所述电源为单电源输入、双电源输出的隔离电源，所述电源包括双输出隔离电源U4、第一低压差线性稳压器U1、第二低压差线性稳压器U2、第三低压差线性稳压器U3、第五低压差线性稳压器U5和第六线性稳压器U6，所述第一低压差线性稳压器U1、所述第三低压差线性稳压器U3和所述第六线性稳压器U6均与所述双输出隔离电源U4的一路输出相连接，所述第二低压差线性稳压器U2和所述第五低压差线性稳压器U5均与所述双输出隔离电源U4的另一路输出相连接。

本实用新型考虑到抗干扰以及传导骚扰引起的噪声问题，选用单电源输入、双电源±12V、500mA输出的隔离电源模块作为电源。经过测试，电路中的运放直流工作区域的电压抑制比表现非常出色。但考虑到交流信号因为频率的升高性能降低的特点，为降低电源轨的噪声，选择了共模抑制比表现优秀的低压差线性稳压器LT3042和LT3094作为双电源的稳压输出，用来抑制从隔离电源端产生的开关噪声。而第二低压差线性稳压器U2同时起到隔离高阻测量电路以外未知的多频谱范围的噪声。

在这里对保护环进行如下说明。如图13所示，由于被测量阻抗回路中的电流极小，电流中电荷向不等电位的电极泄漏，非常容易造成高阻测量回路以外的静电电荷流入高阻测量回路或受到回路附近电极材料的压电效应影响，这些流入高阻测量回路的电荷将严重影响测量。为避免电荷的爬行泄漏，在测量主回路周围设计包围一个保护环，让保护的电位和测量信号源的电位相等，进而解决电荷的爬行泄漏问题。在本实用新型中，直流运放器U12、交流运放器U16的第8脚直接和高阻抗器件（包括直流测量电阻Rz（R36）、交流测量电阻Rj（R52）以及和待测产品）连接，且中间连接测试线缆，如J4输出三同轴连接器及同轴电缆，较长的网络需要建立一个保护环。在本实用新型中，将输入到直流运放器U12、交流运放器U16的第1脚的VREF信号，同时也输入到第三低功耗放大器U14A（型号为ADA4522），第三低功耗放大器U14A组成了一个跟随器电路，第三低功耗放大器U14A的第1脚的输出信号作为保护环10，使被保护的部分的电位与测量信号源的点位相等，从而避免外界的噪声干扰。

在本实用新型中，直流阻抗测量的过程如下：

如图13所示，首先通过直流源信号发生装置4中的DAC数模转换器U10设定好1V电压，或通过由第二十二低压差线性稳压器U22和所述高精分压器U21相连接组成高精电压源设定固定电压值1.024V，通过继电器控制将设定好的恒定测量电压源V_REF输入到直流运放器U12运放的同相端，这样就完成了V_REF的正压建立。利用直流运放器U12运放虚短特性1、8脚的IN+\IN-两端的共模电平都是保持在1V（或1.024V）不变，所以待测产品两端的电平也保持在1V（或1.024V）上不变，这样待测产品（Rx）、直流测量电阻Rz（R36）、直流运放器U12、恒定测量电压源V_REF、模拟地AGND构成一个串联闭合回路。因待测产品电阻变化引起的电流变化将最终体现在直流运放器U12的第1、6两脚的分压上，也就是不同阻抗值引起的电流变化会引起直流运放器U12 的第1、6两脚电压的变化，将这个电压定义为正向电流情况下的正向电压值V_{O_P1V}；正向电压值V_{O_P1V}为差分电压形式输入到直流仪表放大器U11（型号为AD8422）进行放大，放大后的差模电压经第三十二电阻R32、第四十电阻R40作为第一通道传输到通道切换装置U7的直流差分信号输入通道AIN0、AIN1的输入端，进行数模转换后微处理器可以读取V_{O_P1V}的电压值，通过该电压值即可测得阻抗。

测得正向电压值V_{O_P1V}后，此时只要将第四继电器K4接通，之前设定好的1V电压通过反向器U20A输入到直流运放器U12运放的同相端（1脚位），这样就完成了恒定测量电压源V_REF的负压建立。待测产品两端将获得一个电流方向相反的-1V电压源，这样待测产品Rx、直流测量电阻Rz（R36）、直流运放器U12、恒定测量电压源V_REF、模拟地AGND构成一个串联闭合回路。反相电流由直流运放器U12（1脚、6脚）分流获得反流情况下的反向电压值V_{O_N1V}。在这里，直流仪表放大器U11和跟随器U13组成一个以2.5V电压为共模参考电压点的电路。将直流仪表放大器U11的第6脚REF的电平抬高并且稳定在2.5V，这样直流仪表放大器U11 放大电路的共模参考点电压是2.5V，在通道切换装置中的ADC模数转换器U7的第4脚（REFOUT）参考点的电压也设为2.5V（ADC模数转换器U7第4脚和跟随器U13第3脚是同一网络信号），ADC模数转换器U7的AIN0、AIN1输入端就可以读取反相负电压值V_{O_N1V}。这能够保证正向阻抗测量电压值和反向阻抗测量电压值的绝对值是一致的，进而保证正负信号源输出阻抗的一致性。

再次，以上通道设定不变，将DAC数模转换器U10设定为0V，测试回路与上述相同，ADC模数转换器U7的AIN0、AIN1输入端就可以读取零电位电压值V_{O_0V}。

通过测得的正向电压值V_{O_P1V}、反向电压值V_{O_N1V}和零电位电压值V_{O_0V}，以及已知的直流测量电阻Rz（R36），即可分别算得三种情况下待测产品的阻抗值，再将这些阻抗值取均值，即获得待测产品的阻抗。

本实用新型的交流阻抗的测量过程如下：

将交流源信号发生装置（即直接数字频率合成器，以下简称为DDS）设置为10Hz交流正弦波，幅值1Vpp（根据待测产品的阻抗设定），将第一继电器K1、第二继电器K2、第按继电器K3接通切换到交流阻抗测试回路。10Hz交流正弦波经过线性隔离器U18和第一继电器K1耦合到交流运放器U16的第1脚，再经过交流测量电阻Rj（R52，100M欧姆电阻）、第二继电器K2、三同轴连接器J4、待测产品构成测试回路。测量电压信号的读取为ADC模数转换器U7的交流差分信号输入通道（ADC_AIN2、ADC_AIN3）的输入端和信号读取通道（ADC_AIN4）的输入端。在设定频率下，交流阻抗要比直流阻抗小很多，所以我们交流测量电阻Rj（R52）的取样电阻尽可能地取小，且同时考虑到交流仪表放大器U15在交流放大回路的非线性，尽量使用增益G=1的电路模型。这样就可以测试获得由DDS产生后输入的正弦波信号V_REF的有效值V_{REF_RMS}和由运放分流后获得的正弦波信号V_O的有效值V_{O_RMS}，然后根据已知的交流测量电阻Rj得到交流阻抗值。

交流阻抗的测量信号通道和直流阻抗测量信号通道的原理基本是一致的，其较大的区别在于获得正弦波幅值的采集和计量方式不同。如采用10Hz的AC交流正弦波信号频率作为测试信号源时，信号源周期为100mS（100毫秒），使用200Hz左右的采样率，采集2～3个完整周期的四五十个电平数据进行RMS有效值的计算，如图23所示的采集数据，当然也可以设置更高的采样率，采集更多的分布数据来运算去获得更精准的有效值。在本实施例中，使用低频的采样目的就是为了控制信号带宽，利用ADC模数转换器U7本身的50 Hz和60 Hz滤波器特性，更好的抑制低频干扰。

本实用新型的阻抗测量量程可以通过调节加载在待测产品两端的测量电压V_REF的电压幅值，也可以通过改变直流测量电阻Rz或交流测量电阻Rj的阻值实现从50M欧～100T欧的宽带测量范围。此外，本实用新型的高阻测量对测试环境和自然环境都有一定的要求，首先被测器件应该保持干燥，才能真实的反映出器件的物理特性。

本实用新型所述的高精度测量系统可应用于测量超过G欧（1×10¹⁴＞X_R＞1×10⁹欧姆）且材料本身电压耐受力较低（＜2～5伏特）的精密器件的直流阻抗和交流阻抗，尤其是测量那些只是能在低电压下正常工作的（电压、电流型）传感器、电子器件、半导体器件等元器件的直流阻抗和交流阻抗。例如可以应用在半导体器件高输入阻抗的高精度测试、化学传感器的直流和交流高阻抗测试、容性传感器的交流高阻抗测试，应用极为广泛。此外，该系统也适用于低耐压绝缘材料的表面电阻和体积电阻测试，并且被测器件（材料）的绝缘直流阻抗和交流阻抗这些特征参数都超过G欧姆，甚至达到T欧姆。还可以应用于分析类仪器仪表和测量设备，在材料研发过程中的测量、生物医药的阻抗测试、半导体器件的检验、电子产品测试。该技术具有非常易于量化生产测试应用的特点，有利于在实验室或加工厂，获得精准的被测材料阻抗数据，对被测材料进行特性分析和质量监控。

Claims (10)

1.一种精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：该系统包括

独立设置且用于向测量系统输出测试数据并接收测试结果的MCU（1），

独立设置且用于输出AC交流正弦激励信号的交流源信号发生装置（2），

用于隔离耦合所述MCU（1）和所述交流源信号发生装置（2）输出的数据信号和AC交流正弦激励信号的隔离耦合装置（3），

用于产生直流电源信号的直流源信号发生装置（4），

用于对待测产品的直流阻抗进行测量的直流阻抗测量装置（5），

用于对待测产品的交流阻抗进行测量的交流阻抗测量装置（6），

用于进行直流阻抗测量通道、交流阻抗测量通道及数据通道切换的通道切换装置（7），

用于将待测产品接入到测量系统中的待测产品接入装置（8），以及电源，

所述待测产品接入装置（8）外设置有屏蔽装置（9），所述直流阻抗测量装置（5）和所述交流阻抗测量装置（6）分别连接所述待测产品接入装置（8）并对待测产品进行阻抗测量，所述直流阻抗测量装置（5）和所述待测产品接入装置（8）之间、所述交流阻抗测量装置（6）和所述待测产品接入装置（8）之间均设置有保护环（10），所述电源为整个测量系统供电。

2.根据权利要求1所述的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述隔离耦合装置（3）、所述直流源信号发生装置（4）、所述直流阻抗测量装置（5）、所述交流阻抗测量装置（6）、所述通道切换装置（7）和所述待测产品接入装置（8）均设置在同一块PCB板上。

3.根据权利要求1所述的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述隔离耦合装置（3）包括AC交流信号隔离电路和通信数据隔离电路，所述AC交流信号隔离电路包括依次连接的线性隔离器（U18）、第一低功耗放大器（U19A）和第二低功耗放大器（U19B），所述通信数据隔离电路包括标准数字隔离器（U9），所述标准数字隔离器（U9）的一端与所述MCU（1）的输出端连接，另一端与通道切换装置（7）及所述直流源信号发生装置（4）相连接。

4.根据权利要求3所述的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述直流源信号发生装置（4）包括DAC数模转换器（U10）、第二十二低压差线性稳压器（U22）、高精分压器（U21）、反相器（U20A）和缓冲器（U20B），所述第二十二低压差线性稳压器（U22）和所述高精分压器（U21）相连接组成高精电压源，所述DAC数模转换器（U10）为所述直流阻抗测量装置（5）提供设定值电压源，所述高精电压源和所述设定值电压源之间通过第五继电器（K5）切换。

5.根据权利要求4所述的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述直流阻抗测量装置（5）包括第三低功耗放大器（U14A）、直流运放器（U12）、直流仪表放大器（U11）和直流测量电阻（Rz），所述第三低功耗放大器（U14A）的输出端与所述直流运放器（U12）的负输入端相连接，所述第三低功耗放大器（U14A）的正输入端、所述直流运放器（U12）的正输入端及所述直流仪表放大器（U11）的负输入端连通，所述直流仪表放大器（U11）的输出端与所述通道切换装置（7）相连接，所述直流测量电阻（Rz）的一端与所述直流运放器（U12）的输出端相连接，另一端与所述待测产品接入装置（8）的输入端相连接，所述保护环（10）连接在所述直流运放器（U12）的负输入端与所述待测产品接入装置（8）的输入端相连接，所述直流运放器（U12）的正输入端与所述反相器（U20A）及所述缓冲器（U20B）的输出端之间设置有第四继电器（K4），所述第三低功耗放大器（U14A）的输出端与所述直流运放器（U12）的负输入端之间设置有第一继电器（K1）。

6.根据权利要求5所述的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述交流阻抗测量装置（6）包括交流运放器（U16）、交流仪表放大器（U15）和交流测量电阻（Rj），所述交流运放器（U16）和所述交流仪表放大器（U15）的正输入端相连通，所述交流运放器（U16）的输出端与所述交流仪表放大器（U15）的负输入端及所述交流测量电阻（Rj）的一端相连接，所述交流测量电阻（Rj）的另一端与所述待测产品接入装置（8）的输入端相连接，所述交流仪表放大器（U15）的输出端与所述通道切换装置（7）相连接，所述保护环（10）连接在所述交流运放器（U16）的负输入端与所述待测产品接入装置（8）的输入端之间，所述第二低功耗放大器（U19B）的输出端与所述交流运放器（U16）的负输入端之间也设置有所述第一继电器（K1）。

7.根据权利要求6所述的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述通道切换装置（7）包括ADC模数转换器（U7），所述ADC模数转换器（U7）上设置有直流差分信号输入通道（ADC_AIN0、ADC_AIN1）、交流差分信号输入通道（ADC_AIN2、ADC_AIN3）和信号读取通道（ADC_AIN4），所述直流仪表放大器（U11）的输出端与所述直流差分信号输入通道（ADC_AIN0、ADC_AIN1）相连接，所述交流仪表放大器（U15）的输出端与所述交流差分信号输入通道（ADC_AIN2、ADC_AIN3）相连接，所述信号读取通道（ADC_AIN4）上连接有第三继电器（K3），所述第三继电器（K3）的另一端分别与所述直流运放器（U12）的正输入端及所述交流运放器（U16）的正输入端相连接。

8.根据权利要求1所述的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述待测产品接入装置（8）包括第二继电器（K2）和三同轴连接器（J4），待测产品连接在所述三同轴连接器（J4）上，所述三同轴连接器（J4）与所述第二继电器（K2）相连接，所述直流阻抗测量装置（5）和所述交流阻抗测量装置（6）的输出端均与所述第二继电器（K2）相连接，所述屏蔽装置（9）为EMI屏蔽盒，所述EMI屏蔽盒通过基准电压源器件（U8）连接有电压源。

9.根据权利要求1所述的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述电源为单电源输入、双电源输出的隔离电源，所述电源包括双输出隔离电源（U4）、第一低压差线性稳压器（U1）、第二低压差线性稳压器（U2）、第三低压差线性稳压器（U3）、第五低压差线性稳压器（U5）和第六线性稳压器（U6），所述第一低压差线性稳压器（U1）、所述第三低压差线性稳压器（U3）和所述第六线性稳压器（U6）均与所述双输出隔离电源（U4）的一路输出相连接，所述第二低压差线性稳压器（U2）和所述第五低压差线性稳压器（U5）均与所述双输出隔离电源（U4）的另一路输出相连接。

10.根据权利要求7所述的精密低压器件超高阻抗的高精度测量系统，其特征在于：所述直流仪表放大器（U11）的输出端与所述直流差分信号输入通道（ADC_AIN0、ADC_AIN1）之间还设置有跟随器（U13），所述直流仪表放大器（U11）和所述跟随器（U13）组成共模参考电压电路。

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