TWI712804B - 阻抗量測裝置 - Google Patents

Abstract

一種阻抗量測裝置，適於量測待測元件的阻抗，阻抗量測裝置包含訊號混合器、基準訊號產生器、相位比較器及類比數位轉換器。訊號混合器耦接於待測元件以接收輸入訊號，用以混合輸入訊號及第一參考訊號以產生混合訊號。基準訊號產生器依據輸入訊號以產生週期性的第一基準訊號。相位比較器依據第一基準訊號及第一參考訊號的相位差，以產生一相位偵測訊號。類比數位轉換器，針對混合訊號及相位偵測訊號進行類比數位轉換動作，藉以產生阻抗偵測結果。

Description

阻抗量測裝置

本發明是有關於一種阻抗量測裝置，且特別是有關於一種可提升阻抗量測精準度的阻抗量測裝置。

傳統的阻抗量測裝置可透過同相正交調變技術以及全波整流技術來量測待測元件的阻抗。同相正交調變技術需要在同相訊號通道以及正交訊號通道之中，分別利用同相參考訊號及正交參考訊號來判斷輸入訊號的振幅以及相位資訊。其中，同相正交調變技術無法透過同相訊號通道及正交訊號通道中的單一通道取得輸入訊號的振幅或相位資訊。此外，多通道的限制亦造成通道不匹配的效應，因而造成阻抗量測的誤差。另外，全波整流技術受限於電路本身的電路偏移以及反應時間等非理想特性，亦造成阻抗量測上的誤差。因此，傳統的阻抗量測裝置有改善的必要。

本發明提供一種阻抗量測裝置，透過輸入訊號與參考訊號交互進行正交調變以減少通道間變異的影響，進而提升阻抗量 測裝置的精準度。

本發明的阻抗量測裝置適於量測待測元件的阻抗。阻抗量測裝置包含：訊號混合器，耦接於待測元件以接收輸入訊號，用以混合輸入訊號及第一參考訊號以產生混合訊號；基準訊號產生器，依據輸入訊號以產生週期性的第一基準訊號；相位比較器，依據第一基準訊號及第一參考訊號的相位差，以產生相位偵測訊號；以及類比數位轉換器，針對混合訊號及相位偵測訊號進行類比數位轉換動作，藉以產生阻抗偵測結果。

基於上述，本發明的阻抗量測裝置可透過輸入訊號與參考訊號交互進行正交調變以減少通道間變異的影響，提升阻抗量測裝置的精準度。

為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。

10、20、30、40、50:阻抗量測裝置

100、200、300、400、500:基準訊號產生器

101、201、301、401、501:訊號混合器

102、202、302、402、502:相位比較器

103、203、303、503:第一訊號處理器

104、204、304、504:第二訊號處理器

105、205、306、406、506:類比數位轉換器

2001、3001、5001:第一基準訊號子產生器

2002、3002、5002:第二基準訊號子產生器

2003:第一類比多工器

305、505:第三訊號處理器

3011、5011:第一訊號子混合器

3012、5012:第二訊號子混合器

4001、4002:比較器

4011、4012:類比多工器

402:反互斥或閘

403:第一濾波器

404:第二濾波器

405:第三濾波器

5003:多工器

IMP:阻抗偵測結果

Nin:輸入節點

Nref:參考節點

S1:第一基準訊號

S2:第二基準訊號

S3:第三基準訊號

Sin:輸入訊號

Smix:混合訊號

Smix1:第一混合子訊號

Smix2:第二混合子訊號

Sp1:第一處理訊號

Sp2:第二處理訊號

Sp3:第三處理訊號

Spd:相位偵測訊號

Sref1:第一參考訊號

Sref2:第二參考訊號

T1、T2、T3:時間

R、Z:阻抗

圖1為本發明實施例一阻抗量測裝置的示意圖。

圖2為本發明實施例一阻抗量測裝置的示意圖。

圖3為本發明實施例一阻抗量測裝置的示意圖。

圖4為本發明實施例一阻抗量測裝置的示意圖。

圖5為本發明實施例一阻抗量測裝置的示意圖。

圖6為本發明實施例一阻抗量測裝置的操作波形的示意圖。

圖1為本發明實施例一阻抗量測裝置10的示意圖。如圖1所示，阻抗量測裝置10耦接於輸入節點Nin。阻抗量測裝置10透過輸入節點Nin接收由一待測元件(未繪示於圖1)透過輸入節點Nin所傳入週期性的輸入訊號Sin，本發明的阻抗量測裝置10透過已知相位的週期性的第一參考訊號Sref1藉以量測以及分析待測元件輸入的輸入訊號Sin的振幅以及相位，以精準地判斷待測元件的阻抗。

阻抗量測裝置10包括基準訊號產生器100、訊號混合器101、相位比較器102、第一訊號處理器103、第二訊號處理器104、類比數位轉換器105。基準訊號產生器100耦接於輸入節點Nin與相位比較器102之間，用以依據輸入訊號Sin產生週期性的第一基準訊號S1。訊號混合器101耦接於輸入節點Nin，用以依據輸入訊號Sin以及第一參考訊號Sref1產生混合訊號Smix。相位比較器102耦接於基準訊號產生器100以及參考節點Nref，用以依據第一基準訊號S1及第一參考訊號Sref1產生相位偵測訊號Spd。第一訊號處理器103耦接於訊號混合器101，用以針對混合訊號Smix進行訊號處理以產生第一處理訊號Sp1。第二訊號處理器104耦接於訊號相位比較器102，用以針對相位偵測訊號Spd進行訊號處理以產生第二處理訊號Sp2。類比數位轉換器105耦接於第一訊號處理器103及第二訊號處理器104，用以針對第一處理訊號 Sp1及第二處理訊號Sp2進行數位類比轉換，以產生阻抗偵測結果IMP。

在一實施例中，輸入訊號Sin可為一弦波訊號，第一參考訊號Sref1可為一方波訊號，基準訊號產生器100可為一方波產生器，用來依據輸入訊號Sin進行觸發以產生第一基準訊號S1。如此一來，本發明的阻抗量測裝置10可透過訊號混合器101對輸入訊號Sin以及第一參考訊號Sref1進行訊號混合，以取得輸入訊號Sin的振幅資訊，且透過相位比較器102比較方波產生器100產生的第一基準訊號S1以及第一參考訊號Sref1以取得輸入訊號Sin的相位資訊。在一實施例中，第一訊號處理器103可為第一低通濾波器，第二訊號處理器104可為第二低通濾波器。第一濾波器103及第二濾波器104可具有相同、相似或不同的濾波頻帶特性，以較佳地針對混合訊號Smix以及相位偵測訊號Spd進行濾波。在不同的實施例中，本發明的阻抗量測裝置10中的類比數位轉換器105可具備不同的硬體架構，以因應不同的訊號格式。在一實施例中，當第一處理訊號Sp1及第二處理訊號Sp2是以Σ△調變的訊號時，換言之，即為時間調變的訊號時，類比數位轉換器105可將訊號脈衝的寬度轉換為數位訊號。在一實施例中，當第一處理訊號Sp1及第二處理訊號Sp2是以電壓調變的訊號時，類比數位轉換器105可將類比電壓值轉換為數位訊號。

詳細而言，本發明的阻抗量測裝置10透過訊號混合器101、第一訊號處理器103產生相對應於輸入訊號Sin振幅的第一 處理訊號Sp1，且透過相位比較器102及第二訊號處理器104產生相對應於輸入訊號Sin相位的第二處理訊號Sp2。類比數位轉換器105可將以相同調變方式調變的第一處理訊號Sp1及第二處理訊號Sp2轉換為包含待測元件的阻抗的阻抗偵測結果IMP。簡言之，本發明的阻抗量測裝置10可透過已知相位的第一參考訊號Sref1判斷輸入訊號Sin的振幅資訊以及相位資訊，提升阻抗量測裝置的精準度。

圖2為本發明實施例一阻抗量測裝置20的示意圖。阻抗量測裝置20包含有基準訊號產生器200、訊號混合器201、相位比較器202、第一訊號處理器203、第二訊號處理器204、類比數位轉換器205。基準訊號產生器200中包含有第一基準訊號子產生器2001、第二基準訊號子產生器2002、第一類比多工器2003。第一基準訊號子產生器2001依據輸入訊號Sin產生第一基準訊號S1。第二基準訊號子產生器2002產生週期性的第二基準訊號S2及週期性的第三基準訊號S3，其中，第二基準訊號S2與第三基準訊號S3的相位差為90度。第一類比多工器2003耦接於第二基準訊號子產生器2002，用來依據第二基準訊號S2及第三基準訊號S3產生第一參考訊號Sref1。訊號混合器201耦接於基準訊號產生器200，可用來對輸入訊號Sin以及第一參考訊號Sref1進行訊號混合以產生混合訊號Smix。第一訊號處理器203耦接於訊號混合器201，用以對混合訊號Smix進行訊號處理以產生第一處理訊號Sp1。相位比較器202耦接於基準訊號產生器200，用以依據第一 基準訊號S1及第一參考訊號Sref1產生相位偵測訊號Spd。第二訊號處理器204耦接於相位比較器202，用以對相位偵測訊號Spd進行訊號處理以產生第二處理訊號Sp2。類比數位轉換器205耦接於第一訊號處理器203及第二訊號處理器204，用以依據第一處理訊號Sp1及第二處理訊號Sp2產生阻抗偵測結果IMP。

簡言之，本發明的阻抗量測裝置20可透過基準訊號產生器200中相位互相正交的第二基準訊號S2及第三基準訊號S3以產生第一參考訊號Sref1，透過已知相位的第一參考訊號Sref1判斷輸入訊號Sin的振幅資訊及相位資訊。因此，本發明的阻抗量測裝置20可透過擴展的第二基準訊號S2及第三基準訊號S3來降低量測誤差，進而提升阻抗量測裝置的精準度。

圖3為本發明實施例一阻抗量測裝置30的示意圖。阻抗量測裝置30包含有基準訊號產生器300、訊號混合器301、相位比較器302、第一訊號處理器303、第二訊號處理器304、第三訊號處理器305、類比數位轉換器306。基準訊號產生器300包含有第一基準訊號子產生器3001、第二基準訊號子產生器3002。第一基準訊號子產生器3001用來依據輸入訊號Sin的觸發以產生第一基準訊號S1。第二基準訊號子產生器3002用來依據第一參考訊號Sref1的觸發以產生第二基準訊號S2。訊號混合器301包含第一訊號子混合器3011、第二訊號子混合器3012。訊號混合器301產生的混合訊號Smix包含第一混合子訊號Smix1及第二混合子訊號Smix2。第一訊號子混合器3011對輸入訊號Sin及第二基準 訊號S2進行訊號混合以產生第一混合子訊號Smix1。第二訊號子混合器3012對第一參考訊號Sref1及第一基準訊號S1進行訊號混合以產生二混合子訊號Smix2。第一訊號處理器303耦接於訊號混合器301的第一訊號子混合器3011，用來對第一混合子訊號Smix1進行訊號處理以產生第一處理訊號Sp1。第二訊號處理器304耦接於訊號混合器301的第二訊號子混合器3012，用來對第二混合子訊號Smix2進行訊號處理以產生第二處理訊號Sp2。相位比較器302耦接於基準訊號產生器300，用以比較第一基準訊號S1及第二基準訊號S2兩者的相位差以產生相位偵測訊號Spd。第三訊號處理器305耦接於相位比較器302，用來對相位偵測訊號Spd進行訊號處理以產生第三處理訊號Sp3。類比數位轉換器306耦接於第一訊號處理器303、第二訊號處理器304、第三訊號處理器305，用以依據第一處理訊號Sp1、第二處理訊號Sp2、第三處理訊號Sp3產生阻抗偵測結果IMP。

圖4為本發明實施例一阻抗量測裝置40的示意圖。阻抗量測裝置40為圖3的阻抗量測裝置30的其中一種實施方式。在本實施例中，阻抗量測裝置40耦接於輸入節點Nin及參考節點Nref。阻抗量測裝置40透過輸入節點Nin接收輸入訊號Sin，且透過參考節點Nref接收第一參考訊號Sref1。輸入節點Nin與共模節點Ncm之間具有阻抗Z。參考節點Nref與共模節點Ncm之間具有阻抗R。因此，本發明的阻抗量測裝置40可透過已知相位的第一參考訊號Sref1與輸入訊號Sin進行比較，且透過已知的阻 抗R進一步判斷輸入訊號Sin的振幅資訊以及相位資訊，以及判斷耦接於輸入節點Sin的待測元件的阻抗Z。

如圖4所示，第一基準訊號子產生器4001為比較器4001，其正輸入端接收輸入訊號Sin且負輸入端接收共模電壓Vcm以於輸出端產生第一基準訊號S1。第二基準訊號子產生器4002為比較器4002，其正輸入端接收第一參考訊號Sref1且負輸入端接收共模電壓Vcm以於輸出端產生二基準訊號S2。第一訊號子混合器4011為類比多工器4011，用來依據第二基準訊號S2以判斷是否將輸入訊號Sin反向輸出以產生第一混合子訊號Smix1。第二訊號子混合器4012為類比多工器4012，用來依據第一基準訊號S1以判斷是否將第一參考訊號Sref1反向輸出以產生第二混合子訊號Smix2。相位比較器402為反互斥或閘(XNOR Gate)。第一訊號處理器403為第一訊號濾波器403。第二訊號處理器404為第二訊號濾波器404。第三訊號處理器405為第三訊號濾波器405。

因此，本發明的阻抗量測裝置40透過已知相位的第一參考訊號Sref1與輸入訊號Sin交互進行正交調變以減少通道間差異的影響。因此，本發明的阻抗量測裝置40可進一步的降低通道誤差，提升阻抗量測裝置的精準度。

圖5為本發明實施例一阻抗量測裝置50的示意圖。阻抗量測裝置50包含基準訊號產生器500、訊號混合器501、相位比較器502、第一訊號處理器503、第二訊號處理器504、第三訊號處理器505、類比數位轉換器506。

基準訊號產生器500包含有第一基準訊號子產生器5001、第二基準訊號子產生器5002、多工器5003。第一基準訊號子產生器5001用來依據輸入訊號Sin的觸發以產生第一基準訊號S1。第一基準訊號子產生器5001用來依據輸入訊號Sin的觸發以產生週期性的第一基準訊號S1。第二基準訊號子產生器5002用來依據第一參考訊號Sref1的觸發以產生第二基準訊號S2。多工器5003耦接於第一基準訊號子產生器5001及第二基準訊號子產生器5002，用來選擇性地輸出第一基準訊號S1或第二基準訊號S2以產生第三基準訊號S3。訊號混合器501包含第一訊號子混合器5011、第二訊號子混合器5012。訊號混合器501產生的混合訊號Smix包含第一混合子訊號Smix1及第二混合子訊號Smix2。第一訊號子混合器5011對輸入訊號Sin及第二參考訊號Sref2進行訊號混合以產生第一混合子訊號Smix1。第二訊號子混合器5012對第一參考訊號Sref1及第二參考訊號Sref2進行訊號混合以產生第二混合子訊號Smix2。相位比較器502耦接於基準訊號產生器500，用以比較第三基準訊號S3及第二參考訊號Sref2兩者的相位差以產生相位偵測訊號Spd。第一訊號處理器503耦接於訊號混合器501的第一訊號子混合器5011，用來對第一混合子訊號Smix1進行訊號處理以產生第一處理訊號Sp1。第二訊號處理器504耦接於訊號混合器501的第二訊號子混合器5012，用來對第二混合子訊號Smix2進行訊號處理以產生第二處理訊號Sp2。第三訊號處理器505耦接於相位比較器502，用來對相位偵測訊號Spd進行 訊號處理以產生第三處理訊號Sp3。類比數位轉換器506耦接於第一訊號處理器503、第二訊號處理器504、第三訊號處理器505，用以依據第一處理訊號Sp1、第二處理訊號Sp2、第三處理訊號Sp3產生阻抗偵測結果IMP。

詳細而言，本發明的阻抗量測裝置50可透過相位比較器502比較第三基準訊號S3以及第二參考訊號Sref2來得到輸入訊號Sin的相位資訊，且透過訊號混合器501得到輸入訊號Sin的振幅資訊。因此，本發明的阻抗量測裝置50可依據輸入訊號Sin、以及已知相位的第一參考訊號Sref1及第二參考訊號Sref2精準地判斷待測元件的阻抗。

關於本發明阻抗量測裝置的操作請參考圖6，圖6為本發明實施例一阻抗量測裝置中操作波形的示意圖。以下請配合圖3所繪示的阻抗量測裝置30以較佳的理解圖6所繪示的操作波型。

如圖6所示，在時間0~T1之間，輸入訊號Sin逐漸增加。第一基準訊號S1為低電壓準位且第二基準訊號S2為高電壓準位。相位比較器302產生低電壓準位的相位偵測訊號Spd。在時間T1時，輸入訊號Sin觸發第一基準訊號子產生器3001，使第一基準訊號S1由低電壓準位切換至高電壓準位，因此相位偵測訊號Spd由低電壓準位切換至高電壓準位。在時間T1~T2之間，第二基準訊號S2仍維持在高電壓準位，因此訊號混合器301產生與輸入訊號Sin同相的第一混合子訊號Smix1，相位比較器302產生高電壓準位的相位偵測訊號Spd。在時間T2時，第一參考訊號Sref1 觸發第二基準訊號子產生器3002，使第二基準訊號S2由高電壓準位切換至低電壓準位，因此相位偵測訊號Spd由高電壓準位切換至低電壓準位，且第一訊號子混合器3011產生反相於輸入訊號Sin的第一混合子訊號Smix1。在時間T2~T3之間，相位比較器302產生低電壓準位的相位偵測訊號Spd。在時間T3時，輸入訊號Sin觸發第一基準訊號子產生器3001，使第一基準訊號S1由高電壓準位切換至低電壓準位，因此相位偵測訊號Spd由低電壓準位切換至高電壓準位。在時間T3之後，相位比較器302產生高電壓準位的相位偵測訊號Spd。

綜上所述，本發明的阻抗量測裝置可透過訊號混合器以及相位比較器以分別取得輸入訊號的振幅及相位資訊。另外，透過輸入訊號與參考訊號交互進行正交調變以減少通道間變異的影響，進而提升阻抗量測裝置的精準度。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。

10:阻抗量測裝置

100:基準訊號產生器

101:訊號混合器

102:相位比較器

103:第一訊號處理器

104:第二訊號處理器

105:類比數位轉換器

IMP:阻抗偵測結果

Nin:輸入節點

S1:第一基準訊號

Sin:輸入訊號

Smix:混合訊號

Sp1:第一處理訊號

Sp2:第二處理訊號

Spd:相位偵測訊號

Sref1:第一參考訊號

Nref:參考節點

Claims (12)

1. 一種阻抗量測裝置，適於量測一待測元件的一阻抗，該阻抗量測裝置包括：一訊號混合器，耦接於該待測元件以接收一輸入訊號，用以混合該輸入訊號及一第一參考訊號以產生一混合訊號；一基準訊號產生器，依據該輸入訊號以產生週期性的一第一基準訊號；一相位比較器，依據該第一基準訊號及該第一參考訊號的相位差，以產生一相位偵測訊號；以及一類比數位轉換器，針對該混合訊號及該相位偵測訊號進行類比數位轉換操作，藉以產生一阻抗偵測結果；其中，該基準訊號產生器包括：一第一基準訊號子產生器，依據該輸入訊號以產生該第一基準訊號；一第二基準訊號子產生器，用以產生週期性的一第二基準訊號及週期性的一第三基準訊號，其中該第二基準訊號與該第三基準訊號的相位差為90度；以及一第一類比多工器，耦接於該第二基準訊號子產生器及該訊號混合器之間，依據該第二基準訊號及該第三基準訊號產生該第一參考訊號。
2. 如申請專利範圍第1項所述的阻抗量測裝置，其中該輸入訊號及該第一參考訊號為週期性訊號。
3. 如申請專利範圍第1項所述的阻抗量測裝置，另包括：一第一訊號處理器，耦接於該訊號混合器及該類比數位轉換器之間；以及一第二訊號處理器，耦接於該相位比較器及該類比數位轉換器之間。
4. 如申請專利範圍第3項所述的阻抗量測裝置，其中該第一訊號處理器為一第一濾波器，該第二訊號處理器為一第二濾波器。
5. 一種阻抗量測裝置，適於量測一待測元件的一阻抗，該阻抗量測裝置包括：一訊號混合器，耦接於該待測元件以接收一輸入訊號，用以混合該輸入訊號及一第一參考訊號以產生一混合訊號；一基準訊號產生器，依據該輸入訊號以產生週期性的一第一基準訊號；一相位比較器，依據該第一基準訊號及該第一參考訊號的相位差，以產生一相位偵測訊號；以及一類比數位轉換器，針對該混合訊號及該相位偵測訊號進行類比數位轉換操作，藉以產生一阻抗偵測結果，其中，該基準訊號產生器包括：一第一基準訊號子產生器，依據該輸入訊號以產生該第一基準訊號；以及 一第二基準訊號子產生器，依據該第一參考訊號以產生該第二基準訊號。
6. 如申請專利範圍第5項所述的阻抗量測裝置，其中該第一基準訊號子產生器為一第一比較器，依據該輸入訊號及一共模訊號之電壓差產生該第一基準訊號，該第二基準訊號子產生器為一第二比較器，依據該第一參考訊號及該共模訊號之電壓差產生該第二基準訊號。
7. 如申請專利範圍第5項所述的阻抗量測裝置，其中該混合訊號另包括一第一混合子訊號及一第二混合子訊號，且該訊號混合器另包括：一第一訊號子混合器，用以混合該輸入訊號及該第二基準訊號，以產生該第一混合子訊號；以及一第二訊號子混合器，用以混合該第一參考訊號及該第一基準訊號，以產生該第二混合子訊號，其中，該相位比較器依據該第一基準訊號及該第二基準訊號產生該相位偵測訊號，且該類比數位轉換器另依據該第一混合子訊號、該第二混合子訊號及該相位偵測訊號來產生該阻抗偵測結果。
8. 如申請專利範圍第7項所述的阻抗量測裝置，其中該第一訊號混合器為一第一類比多工器，該第二訊號混合器為一第二類比多工器。
9. 如申請專利範圍第7項所述的阻抗量測裝置，另包括： 一第一訊號處理器，耦接於該第一訊號子混合器及該類比數位轉換器之間；一第二訊號處理器，耦接於該第二訊號子混合器及該類比數位轉換器之間；以及一第三訊號處理器，耦接於該相位比較器及該類比數位轉換器之間。
10. 如申請專利範圍第5項所述的阻抗量測裝置，其中該相位比較器為一反互斥或閘。
11. 如申請專利範圍第5項所述的阻抗量測裝置，其中該混合訊號另包括一第一混合子訊號及一第二混合子訊號，該訊號混合器另包括：一第一訊號子混合器，用以混合該輸入訊號及一第二參考訊號以產生該第一混合子訊號；以及一第二訊號子混合器，用以混合該第一參考訊號及該第二參考訊號以產生該第二混合子訊號。
12. 如申請專利範圍第11項所述的阻抗量測裝置，另包括一多工器，依據該第一基準訊號及該第二基準訊號產生一第三基準訊號至該相位比較器，其中該相位比較器另依據該第三基準訊號及該第二參考訊號產生該相位偵測訊號。

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