一種增強型自動平衡橋及其實現開環補償的方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于阻抗測量領域，具體涉及一種增強型自動平衡橋及其實現開環補償的 方法。
【背景技術】
[0002] 要實現對被測件的電阻R、電感L、電容C、品質因數Q、損耗因數D等參數的測量， 其核心就是進行阻抗的測量，根據阻抗值可推算出其它參數值。目前，實現阻抗測量的方法 有很多種，常用的有電橋法、諧振法、電壓-電流法、RF電壓-電流法、網絡分析法和自動平 衡橋法，每種方法都有各自的優缺點，需要根據不同的應用領域選擇不同的阻抗測量方法。 電橋法具有測量精度高、成本低，但是測量頻率范圍窄，且需要手動調節電橋平衡。諧振法 可以測量具有很高Q值的被測件，但是測量精度低。電壓-電流法適合于探頭類型測試需 要，但是測量頻率范圍受到探頭變壓器的限制。RF電壓-電流法具有很高的測量頻率和測 量頻率范圍，但是測量頻率低于100kHz時，就不能采用這種方法。網絡分析法雖然具有很 高的測量頻率，但是只適用于被測件阻抗為50Ω左右的場合，因此阻抗測量范圍非常窄。 相對于以上介紹的幾種阻抗測量方法，當要求測量頻率f多20Hz時，可選擇自動平衡橋方 法實現阻抗測量，兼具有測量精度高、測量速度快、測量頻率高、阻抗測量范圍廣等優點。
[0003] 目前，常規型自動平衡橋原理圖（如圖1所示），利用運算放大器的虛短原理，使 被測件的低端處于"虛地"狀態，因此可得到Lp端誤差電流Id= 0,即lx=Ir。通過電壓 表1和電壓表2分別測得Vx和Vr值，Rr為量程電阻值，全部采用高精度、低溫漂的標準電 阻，為已知量，這樣就可以計算出被測件阻抗值Zx。
[0004] 采用常規型自動平衡橋方法實現阻抗測量，具有設計簡單、易于實現，但是因為 受限于運算放大器本身的特性，常規型自動平衡橋方法的測量頻率一般最大只能達到 100kHz，為了滿足更高的測量頻率要求，在常規型自動平衡橋方法的基礎上進行改進，得出 一種增強型自動平衡橋方法（如圖2所示），增強型自動平衡橋方法相比常規型自動平衡橋 方法，最大區別在于Lp端的反饋環路不一樣，常規型自動平衡橋方法只使用1個運算放大 器，而增強型自動平衡橋方法使用過零檢測電路、調制-解調電路代替運算放大器，使得增 強型自動平衡橋方法的測量頻率最大能夠達到110MHz，相比常規型自動平衡橋方法，增強 型自動平衡橋方法的測量頻率得到很大程度提高。雖然增強型自動平衡橋方法提高了測量 頻率，但是由于增強型自動平衡橋方法增加了過零檢測電路、調制-解調電路等反饋環路， 這樣就對自動平衡橋快速達到平衡狀態產生了影響，使得目前采用的增強型自動平衡橋方 法普遍存在測量速度慢、測量精度低等問題。
【發明內容】
[0005] 針對現有技術中存在的上述問題，本發明提出了一種增強型自動平衡橋及其實現 開環補償的方法，設計合理，克服了現有技術的不足，具有測量速度快、測量精度高等特點。
[0006] 為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案：
[0007] -種增強型自動平衡橋，包括激勵源、被測件、電壓表、量程電阻、過零檢測電路、 調制-解調電路、四端對接口和測量電纜；
[0008] 所述激勵源，被配置為用于為被測件提供激勵源信號，包括交流信號和直流信號， 交流信號由第一DDS產生；
[0009] 所述電壓表包括第一電壓表、第二電壓表；
[0010] 所述第一電壓表，被配置為用于對被測件進行電壓測量；
[0011] 所述第二電壓表，被配置為用于對量程電阻進行電壓測量；
[0012] 所述量程電阻，被配置為用于根據被測件的阻抗范圍，選擇合適的電阻擋位；
[0013] 所述四端對接口分別為激勵源端He、被測件測量端Hp、量程電阻端Lc、誤差電流 端Lp;
[0014] 所述激勵源、電壓表1、量程電阻、過零檢測電路分別對應于四端對接口的激勵源 端He、被測件測量端Hp、量程電阻端Lc、誤差電流端Lp;
[0015] 所述測量電纜包括第一測量電纜、第二測量電纜、第三測量電纜和第四測量電 纜；
[0016] 所述過零檢測電路，被配置為用于將誤差電流端Lp的誤差電流Id進行過零檢測 并進行信號處理；
[0017] 所述調制-解調電路，被配置為用于對過零檢測電路輸出的信號進行調制和解 調；
[0018] 所述第三測量電纜、過零檢測電路、調制-解調電路、量程電阻和第四測量電纜形 成一個負反饋環路；
[0019] 當自動平衡橋沒有達到平衡狀態時，誤差電流經過第三測量電纜、過零檢測電路、 調制-解調電路、量程電阻、第四測量電纜、第三測量電纜，依次循環，形成負反饋環路，對 負反饋環路的開環損耗進行補償，閉合負反饋環路，自動平衡橋可達到平衡狀態。
[0020] 優選地，所述過零檢測電路包括I/V轉換電路、信號放大電路、交流耦合電路、第 一D/A轉換電路、信號放大及濾波電路和平衡狀態檢測電路，所述I/V轉換電路、信號放大 電路、交流耦合電路、第一D/A轉換電路、信號放大及濾波電路和平衡狀態檢測電路通過線 路依次連接。
[0021] 優選地，所述平衡狀態檢測電路，被配置為用于檢測自動平衡橋是否達到平衡狀 ??τ〇
[0022] 優選地，所述調制-解調電路包括0°方向電路和90°方向電路；
[0023] 所述0°方向電路包括第一乘法器、第一積分器、第一可變增益放大器、第一開關、 第一直流電壓源和第三乘法器，所述第一乘法器的一端、第一積分器、第一可變增益放大器 的一端通過線路依次連接；第一可變增益放大器的另一端和第三乘法器的一端通過第一開 關連接；所述第一開關設置有兩個觸點，其中一個觸點和第一可變增益放大器的另一端連 接，另一個觸點和第一直流電壓源的一端連接，所述第一直流電壓源的另一端接地；
[0024] 所述90°方向電路包括第二乘法器、第二積分器、第二可變增益放大器、第二開 關、第二直流電壓源和第四乘法器，所述第二乘法器的一端、第二積分器、第二可變增益放 大器的一端通過線路依次連接；第二可變增益放大器的另一端和第四乘法器的一端通過第 二開關連接；所述第二開關設置有兩個觸點，其中一個觸點和第二可變增益放大器的另一 端連接，另一個觸點和第二直流電壓源的一端連接，所述第二直流電壓源的另一端接地；
[0025] 第一乘法器的另一端和第二乘法器的另一端組成的公共端連接至過零檢測電路 的輸出端；第三乘法器的另一端和第四乘法器的另一端組成的公共端連接至量程電阻和第 二電壓表組成的公共端。
[0026] 優選地，所述0°方向電路還包括第二D/A轉換電路，所述第二D/A轉換電路連接 至第一積分器的輸入端；所述90°方向電路還包括第三D/A轉換電路，所述第三D/A轉換 電路連接至第二積分器的輸入端。
[0027] 優選地，所述調制-解調電路還包括第三開關、第四開關、第三電壓表；所述第三 開關和第四開關的一端組成公共端連接至第三電壓表的一端，第三電壓表的另一端接地， 所述第三開關的另一端連接至第三乘法器和第四乘法器組成的公共端，第四開關的另一端 連接至第一乘法器和第二乘法器組成的公共端。
[0028] 優選地，所述調制-解調電路還包括第二DSS和反相電路；
[0029] 所述第二DSS輸出第一路參考信號V0和第二路參考信號V90分別至第一乘法器 和第二乘法器，第一路參考信號V0和第二路參考信號V90幅度相等、頻率相等、相位相差 90。；
[0030] 所述第二DSS輸出的第一路參考信號V0和第二路參考信號V90,經反相電路輸出 第三路參考信號V180和第四路參考信號V270分別至第三乘法器和第四乘法器，第三路參 考信號V180和第四路參考信號V270幅度相等、頻率相等、相位相差90°。
[0031] 此外，本發明還提到一種增強型自動平衡橋的開環補償方法，該方法采用所述的 一種增強型自動平衡橋，按照如下步驟進行：
[0032] 步驟1 :進行增強型自動平