一種增強型自動平衡橋及其實現阻抗測量的方法
【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阻抗測量的 方法。
【背景技術】
[0002] 要實現對被測器件或電路的電阻R、電容C、電感L、品質因數Q等參數的測量，其核 心就是阻抗的測量，根據阻抗值可計算出其它參數值。目前，實現阻抗測量的方法有很多 種，比如電橋法、諧振法、電壓-電流法、RF電壓-電流法、網絡分析法、自動平衡橋法等，每種 方法都有各自的優缺點。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 動調節平衡。諧振法可以測量很高的Q值，但是測量精度低。電壓-電流法適合于探頭類型測 試需要，但是工作頻率范圍受到探頭變壓器限制。RF電壓-電流法和網絡分析法具有高的測 量頻率和范圍，但是測量頻率低于100kHz時，就不能采用這兩種方法。相對于以上幾種方 法，當要求測量頻率20Hz時，選擇自動平衡橋方法實現阻抗測量，具有測量精度高、測量 速度快、阻抗測量范圍廣等優點。
[0003] 目前，常規的自動平衡橋原理圖（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，即可得到Lp端誤差電流ld = 0,因此Ix=Ir。通過電壓表測得 Vx和Vr值，Rr為已知量，就可計算出被測件阻抗值。
[0004] 采用常規自動平衡橋方法實現阻抗測量，雖然電路簡單、容易實現，但是因為受限 于運算放大器的特性，測量頻率一般只能達到100kHz，測量精度低、測量速度慢、阻抗測量 范圍窄。
【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 阻抗測量的方法，設計合理，克服了現有技術的不足，測量精度高、測量速度快、阻抗測量范 圍廣。
[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、和四端對接口；
[0008] 所述激勵源，被配置為用于為被測件提供激勵源信號；
[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、被測件測量端、量程電阻端、誤差電流端；
[0014] 所述激勵源、第一電壓表、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、被測件測量端、量程電阻端、誤差電流端；
[0015] 所述過零檢測電路，被配置為用于將誤差電流端的誤差電流進行過零檢測并進行 信號處理；
[0016] 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。
[0017] 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。
[0018] 優選地，所述調制-解調電路包括0°方向電路和90°方向電路；
[0019]所述0°方向電路包括第一乘法器、第一積分電路、第四D/A轉換電路和第三乘法 器，所述第一乘法器的一端、第一積分電路、第四D/A轉換電路和第三乘法器的一端通過線 路依次連接；
[0020] 所述90°方向電路包括第二乘法器、第二積分電路、第七D/A轉換電路和第四乘法 器，所述第二乘法器的一端、第二積分電路、第七D/A轉換電路和第四乘法器的一端通過線 路依次連接；
[0021] 所述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信號放大 及濾波電路和平衡狀態檢測電路組成的公共端;所述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。
[0022]優選地，所述0°方向電路還包括第五D/A轉換電路，所述90°方向電路還包括第六 D/A轉換電路；
[0023] 所述第五D/A轉換電路的一端與第二積分電路和第七D/A轉換電路組成的公共端 相連，另一端與第四D/A轉換電路和第三乘法器組成的公共端相連；
[0024] 所述第六D/A轉換電路的一端與第一積分電路和第四D/A轉換電路組成的公共端 相連，另一端與第七D/A轉換電路和第四乘法器組成的公共端相連。
[0025]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。
[0026] 優選地，所述調制-解調電路還包括第二DSS和反相電路；
[0027]所述第二DSS輸出第一路參考信號和第二路參考信號分別至第一乘法器和第二乘 法器，第一路參考信號和第二路參考信號幅度相等、頻率相等、相位相差90°;
[0028]所述第二DSS輸出的第一路參考信號和第二路參考信號，經反相電路輸出第三路 參考信號和第四路參考信號分別至第三乘法器和第四乘法器，第三路參考信號和第四路參 考信號幅度相等、頻率相等、相位相差90°。
[0029] 此外，本發明還提到一種阻抗測量方法，測量前首先進行過零檢測電路和調制-解 調電路的校準，該方法采用上述的一種增強型自動平衡橋，校準方法按如下步驟進行：
[0030] 步驟1:對過零檢測電路和調制-解調電路進行初始化；
[0031] 步驟2:對過零檢測電路的直流信號進行調零校準；
[0032] 步驟3:對調制-解調電路進行增益校準；
[0033] 步驟4:對調制-解調電路進行相位校準；
[0034] 步驟5:對調制-解調電路進行偏移校準；
[0035] 步驟6:判斷自動平衡橋是否達到平衡狀態，若沒有達到平衡狀態，則重新執行步 驟2~5,若達到平衡狀態，則開始電壓信號測量。
[0036] 在自動平衡橋達到平衡狀態后，進行阻抗測量，測量方法包括如下步驟：
[0037] 步驟1:通過第一電壓表Vx和第二電壓表Vr對電壓信號進行電壓測量；
[0038] 步驟2:根據公式?」，=Rr__g計算出被測件的阻抗值Zx;式中，Rr為標準電阻，Vx和 Vr分別為第一電壓表和第二電壓表測量的電壓信號值。
[0039]本發明的原理是：
[0040] 采用四端對輸出接口，即He端、Hp端、Lp端和Lc端。He為激勵源端，包括交流信號和 直流信號，其中交流信號采用DDS實現，直流信號采用16bit的D/A轉化器實現，將交流信號 和直流相疊加，進行放大后施加到被測件DUT上。Hp為被測件高端電壓測量端，對被測件上 電壓Vx進行測量。Lc為量程電阻端，根據被測件阻抗值，選擇相應的量程電阻擋位，對量程 電阻Rr上電壓Vr進行測量。Lp為誤差電流端，該端電流Id等于被測件上電流lx與量程電阻 上電流Ir之差。
[0041] 當自動平衡橋沒有達到平衡狀態時，即誤差電流端Lp端的誤差電流Id不等于零， 誤差電流Id經過過零檢測電路和調制-解調電路，進行相應轉換和處理，包括進行幅度調節 和相位調節，最后經過緩沖器反饋到Lc端量程電阻上，以抵消lx與Ir的差值，直到Ix=Ir， 即ld = 0，自動平衡橋達到平衡狀態，因此，被測件低端稱為自動平衡橋的虛地點。
[0042] 當自動平衡橋達到平衡狀態后，Id為零，即Ix = Ir，因此被測件的阻抗值Zx為：
[0043] Zx = = -21 = Rr 771 ⑴ Ax ir vr
[0044] 其中，Rr為標準電阻，為已知量，Vx和Vr為待測量，因此，通過公式（1)即可計算出 被測件的阻抗值Zx。
[0045] 本發明所帶來的有益技術效果：
[0046] 本發明提出了一種增強型自動平衡橋及其實現阻抗測量的方法，與現有技術相 比，一種增強型自動平衡橋及其實現阻抗測量的方法，采用過零檢測電路與調制-解調電路 使得自動平衡橋能夠快速、準確地達到平衡狀態，實現了測量精度高、測量速度快、阻抗測 量范圍廣，測量頻率范圍達到20Hz~110MHz;采用DDS為調制-解調電路提供參考信號，準確 地實現兩路參考信號相位相差90° ;增加自動平衡橋的平衡狀態檢測電路，為自動平衡橋快 速達到平衡狀態提供有力保證;在調制-解調電路中，采用4個交叉式D/A轉換電路，進行增 益校準，實現自動平衡橋快速達到平衡狀態。
【附圖說明】
[0047]圖1是常規自動平衡橋的原理圖。
[0048]圖2是本發明一種增強型自動平衡橋的原理圖。
[0049] 圖3是本發明一種增強型自動平衡橋中過零檢測電路的原理圖。
[0050] 圖4是本發明一種增強型自動平衡橋中調制-解調電路的原理圖。
[0051] 圖5是本發明一種增強型自動平衡橋中過零檢測電路和調制-解調電路的校準流 程圖。
[0052]圖6是本發明一種增強型自動平衡橋實現阻抗測量的原理圖。
[0053]圖7是本發明一種采用增強型自動平衡橋實現阻抗測量方法的流程框圖。
【具體實施方式】
[0054]下面結合附圖以及【具體實施方式】對本發明作進一步詳細說明：
[0055] 實施例1:
[0056] 如圖2所示，一種增強型自動平衡橋，采用四端對接口，包括被測件DUT、激勵源、量 程電阻Rr、過零檢測電路、調制-解調電路、電壓表1、電壓表2,通過執行調零校準、增益校 準、相位校準和偏移校準，自動平衡橋能夠快速、準確地達到平衡狀態。
[0057] 如圖3所示，一種過零檢測電路，主要包括I/V轉換、信號放大、交流耦合、D/A轉換 器N1、信號放大及濾波、平衡狀態檢測等電路。當Lp端誤差電流Id不為零時，先將Id送到I/V 轉換電路，轉換成電壓信號，并進行信號放大和交流耦合，只輸出交流信號，利用D/A轉換器 N1為過零檢測電路的輸出提供直流偏置信號，使B點直流信號約為零。將A點信號進行放大 和濾波后，在調制-解調電路之前，設計了一個自動平衡橋的平衡狀態檢測電路，當自動平 衡橋達到平衡狀態時，檢測電路輸出高電平，反之輸出低電平，檢測電路輸出的狀態值送到 FPGA中進行判斷和處理。
[0058]如圖4所示，一種調制-解調電路，主要由0°方向電路和90°方向電路組成，具體包 括乘法器1、乘法器2、乘法器3、乘法器4、積分器1、積分器2、D/A轉換器N2、D/A轉換器N3、D/A 轉換器N4、D/A轉換器N5、D/A轉換器N6、D/A轉換器N7以及DDS_2。
[0059] DDS_2