专利名称：确定复合阻抗元件的阻抗的特性以便于其阻抗的表征的测量电路和方法
技术领域：
本发明涉及确定复合阻抗元件的阻抗的特性，以便于其阻抗的表征的测量电路，特别涉及(但不限于)确定阻抗型传感器的阻抗的特性，以便易于测量由于外部效应的结果这种传感器的阻抗的变化的测量电路。本发明还涉及确定复合阻抗元件的阻抗的特性，以便于其阻抗的表征的方法，特别涉及(但不限于)确定阻抗型传感器的阻抗的特性，以便易于测量由于外部效应的结果这种传感器的阻抗的变化的方法。
背景技术：
阻抗型传感器众所周知，一般用于在传感器的阻抗对被测量的特定变量敏感的地方测量诸如温度、压力、体积、密度、粘度之类的变量。这种阻抗型传感器还用在金属探测器，邻近探测器中，用于确定一件物品与另一件物品的接近度等。但是，许多这样的传感器的阻抗是复合的，传感器包括来自电容元件或电感元件的大量电抗。在这种传感器中，复合阻抗包含电阻元件，以及电抗元件。电抗元件使通过传感器的电流前移或迟延电压。通常由字母Z表示的复合阻抗从而可由等式Z＝R+jX表示，R代表阻抗的电阻元件，X是电抗元件。复合阻抗一般作为频率的函数而变化，因此，为了确定正被测量的变量，必须确定将进行变量的测量的频率范围。
其中阻抗是复合阻抗的阻抗型传感器的例子是压电谐振器，比如弯条器(bar bender)，盘弯曲器(disc bender)，悬臂，音叉，微型机械加工膜和扭转谐振器。这样的传感器适合用于测量液体的粘度和密度，例如参见L.F.Matsiev的论文“Application of flexural mechanical resonatorsto high throughput liquid characterization”，Proceedings of 2000 IEEEInternational Ultrasonics Symposium，2000年10月22-25，第427-434页。Matsiev说明了这种阻抗型传感器在各种液体的密度和粘度的测量中的应用。这种传感器的阻抗随液体，正被测量的密度或粘度而变化。
这种阻抗型传感器还可用于测量气体的密度和粘度，测量上面已说明的其它许多变量。一般来说，这种阻抗型传感器要求向传感器不断施加激励频率信号，以便分析来自传感器的响应信号。此外，一般来说，必须能够在频率范围内扫描激励信号。所有这种阻抗型传感器的应用要求提供许多独立的元件，以允许利用这样的传感器测量待测液体的密度或粘度。
首先，需要信号发生器，用于产生施加于阻抗型传感器的激励频率信号。另外，信号发生器必须能够在适合于进行所需测量的频率范围内扫描激励信号。其次，一般需要一个独立的信号调节电路，用于在把激励信号应用到阻抗型电路之前，调节激励信号。第三，需要一个独立的信号分析电路，用于分析响应激励信号来自于传感器的响应信号。第四，一般来说，需要一个独立的信号调节电路，用于在分析电路中分析响应信号之前，调节响应激励信号从传感器接收的响应信号。在响应信号的分析之后，随后在独立的电路中确定待测量的变量的测量值。这导致许多问题，尤其是每个这样的电路，即，信号发生器，信号调节电路和信号分析电路均在各信号中引入误差。用于使失配误差最小化的各个独立电路的组件的匹配也存在问题。此外，每个独立电路引入信号中的误差是累积的。这种方案的另一问题在于必须设立信号发生器，以便在特定频率下不断提供激励信号，另外，信号发生器必须能够精确地扫过(sweep)适当的频率范围，取决于正被测量的变量和液体。
另外，在电路，例如具有复合阻抗的电路的测试中，以及在传输线路，例如在局域网、远程通信等中使用的传输线路的测试中(所述电路和传输线路均包括复合阻抗)，必须确定这种电路和传输线路的阻抗的特性。这也需要不断向被测试的阻抗电路或者传输线路施加可变频率的激励信号，同时分析响应激励信号从阻抗电路或传输线路收到的响应信号。这种阻抗电路和传输线路的测试也要求提供一个独立的信号发生器来产生激励信号，一个独立的调节电路，用于在激励信号被应用于待测试电路之前，调节激励信号，一个独立的调节电路，用于调节响应激励信号接收的信号，和一个独立的分析电路，用于分析响应激励信号接收的响应信号。由于必须使用独立的电路来确定这种阻抗电路和传输线路的阻抗特性，如同已关于阻抗型传感器说明的那样，在阻抗特性的测量中出现类似的问题。
于是，需要一种克服这些问题的，确定复合阻抗元件，例如阻抗型传感器，具有复合阻抗的电路或传输线路的阻抗的特性，以便于其阻抗的表征的测量电路和方法。
本发明的目的在于提供这样的测量电路和方法。
发明内容
根据本发明，提供一种确定复合阻抗元件的阻抗的特性，以便于(facilitate)复合阻抗元件的阻抗的表征的测量电路，所述测量电路在单一芯片上实现，并且包括信号发生电路，用于产生可选频率的模拟激励信号，以便施加到复合阻抗元件，第一接收电路，用于接收响应激励信号，来自复合阻抗元件的模拟响应信号，并输出表示复合阻抗元件的阻抗的特性的第一输出信号，用于复合阻抗元件的阻抗的表征。
在本发明的一个实施例中，第一接收电路可输出表示由复合阻抗元件引起的激励信号的相移和幅度变化之一的第一输出信号。最好，第一接收电路可有选择并且交替地输出表示由复合阻抗元件引起的激励信号的相移和幅度变化之一的第一输出信号。
在本发明的另一实施例中，第一接收电路包含可选择的第一转换电路，用于把来自复合阻抗元件的模拟响应信号转换成适合于与激励信号比较的电压信号。最好，第一转换电路包含可选择的第一均方根(RMS)-DC电压转换器，用于把来自复合阻抗元件的模拟响应信号转换成与模拟响应信号的RMS电压值对应的DC电压电平。
在本发明的另一实施例中，第一接收电路包含电流-电压转换电路，用于把模拟响应信号转换成模拟电压信号。
最好，第一接收电路包含第一模-数转换器，用于把来自复合阻抗元件的模拟响应信号转换成数字信号，以便以数字信号的形式提供第一输出信号。
在本发明的一个实施例中，第一接收电路包含第一存储装置，用于保存数字形式的第一输出信号。
在本发明的另一实施例中，校准电路在所述芯片上，用于确定校准系数以便校准第一接收电路，所述校准电路包括保存校准系数的系数存储装置。最好，在所述芯片上设置补偿电路，用于有选择地把校准系数应用于第一输出信号，以便关于由第一接收电路引入响应信号中的误差校正第一输出信号。有利的是，在所述芯片上设置第一耦合电路，用于有选择地把激励信号施加到第一接收电路，以便校准第一接收电路。
在本发明的一个实施例中，在所述芯片上设置第二接收电路，用于接收模拟激励信号，输出代表激励信号的第二输出信号，以便与第一输出信号比较，以实现复合阻抗元件的阻抗的特性的确定。最好，第二接收电路包含把模拟激励信号转换成数字信号，从而以数字信号的形式提供第二输出信号的第二模-数转换器。
在本发明的一个实施例中，第二接收电路包含保存数字形式的第二输出信号的第二存储装置。
在本发明的另一实施例中，第二接收电路包含可选择的第二RMS-DC电压转换器，用于把模拟激励信号转换成与模拟激励信号的RMS值对应的电压电平的DC信号。
在本发明的一个实施例中，第二接收电路包含输入信号开关电路，用于有选择并且交替地把模拟激励信号和来自温度传感器的信号之一施加到第二接收电路。
在本发明的另一实施例中，温度传感器设置在所述芯片上。
在本发明的又一实施例中，在所述芯片上设置第二耦合电路，用于有选择地把模拟激励信号施加到第二接收电路。
在本发明的一个实施例中，在所述芯片上设置信号处理电路，用于处理第一输出信号和第二输出信号之一或者两者，输出由第一输出信号和第二输出信号之一或者两者的处理产生的第三输出信号。
最好，信号发生电路包含设置激励信号的电压电平和电流电平之一的信号调节电路。
在本发明的一个实施例中，信号发生电路包含产生激励信号的直接数字合成频率信号发生器。
在本发明的一个实施例中，直接数字合成频率信号发生器包含相位累积器，它包括响应时钟信号的每个周期，把其计数递增频率确定数字字直到预定的最大计数值为止，或者从预定的最大计数值开始把其计数递减频率确定数字字，相位-幅度转换器，用于把来自相位累积器的计数值转换成代表激励信号的幅度值的数字字，和数-模转换器，用于把来自相位-幅度转换器的数字字转换成激励信号。
最好，相位-幅度转换器包含查寻表，代表激励信号的幅度值的数字字与相位累积器输出的从0到预定最大计数值的计数值被交叉引用(cross-reference)。
有利的是，信号发生器产生的激励信号是正弦波形。
在本发明的一个实施例中，设置第一旁路电路，以便把来自相位累积器的计数值直接施加到数-模转换器，从而从数-模转换器提供的激励信号是三角波形。
在本发明的另一实施例中，第二旁路电路给数-模转换器设旁路，以便把来自相位累积器的计数值施加到比较器，比较计数值的最高有效位与参考值，从而以矩形波形的形式提供激励信号。
在本发明的又一实施例中，直接数字合成频率信号发生器包含加法器，用于把相位偏移数字字与相位累积器输出的每个计数值相加，从而使激励信号的相位偏移预定的偏移量。最好，相位偏移数字字是可选择的，以便选择激励信号的相位偏移。有利的是，频率确定数字字是可选的，以便选择激励信号的频率。
在本发明的一个实施例中，测量电路被实现成集成电路。
另外，本发明提供一种确定复合阻抗元件的阻抗的特性以便于复合阻抗元件的阻抗的表征的方法，所述方法包括下述步骤在单一芯片上设置信号发生电路，用于产生可选频率的模拟激励信号，以便施加到复合阻抗元件，在所述单一芯片上设置第一接收电路，用于接收响应激励信号，来自复合阻抗元件的模拟响应信号，并输出表示复合阻抗元件的阻抗的特性的第一输出信号，用于复合阻抗元件的阻抗的表征，操作信号发生电路，以便把激励信号施加到复合阻抗元件，把响应激励信号，来自复合阻抗元件的模拟响应信号施加到第一接收电路，和操作第一接收电路，输出表示复合阻抗元件的阻抗的特性的第一输出信号。
本发明的优点本发明的优点很多。由于测量电路实现在单一芯片上，因此测量电路输出的第一输出信号中的误差被降至最小。这是因为在信号发生电路和第一接收电路之间几乎不存在信号误差的累积。另外，由于测量电路实现在单一芯片上，信号发生电路和第一接收电路的相应组件能够相当精确地被匹配。此外，当测量电路设有第二接收电路时，可类似地使第二接收电路中的组件相当精确地与信号发生电路和第一接收电路中的组件匹配。从而，由测量电路的参比(ratiometric)操作引起的测量电路的相应电路的失配被降至最小。另外，可使测量电路中的任何漂移降至最小。当测量电路被实现成集成电路时，信号发生电路及第一和第二接收电路的组件的匹配被进一步简化。
根据本发明的测量电路尤其便于迅速并且容易地确定来自复合阻抗元件的对施加到复合阻抗元件的激励信号起反应的响应信号中的相移和幅度变化。另外，还能够迅速并且容易地确定复合阻抗元件的频率响应。
另外，在单一芯片上设置测量电路便于整个测量电路的同步计时。此外，在根据本发明的测量电路中，基本消除了R-C计时分量，比如在使用离散元件的情况下出现的低频瞬态干扰和高频干扰。现有电路中的这种R-C计时分量起因于上面安装离散元件的印刷电路板的迹线(track)的迹线电阻和迹线的相关电容及电感。在较高的频率下，这种R-C分量特别成问题，导致相位误差以及其它误差。因此，通过以单一芯片上的集成电路的形式提供根据本发明的测量电路，能够有效地消除这种R-C计时(timing)分量。
此外，通过在单一芯片上设置测量电路，其上设置测量电路的印刷电路板的板面积需求明显低于在印刷电路板上安装离散组件的现有方案的板面积需求。
通过把信号发生电路实现成直接数字合成频率信号发生器，根据本发明的测量电路的性能被显著提高。另外，测量电路适合于确定各种各样的复合阻抗元件，例如各种各样的复合阻抗传感器，和复合阻抗电路的频率响应，尤其是，直接数字合成频率信号发生器的提供允许测量电路以一系列的频率分辨率产生频率范围宽大的激励信号。另外，把信号发生电路实现成直接数字合成频率信号发生器允许快速、容易地以数字方式选择激励信号的频率范围，同样可以迅速、容易地以数字方式选择将要扫过激励信号的频率阶跃的分辨率。在频率发生器中提供把相位偏移数字字与来自相位累积器的计数相加的加法器得到另一优点，即，能够迅速且容易地使激励信号的相位偏移所需的可选量。
通过恰当地选择相位累积器的计数器的位大小，以及信号发生器的数-模转换器的位大小，能够获得相当高的频率分辨率。
参考附图，根据只是作为非限制性例子给出的本发明的一个实施例的下述说明，将更清楚地理解本发明及其优点。
图1是根据本发明的用于确定复合阻抗电路的阻抗的特性，以便于其阻抗的表征的测量电路的方框图，图2是更详细地表示图1的测量电路的一部分的方框图，
图3是更详细地表示图1的测量电路的另一部分的方框图。
具体实施例方式
参见附图，图中图解说明了根据本发明的用于确定复合阻抗元件，即复合阻抗电路2的阻抗的特性，以便于复合阻抗电路2的阻抗的表征的测量电路1。在本发明的该实施例中，测量电路1对复合阻抗电路2应用下面说明的可选频率的模拟电压激励信号，并且可有选择地工作，以便输出第一输出信号，所述第一输出信号表示在各个不同频率下，由电路2的复合阻抗导致的激励信号中的相移和幅度变化。复合阻抗电路2可以是其中阻抗是复合阻抗的任何阻抗电路或元件，例如其阻抗的特性将被确定的具有复合阻抗的电路，或者传输线路。另外，复合阻抗电路2可以是阻抗型传感器，尤其是可以是测量液体或气体的粘度或密度的那种阻抗型传感器，例如压电谐振器，包括弯条器，盘弯曲器，悬臂，音叉，微型机械加工膜和扭转谐振器。这种阻抗型传感器为本领域的技术人员公知，不打算更详细地描述这样的传感器。在上面提及的L.F.Matsiev的文章“Application of flexural mechanical resonators to high throughputliquid characterization”中给出了这种阻抗型传感器及其应用的描述。
利用CMOS技术，测量电路1被实现成单一芯片5上的集成电路，包括用于产生通过输入端8应用于复合阻抗电路2的可变频率的三种不同电压激励信号的信号发生电路7。信号发生电路7产生的三种不同激励信号是可变频率的正弦波，可变频率的方波和可变频率的三角波。
第一接收电路10通过输入端11，接收响应每个激励信号，来自复合阻抗电路2的模拟响应信号。如下所述，第一接收电路10调节并把每个模拟响应信号变换成数字形式，使得以数字形式提供第一输出信号。通过第一数字输出端口14，从第一接收电路10读出第一输出信号。第一数字输出端口14包含第一串行数据输出端15，第一时钟信号端16和第一允许读出端17。
提供第二接收电路20，用于通过第二输入端21接收模拟激励信号。如下所述，第二接收电路20调节并把模拟响应信号变换成数字形式的第二输出信号，在第二数字输出端口22，从第二接收电路20读出数字形式的第二输出信号。第二数字输出端口22包含第二串行数据输出端23，第二时钟信号端24和第二允许读出端25。
通过分别在第一和第二数字输出端口14和22同时提供数字形式的响应信号和激励信号，能够容易地相互比较响应信号和激励信号，以便确定由复合阻抗电路2引起的响应信号相移。另外，在第一输出端口14的数字形式的响应信号的提供允许由要确定的激励信号的频率方面的变化产生的来自复合阻抗电路2的响应信号的电压方面的变化。此外，通过分别在第一和第二数字输出端口14和22同时提供激励信号和对应的响应信号，便于将在激励信号和响应信号之间进行的其它比较，以便确定复合阻抗电路2的阻抗的特性，从而进一步便于复合阻抗电路2的阻抗的表征。
数字接口和控制逻辑电路28控制测量电路1，尤其是信号发生电路7的操作，如下所述。数字输入端口29便于把数字数据输入接口和控制逻辑电路28，以便选择要产生的激励信号的种类，激励信号将被扫过的频率范围，以及激励信号将被扫过的频率阶跃之间的频率阶跃大小，以及选择将在其下产生激励信号的相位偏移(如果有的话)。将以其产生激励信号的所需最大幅度值也通过数字输入端口被输入控制电路28。下面更详细地讨论测量电路的这些方面。数字输入端口29包含串行数据输入端30，串行时钟端子31和帧同步端子32，适合于按照I2C、SPI或者任何其它通信协议通信。但是，如果需要，可以并行端口的形式提供数字输入端口，这将取决于接口和控制电路28。
模拟和数字接地端子34和35分别为电路的模拟部分和测量电路1的数字部分提供外部接地。设置第一电源电压端子36，以便接收向测量电路1模拟部分供电的5伏直流电源。设置第二电源电压端子37，以便接收向测量电路1的数字部分供电的约2.7伏的电源电压。电压调节器38调节在第二端子37收到的电源电压，以便为测量电路1的数字部分输出2.5伏的稳定电源。但是，在电源电压端子36和37提供的电压将取决于测量电路的数字和模拟部分。设置一个主时钟端子40，用于接收信号发生电路7的外部主时钟信号，根据外部主时钟信号可得到激励信号的频率。施加于主时钟端子40的外部主时钟信号可以是任何适当的频率，但是，在本发明的该实施例中，50MHz的外部时钟信号被施加于主时钟端子40。如本领域的技术人员所理解的那样，对测量电路1的数字部分提供时钟的时钟信号由接口和控制电路28从主时钟信号得到。
现在参见图2，信号发生电路7包含一个信号发生器43，在本发明的该实施例中，信号发生器43被实现成直接数字合成频率信号发生器，用于根据主时钟信号产生三种可变频率的激励信号。信号发生器43包含相位累积器(accumulator)45，在本发明的该实施例中，相位累积器45被实现成一个32位计数器，在主时钟信号的每个周期，所述32位计数器把其计数递增一个频率确定数字字。一对第一存储寄存器47和48保存两个频率确定数字字，以便载入相位累积器45中，从而确定激励信号的频率。频率确定数字字由控制电路28顺序写入第一存储寄存器47和48，从第一存储寄存器47和48交替载入频率确定数字字，以通过频率阶跃使激励信号的频率顺序步进(step)。换句话说，激励信号的当前频率的频率确定数字字从第一寄存器47和48之一被载入，而激励信号的下一频率值的频率确定数字字从第一寄存器47和48中的另一个被载入。从而，这避免了当激励信号的频率被从一个频率值变到下一频率值时的迟延。受控制电路28控制的第一多路复用器49把第一寄存器47和48中的恰当一个寄存器切换到相位累积器45。
只读存储器(ROM)50保存查寻表，查寻表交叉引用相位累积器45从0到其最大计数值输出的计数值与对应的10位数字字，所述10位数字字代表从其得到正弦波形式的激励信号的正弦波的幅度值。在主时钟的每个时钟周期，代表与相位累积器45输出的计数值对应的幅度值的数字字读取自ROM50，并在控制电路28的控制下通过第二多路复用器52被载入数-模转换器(DAC)51，DAC51再输出对应幅度值的模拟电压。在本发明的该实施例中，DAC51是10位DAC，来自相位累积器45的32位输出计数值被截短为12个最高有效位，因为使用相位累积器45的全部32位不切实际且不必要，并且会需要ROM50中具有232个条目的查寻表。本发明的该实施例中的ROM50保存代表正弦波的一个象限的幅度值，根据相位累积器45输出的计数值的前两位最高有效位确定正弦波的象限。
第一旁路电路53旁路ROM50，以便通过第二多路复用器52，把数字计数值的10个最高有效位直接从相位累积器45载入DAC51，再用于以三角波的形式产生激励信号。三角波的频率与如果ROM50未被旁路，由DAC51产生的正弦波的频率相似。
第二旁路电路54旁路ROM50和DAC51，以便把计数值的最高有效位从相位累积器45施加于比较器55的正输入端。约为来自电压调节器38的调节电源电压的一半的参考电压Vref被施加于比较器55的负输入端，响应来自相位累积器45的计数值的最高有效位，比较器55以方波的形式输出激励信号，所述方波通过第三多路复用器57被施加在信号发生电路7的输出线路56上。方波电压信号的频率与如果ROM不被旁路，那么理应由DAC51产生的正弦波的频率相似。
响应选择的激励信号的种类，第二和第三多路复用器52和57在接口和控制电路28的控制下工作。在需要正弦波形的激励信号的情况下，第二多路复用器52被起动，以便把代表正弦波的幅度的数字字施加于DAC51，第三多路复用器57被起动，以便把DAC51的输出电压施加于输出线路56。为了提供三角波形的激励信号，第二多路复用器52被起动，以便通过第一旁路电路53把来自相位累积器45的计数值直接施加于DAC51，第三多路复用器57被起动，以便把DAC51的输出电压施加于输出线路56。为了提供矩形波形的激励信号，第三多路复用器57被起动，以便把来自比较器55的输出施加于输出线路56。
位于相位累积器45之后的加法器58把偏移确定数字字与相位累积器45的每个输出计数相加，以便产生具有相位偏移的激励信号。一对14位的第二存储寄存器59和60保存相应的偏移确定数字字，受控制电路28控制的第四多路复用器61有选择地把第二寄存器59和60切换到加法器58。响应通过数字输入端口29输入控制电路28的所需相位偏移，偏移确定数字字由控制电路28写入相应的第二寄存器59和60。在本发明的该实施例中，第二寄存器59和60交替保存所需的当前相位偏移，和所需的下一相位偏移的偏移数字字。
输出线路56上，由信号发生器43输出的频率信号被施加到信号调节电路63，信号调节电路63设置将通过输出端8被应用于复合阻抗电路2的激励信号的最大电压幅度。在本发明的该实施例中，信号调节电路63由可编程增益元件提供，并在控制电路28的控制下工作，提供所需最大电压幅度值的激励信号。
现在参见图1和3，第一接收电路10包含模拟电流-电压转换器64，用于把来自复合阻抗电路2的响应信号(它一般是模拟电流信号)转换成模拟电压信号。在本发明的该实施例中，电流-电压变换器64由运算放大器(op-amp)65实现。模拟响应电压信号通过第五多路复用器67被有选择地施加到第一模-数转换器68，第一模-数转换器68把响应电压信号转换成数字值，从而提供数字形式的第一输出信号。第一模-数转换器68是一个12位的模-数转换器，第一输出信号的数字值通过多路分解器69和第一数字输出端口14，从第一模-数转换器68被读取。第一均方根(RMS)-DC电压转换电路70把响应电压信号成与响应电压信号的RMS电压对应的DC电压电平信号，来自第一转换电路70的DC电压电平通过第五多路复用67被选择地施加到第一模-数转换器68。第五多路复用器67在控制电路28的控制下工作，用于有选择地把来自电流-电压转换器64的模拟电压响应信号和来自第一RMS-DC电压转换电路70的DC电压电平信号中的一个或另一个施加到第一模-数转换器68。
在期望通过第一数字输出端口14读取的第一输出信号表示由复合阻抗电路2引起的响应信号跟激励信号的相移的情况下，第五多路复用器67被起动，以便把来自电流-电压转换器64的响应电压信号施加到第一模-数转换器68。另一方面，在期望通过第一数字输出端口14读取的第一输出信号表示出由复合阻抗电路2引起的激励信号的幅度变化的情况下，在接口和控制电路28的控制下起动第五多路复用器67，以便把来自第一RMS-DC电压转换电路70的DC电压电平信号施加到第一模-数转换器68。
包含第一RAM71的第一存储装置保存来自第一模-数转换器68的第一输出信号的数字值，以便于第一输出信号的后续读出。通过第一数字输出端口14，从第一RAM71读取第一输出信号的保存数字值。
再次参见图1，第二接收电路20包含第二RMS-DC电压转换器72，第二RMS-DC电压转换器72把激励信号转换成与激励信号的RMS电压对应的DC电压电平信号。受控制电路28控制的第六多路复用器73有选择地把来自第二RMS-DC电压转换器72的DC电压信号，或者把激励信号直接施加到第二模-数转换器75，第二模-数转换器75再提供数字形式的第二输出信号。第二模-数转换器75是一个12位的模-数转换器，通过第二数字输出端口22，从第二模-数转换器75读取第二数字输出信号。
第六多路复用器73在控制电路28的控制下被操作，以便把激励信号直接施加到第二模-数转换器75，当第一接收电路10的第五多路复用器67被起动，以便把来自电流-电压转换器64的响应电压信号施加到第一模-数转换器68，以便于响应信号跟激励信号的相移的比较。当第五多路复用器67被操作，以便把来自第一RMS-DC电压转换电路70的DC电压信号施加到第一模-数转换器68时，如果希望比较第一和第二输出信号的DC电压电平，那么第六多路复用器73在控制电路28的控制下被操作，以便把来自第二RMS-DC电压转换器72的DC电压信号施加到第二模-数转换器75。
第六多路复用器73还在控制电路28的控制下有选择地把来自片上温度传感器77的模拟温度信号施加到第二模-数转换器75，第二模-数转换器75把温度信号转换成数字形式，以便于通过第二数字输出端口22的芯片5的温度的读取。通过第二数字输出端口22读取的温度信号随后可被用于校正第一和第二数字输出信号的温度偏移。温度传感器77可以是任何所需的结构，一般可由采取Brokaw(布罗考)电池的形式，在不同的电流强度下工作的一对二极管连接的双极晶体管提供。还可设置向Brokaw电池提供电流的恰当电源。另一方面，温度传感器77可用从位于外部的温度传感器接收模拟温度信号的输入端代替，所述位于外部的温度传感器可位于复合阻抗电路2中，以便于通过第一数字输出端口14读出的第一数字输出信号的随后温度偏移校正。
包含第二RAM78的第二存储装置保存来自第二模-数转换器75的第二数字输出信号的数字值，以便于随后通过第二数字输出端口22从第二接收电路20读出第二数字输出信号。
在芯片5中形成的第一耦合电路80有选择地使信号发生电路7的第一输出端8通过第一CMOS开关81与第一接收电路10的第一输入端11耦接。同样在芯片5中形成的第二耦合电路82有选择地使信号发生电路7的输出端8通过第二CMOS开关83与第二接收电路20的第二输入端21耦接。在控制电路28的控制下，有选择地操作第一和第二CMOS开关81和83，以便直接向第一和第二接收电路10和20施加激励信号。
在芯片5中形成的校准电路85分别通过第三和第四CMOS开关86和87，分别与第一和第二模-数转换器68和75的数字输出端耦接。第一模-数转换器68通过多路分解器69与校准电路85耦接。在第一接收电路10的校正期间，在控制电路28的控制下，第三和第四开关86和87与第一和第二开关81和83一起被操作。为了校准第一接收电路10，第一和第二CMOS开关81和83被闭合，第三和第四CMOS开关86和87也一样。激励信号由信号发生电路7产生，并通过第一和第二耦合电路80和82被施加到第一和第二接收电路10和20。激励信号通过电流和电压转换器64被施加到第一模-数转换器68，并被直接施加到第二模-数转换器75。在校准电路85中确定第一和第二模-数转换器68和75的输出的数字值的差，以便向第一接收电路提供校准系数，用于补偿由电流-电压转换器64和第一模-数转换器68引入的误差。校准系数被保存在校准系数存储寄存器88中。
提供在芯片5上形成的补偿电路89，以便把保存在寄存器88中的校准系数加入到来自第一模-数转换器68的输出中，补偿由第一接收电路10引入响应信号中的误差。当希望补偿引入响应信号中的误差时，在控制电路28的控制下操作多路分解器69，使得通过补偿电路89读取来自第一模-数转换器68的第一数字输出信号。因此，通过经数字输入端口29对控制电路28恰当编程，以便控制多路分解器69的操作，可在无误差补偿的情况下直接从第一模-数转换器68读取第一数字输出信号，或者在进行误差补偿的情况下，通过补偿电路89读取第一数字输出信号。类似地，在补偿或不补偿由第一接收电路10引入的误差的情况下，第一数字输出信号的数字值可被写入第一RAM71。
出于比较或其它目的，可通过接口和控制电路28编程的信号处理电路90对第一和第二数字输出信号之一或者两者进行数学计算。例如，信号处理电路可被编程，以便对第一和第二数字输出信号任意之一或者两者进行快速傅里叶变换。在信号处理电路90中第一和第二数字输出信号之一或者两者的处理产生的第三数字输出信号可通过第一数字输出端口14或者第二数字输出端口22被读取，并可被写入第一RAM71或者第二RAM78，以便随后通过第一或第二数字输出端口14或22读出。
虽然未示出，本领域的技术人员了解，测量电路1的各个组件可由控制电路28适当地提供时钟(clock)。
使用中，通过数字输入端口29把频率范围和以其激励信号步进的频率阶跃输入控制电路28。另外，激励信号的所需最大电压幅度也通过数字输入端口29被输入控制电路28。控制电路28也通过数字输入端口29被编程，以便操作第二和第三多路复用器52和57，取决于是将以正弦波、三角波还是方波的形式提供激励信号。如果将以一个或多个相位偏移在不同的频率下产生激励信号，那么所需的相位偏移也通过数字输入端口29被输入控制电路28。控制电路28还通过数字输入端口29被编程，以便操作第五和第六多路复用器67和73，用于提供表示出响应信号中由复合阻抗电路2引起的相移或幅度变化的第一和第二数字输出信号。控制电路28还被编程，以便根据第一数字输出信号是否要被补偿由第一接收电路10引入的误差，操作多路分解器69。控制电路还被编程为把第一和第二数字输出信号的数字值保存在第一和第二RAM71和78中，或者从第一和第二RAM71和78读出所述数字值。如果第一和第二数字输出信号中的任意之一或者两者将在信号处理电路90中被处理，那么通过接口和控制电路28对信号处理电路90恰当编程。
假定测量电路1已被校准，测量电路1随时可以使用，并且第一、第三和第四开关81、86和87工作在开路状态下。第二开关83工作在闭路状态下，以便通过第二耦合电路82把激励信号施加到第二接收电路20。复合阻抗电路2与测量电路1连接，使得激励信号通过输出端8被施加到复合阻抗电路2，来自复合阻抗电路2的响应信号被施加到第一输入端11。如果需要，代替通过第二耦合电路82直接把激励信号施加到第二接收电路20，可通过耦合复合阻抗电路2的输入端与第二输入端21的外部线路，例如通过图1中用虚线表示的外部线路92，把激励信号施加到第二输入端21。之后，根据第五和第六多路复用器67和73的设置，来自电流-电压转换器64的响应信号和激励信号被分别直接施加到第一和第二模-数转换器68和75，并且分别从第一和第二模-数转换器68和75读取第一和第二数字输出信号。根据多路分解器69的设置，可直接地或者通过补偿电路89，从第一模-数转换器68读取第一数字输出信号。另一方面，第五和第六多路复用器67和73可被设置成把响应信号和激励信号的DC电压电平施加到第一和第二模-数转换器68和75。
随后可在任何适当的比较电路中比较从测量电路1读出的响应信号和激励信号。另一方面，如果第一和第二数字输出信号的数字值被保存在第一和第二RAM71和78中，那么分别通过第一和第二数字输出端口14和22，可从相应的第一和第二RAM71和78读取第一和第二数字输出信号。另一方面，如果第一和第二数字输出信号之一或者两者在信号处理电路90中被处理，那么由第一和第二数字输出信号之一或者两者的信号处理产生的第三数字输出信号可被写入第一RAM71中或者被读取，以便随后通过第一数字输出端口14读取，或者可通过第一数字输出端口14直接从信号处理电路90读取。
一般来说，考虑第六多路复用器73只在最初被操作，或者在最初以及在测量电路1的工作期间定期被操作，以便于从温度传感器77读出温度，所述温度由第二模-数转换器75转换成数字形式。
在测量电路1的操作之前，如前所述，关于电流-电压转换器64和第一模-数转换器68引入的误差，校准测量电路1。
考虑通过从接口和控制电路28提供适当的串行或并行输出端口，可通过接口和控制电路28读出保存在第一和第二RAM71和78中的第一、第二或第三数字输出信号。
虽然信号发生器被描述成直接数字合成频率信号发生器，不过可以使用任何适当的信号发生器。
通过在相同芯片上提供信号处理电路、第一接收电路和第二接收电路(在提供第二接收电路的情况下)，相同的主时钟信号可被用于这三个电路，在信号发生电路和第一及第二接收电路之间确保同步，此外，实现了信号发生电路和第一及第二接收电路的匹配，避免了各个电路造成的误差的累加。
虽然测量电路被描述成包含第二接收电路，不过在一些情况下，考虑第二接收电路可被省略。
不必说，虽然描述了直接数字合成频率信号发生电路的一种特定实现，不过可以使用直接数字合成频率信号发生电路的其它适当实现。
虽然测量电路被描述成包含位于芯片中的温度传感器，虽然这是更可取的并且确实有利，不过它不是必需的，此外，第六多路复用器73不是必需适合于把温度信号切换到第二模-数转换器75。
虽然直接数字合成器的相位累积器、ROM和DAC被描述成为特定的位大小，不过可以提供为任意适当位大小的相位累积器、ROM和DAC。还可以理解也可提供任意适当或所需位大小的第一和第二模-数转换器。
虽然信号发生电路被描述成适合于产生特定波形的激励信号，不过应当理解可以产生其它波形的激励信号。此外，虽然激励信号被描述成为电压信号，不过激励信号可以是电流信号，这种情况下，信号调节电路63将适于设置激励信号的电流电平。
权利要求
1.一种确定复合阻抗元件的阻抗的特性以便于复合阻抗元件的阻抗的表征的测量电路，其特征在于所述测量电路在单一芯片上实现，并且包括信号发生电路，用于产生可选频率的模拟激励信号，以施加到复合阻抗元件；第一接收电路，用于接收响应激励信号来自复合阻抗元件的模拟响应信号，并输出表示复合阻抗元件的阻抗的特性的第一输出信号用于复合阻抗元件的阻抗的表征。
2.按照权利要求1所述的测量电路，其特征在于第一接收电路输出表示出由复合阻抗元件引起的激励信号的相移和幅度变化之一的第一输出信号。
3.按照权利要求2所述的测量电路，其特征在于第一接收电路有选择并且交替地输出表示由复合阻抗元件引起的激励信号的相移和幅度变化之一的第一输出信号。
4.按照权利要求2或3所述的测量电路，其特征在于第一接收电路包含可选择的第一转换电路，用于把来自复合阻抗元件的模拟响应信号转换成适合于与激励信号比较的电压信号。
5.按照权利要求4所述的测量电路，其特征在于第一转换电路包含可选择的第一均方根(RMS)-DC电压转换器，用于把来自复合阻抗元件的模拟响应信号转换成与模拟响应信号的RMS电压值对应的DC电压电平。
6.按照任意前述权利要求所述的测量电路，其特征在于第一接收电路包含电流-电压转换电路，用于把模拟响应信号转换成模拟电压信号。
7.按照任意前述权利要求所述的测量电路，其特征在于第一接收电路包含第一模-数转换器，用于把来自复合阻抗元件的模拟响应信号转换成数字信号，以便以数字信号的形式提供第一输出信号。
8.按照权利要求7所述的测量电路，其特征在于第一接收电路包含第一存储装置，用于保存数字形式的第一输出信号。
9.按照任意前述权利要求所述的测量电路，其特征在于在所述芯片上设置校准电路，用于确定校准系数以便校准第一接收电路，所述校准电路包括保存校准系数的系数存储装置。
10.按照权利要求9所述的测量电路，其特征在于在所述芯片上设置补偿电路，用于有选择地把校准系数应用于第一输出信号，以便关于由第一接收电路引入响应信号中的误差校正第一输出信号。
11.按照权利要求9或10所述的测量电路，其特征在于在所述芯片上设置第一耦合电路，用于有选择地把激励信号施加到第一接收电路，以便校准第一接收电路。
12.按照任意前述权利要求所述的测量电路，其特征在于在所述芯片上设置第二接收电路，用于接收模拟激励信号，输出代表激励信号的第二输出信号，以便与第一输出信号比较，以实现复合阻抗元件的阻抗的特性的确定。
13.按照权利要求12所述的测量电路，其特征在于第二接收电路包含第二模-数转换器，用于把模拟激励信号转换成数字信号，从而以数字信号的形式提供第二输出信号。
14.按照权利要求13所述的测量电路，其特征在于第二接收电路包含保存数字形式的第二输出信号的第二存储装置。
15.按照权利要求12-14任意之一所述的测量电路，其特征在于第二接收电路包含可选择的第二RMS-DC电压转换器，用于把模拟激励信号转换成与模拟激励信号的RMS值对应的电压电平的DC信号。
16.按照权利要求12-15任意之一所述的测量电路，其特征在于第二接收电路包含输入信号开关电路，用于有选择并且交替地把模拟激励信号和来自温度传感器的信号之一施加到第二接收电路。
17.按照权利要求16所述的测量电路，其特征在于温度传感器设置在所述芯片上。
18.按照权利要求12-17任意之一所述的测量电路，其特征在于在所述芯片上设置第二耦合电路，用于有选择地把模拟激励信号施加到第二接收电路。
19.按照权利要求12-18任意之一所述的测量电路，其特征在于在所述芯片上设置信号处理电路，用于处理第一输出信号和第二输出信号之一或者两者，输出由第一输出信号和第二输出信号之一或者两者的处理产生的第三输出信号。
20.按照任意前述权利要求所述的测量电路，其特征在于信号发生电路包含设置激励信号的电压电平和电流电平之一的信号调节电路。
21.按照任意前述权利要求所述的测量电路，其特征在于信号发生电路包含用于产生激励信号的直接数字合成频率信号发生器。
22.按照权利要求21所述的测量电路，其特征在于直接数字合成频率信号发生器包含相位累积器，所述相位累积器包括计数器，所述计数器响应时钟信号的每个周期，把其计数递增频率确定数字字直到预定的最大计数值为止，或者从预定的最大计数值开始把其计数递减频率确定数字字；相位-幅度转换器，用于把来自相位累积器的计数值转换成代表激励信号的幅度值的数字字；和数-模转换器，用于把来自相位-幅度转换器的数字字转换成激励信号。
23.按照权利要求22所述的测量电路，其特征在于相位-幅度转换器包含查寻表，代表激励信号的幅度值的数字字与相位累积器输出的从0到预定最大计数值的计数值被交叉引用。
24.按照权利要求22或23所述的测量电路，其特征在于信号发生器产生的激励信号是正弦波形。
25.按照权利要求22-24任意之一所述的测量电路，其特征在于设置第一旁路电路，以便把来自相位累积器的计数值直接施加到数-模转换器，从而从数-模转换器提供的激励信号是三角波形。
26.按照权利要求22-25任意之一所述的测量电路，其特征在于第二旁路电路旁路数-模转换器，以便把来自相位累积器的计数值施加到比较器，比较计数值的最高有效位与参考值，从而以矩形波形的形式提供激励信号。
27.按照权利要求22-26任意之一所述的测量电路，其特征在于直接数字合成频率信号发生器包含加法器，用于把相位偏移数字字与相位累积器输出的每个计数值相加，从而使激励信号的相位偏移预定的偏移量。
28.按照权利要求27所述的测量电路，其特征在于相位偏移数字字是可选择的，以便选择激励信号的相位偏移。
29.按照权利要求22-28任意之一所述的测量电路，其特征在于频率确定数字字是可选的，以便选择激励信号的频率。
30.按照任意前述权利要求所述的测量电路，其特征在于测量电路被实现为集成电路。
31.一种确定复合阻抗元件的阻抗的特性以便于复合阻抗元件的阻抗的表征的方法，其特征在于所述方法包括下述步骤在单一芯片上设置信号发生电路，用于产生可选频率的模拟激励信号，以便施加到复合阻抗元件，在所述单一芯片上设置第一接收电路，用于接收响应激励信号，来自复合阻抗元件的模拟响应信号，并输出表示复合阻抗元件的阻抗的特性的第一输出信号用于复合阻抗元件的阻抗的表征，操作信号发生电路，以便把激励信号施加到复合阻抗元件，把响应激励信号来自复合阻抗元件的模拟响应信号施加到第一接收电路，和操作第一接收电路，输出表示复合阻抗元件的阻抗的特性的第一输出信号。
32.按照权利要求31所述的方法，其特征在于第一接收电路有选择并且交替地输出表示由复合阻抗元件引起的激励信号的相移和幅度变化之一的第一输出信号。
33.按照权利要求31或32所述的方法，其特征在于来自复合阻抗元件的响应信号在第一接收电路中被转换成适合于与激励信号比较的电压信号。
34.按照权利要求33所述的方法，其特征在于来自复合阻抗元件的响应信号在第一接收电路中被转换成与模拟响应信号的RMS电压值对应的电压电平的DC信号。
35.按照权利要求31-34任意之一所述的方法，其特征在于来自复合阻抗元件的模拟响应信号在第一接收电路中被转换成数字信号，以便以数字信号的形式提供第一输出信号。
36.按照权利要求31-35任意之一所述的方法，其特征在于所述方法还包括在所述单一芯片上制备第二接收电路的步骤，所述第二接收电路用于接收模拟激励信号，输出代表激励信号的第二输出信号，以便与第一输出信号比较，以实现复合阻抗元件的阻抗的特性的确定。
37.按照权利要求36所述的方法，其特征在于模拟激励信号在第二接收电路中被转换成数字信号，从而以数字信号的形式提供第二输出信号。
38.按照权利要求36或37所述的方法，其特征在于模拟激励信号在第二接收电路中被转换成与模拟激励信号的RMS值对应的电压电平的DC信号。
39.按照权利要求31-38任意之一所述的方法，其特征在于以直接数字合成频率信号发生器的形式提供信号发生电路。
全文摘要
一种用于确定外部复合阻抗电路(2)的阻抗的特性，以便于复合阻抗电路(2)的阻抗的表征的单片集成电路测量电路(1)，它包括信号发生电路(7)，用于产生可变频率激励信号，以施加到复合阻抗电路(2)。第一接收电路(10)接收响应激励信号，来自复合阻抗电路(2)的响应信号，并调节响应信号。第一模－数转换器(68)把调节后的响应信号转换成第一数字输出信号，通过第一数字输出端口(14)从第一模－数转换器(68)读取所述第一数字输出信号。来自复合阻抗电路(2)的响应信号是电流信号，电流－电压转换器电路(64)把响应信号转换成电压信号。第一RMS－DC电平转换电路(70)把响应信号的AC电压转换成DC电压电平，第四多路复用器(67)有选择地把电压响应信号或者DC电压电平信号施加到第一模－数转换器(68)，取决于是否希望第一数字输出信号应表示响应信号中相对于激励信号的相移或幅度变化。第二接收电路(20)接收激励信号，类似地把激励信号转换成第二数字输出信号，以便于响应信号与激励信号的比较。
文档编号G01R27/02GK1853108SQ200480026978
公开日2006年10月25日 申请日期2004年9月10日 优先权日2003年9月17日
发明者詹姆斯·F·卡弗雷, 科尔姆·F·斯拉特瑞, 阿尔博特·欧格拉黛 申请人:阿纳洛格装置公司