一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于阻抗测量领域，具体涉及一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的 方法。
【背景技术】
[0002] 要实现对被测器件或电路的电阻R、电容C、电感L、品质因数Q等参数的测量，其核 心就是阻抗的测量，根据阻抗值可计算出其它参数值。目前，实现阻抗测量的方法有很多 种，比如电桥法、谐振法、电压-电流法、RF电压-电流法、网络分析法、自动平衡桥法等，每种 方法都有各自的优缺点。电桥法具有测量精度高、成本低，但是测量频率范围窄，且需要手 动调节平衡。谐振法可以测量很高的Q值，但是测量精度低。电压-电流法适合于探头类型测 试需要，但是工作频率范围受到探头变压器限制。RF电压-电流法和网络分析法具有高的测 量频率和范围，但是测量频率低于100kHz时，就不能采用这两种方法。相对于以上几种方 法，当要求测量频率20Hz时，选择自动平衡桥方法实现阻抗测量，具有测量精度高、测量 速度快、阻抗测量范围广等优点。
[0003] 目前，常规的自动平衡桥原理图（如图1所示），利用运算放大器的虚短原理，使被 测件的低端处于"虚地"状态，即可得到Lp端误差电流ld = 0,因此Ix=Ir。通过电压表测得 Vx和Vr值，Rr为已知量，就可计算出被测件阻抗值。
[0004] 采用常规自动平衡桥方法实现阻抗测量，虽然电路简单、容易实现，但是因为受限 于运算放大器的特性，测量频率一般只能达到100kHz，测量精度低、测量速度慢、阻抗测量 范围窄。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术中存在的上述问题，本发明提出了一种增强型自动平衡桥及其实现 阻抗测量的方法，设计合理，克服了现有技术的不足，测量精度高、测量速度快、阻抗测量范 围广。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种增强型自动平衡桥，包括激励源、被测件、电压表、量程电阻、过零检测电路、 调制-解调电路、和四端对接口；
[0008] 所述激励源，被配置为用于为被测件提供激励源信号；
[0009] 所述电压表包括第一电压表、第二电压表；
[0010]所述第一电压表，被配置为用于对被测件进行电压测量；
[0011]所述第二电压表，被配置为用于对量程电阻进行电压测量；
[0012] 所述量程电阻，被配置为用于根据被测件的阻抗范围，选择合适的电阻挡位；
[0013] 所述四端对接口分别为激励源端、被测件测量端、量程电阻端、误差电流端；
[0014] 所述激励源、第一电压表、量程电阻、过零检测电路分别对应于四端对接口的激励 源端、被测件测量端、量程电阻端、误差电流端；
[0015] 所述过零检测电路，被配置为用于将误差电流端的误差电流进行过零检测并进行 信号处理；
[0016] 所述调制-解调电路，被配置为用于对过零检测电路输出的信号进行调制和解调。
[0017] 优选地，所述过零检测电路包括I/V转换电路、信号放大电路、交流耦合电路、第一 D/A转换电路、信号放大及滤波电路和平衡状态检测电路，所述I/V转换电路、信号放大电 路、交流耦合电路、第一 D/A转换电路、信号放大及滤波电路和平衡状态检测电路通过线路 依次连接。
[0018] 优选地，所述调制-解调电路包括0°方向电路和90°方向电路；
[0019]所述0°方向电路包括第一乘法器、第一积分电路、第四D/A转换电路和第三乘法 器，所述第一乘法器的一端、第一积分电路、第四D/A转换电路和第三乘法器的一端通过线 路依次连接；
[0020] 所述90°方向电路包括第二乘法器、第二积分电路、第七D/A转换电路和第四乘法 器，所述第二乘法器的一端、第二积分电路、第七D/A转换电路和第四乘法器的一端通过线 路依次连接；
[0021] 所述第一乘法器的另一端和第二乘法器的另一端组成的公共端连接至信号放大 及滤波电路和平衡状态检测电路组成的公共端;所述第三乘法器的另一端和第四乘法器的 另一端组成的公共端连接至量程电阻和第二电压表组成的公共端。
[0022]优选地，所述0°方向电路还包括第五D/A转换电路，所述90°方向电路还包括第六 D/A转换电路；
[0023] 所述第五D/A转换电路的一端与第二积分电路和第七D/A转换电路组成的公共端 相连，另一端与第四D/A转换电路和第三乘法器组成的公共端相连；
[0024] 所述第六D/A转换电路的一端与第一积分电路和第四D/A转换电路组成的公共端 相连，另一端与第七D/A转换电路和第四乘法器组成的公共端相连。
[0025]优选地，所述0°方向电路还包括第二D/A转换电路，所述第二D/A转换电路连接至 第一积分器的输入端;所述90°方向电路还包括第三D/A转换电路，所述第三D/A转换电路连 接至第二积分器的输入端。
[0026] 优选地，所述调制-解调电路还包括第二DSS和反相电路；
[0027]所述第二DSS输出第一路参考信号和第二路参考信号分别至第一乘法器和第二乘 法器，第一路参考信号和第二路参考信号幅度相等、频率相等、相位相差90°;
[0028]所述第二DSS输出的第一路参考信号和第二路参考信号，经反相电路输出第三路 参考信号和第四路参考信号分别至第三乘法器和第四乘法器，第三路参考信号和第四路参 考信号幅度相等、频率相等、相位相差90°。
[0029] 此外，本发明还提到一种阻抗测量方法，测量前首先进行过零检测电路和调制-解 调电路的校准，该方法采用上述的一种增强型自动平衡桥，校准方法按如下步骤进行：
[0030] 步骤1:对过零检测电路和调制-解调电路进行初始化；
[0031] 步骤2:对过零检测电路的直流信号进行调零校准；
[0032] 步骤3:对调制-解调电路进行增益校准；
[0033] 步骤4:对调制-解调电路进行相位校准；
[0034] 步骤5:对调制-解调电路进行偏移校准；
[0035] 步骤6:判断自动平衡桥是否达到平衡状态，若没有达到平衡状态，则重新执行步 骤2~5,若达到平衡状态，则开始电压信号测量。
[0036] 在自动平衡桥达到平衡状态后，进行阻抗测量，测量方法包括如下步骤：
[0037] 步骤1:通过第一电压表Vx和第二电压表Vr对电压信号进行电压测量；
[0038] 步骤2:根据公式?」，=Rr__g计算出被测件的阻抗值Zx;式中，Rr为标准电阻，Vx和 Vr分别为第一电压表和第二电压表测量的电压信号值。
[0039]本发明的原理是：
[0040] 采用四端对输出接口，即He端、Hp端、Lp端和Lc端。He为激励源端，包括交流信号和 直流信号，其中交流信号采用DDS实现，直流信号采用16bit的D/A转化器实现，将交流信号 和直流相叠加，进行放大后施加到被测件DUT上。Hp为被测件高端电压测量端，对被测件上 电压Vx进行测量。Lc为量程电阻端，根据被测件阻抗值，选择相应的量程电阻挡位，对量程 电阻Rr上电压Vr进行测量。Lp为误差电流端，该端电流Id等于被测件上电流lx与量程电阻 上电流Ir之差。
[0041] 当自动平衡桥没有达到平衡状态时，即误差电流端Lp端的误差电流Id不等于零， 误差电流Id经过过零检测电路和调制-解调电路，进行相应转换和处理，包括进行幅度调节 和相位调节，最后经过缓冲器反馈到Lc端量程电阻上，以抵消lx与Ir的差值，直到Ix=Ir， 即ld = 0，自动平衡桥达到平衡状态，因此，被测件低端称为自动平衡桥的虚地点。
[0042] 当自动平衡桥达到平衡状态后，Id为零，即Ix = Ir，因此被测件的阻抗值Zx为：
[0043] Zx = = -21 = Rr 771 ⑴ Ax ir vr
[0044] 其中，Rr为标准电阻，为已知量，Vx和Vr为待测量，因此，通过公式（1)即可计算出 被测件的阻抗值Zx。
[0045] 本发明所带来的有益技术效果：
[0046] 本发明提出了一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法，与现有技术相 比，一种增强型自动平衡桥及其实现阻抗测量的方法，采用过零检测电路与调制-解调电路 使得自动平衡桥能够快速、准确地达到平衡状态，实现了测量精度高、测量速度快、阻抗测 量范围广，测量频率范围达到20Hz~110MHz;采用DDS为调制-解调电路提供参考信号，准确 地实现两路参考信号相位相差90° ;增加自动平衡桥的平衡状态检测电路，为自动平衡桥快 速达到平衡状态提供有力保证;在调制-解调电路中，采用4个交叉式D/A转换电路，进行增 益校准，实现自动平衡桥快速达到平衡状态。
【附图说明】
[0047]图1是常规自动平衡桥的原理图。
[0048]图2是本发明一种增强型自动平衡桥的原理图。
[0049] 图3是本发明一种增强型自动平衡桥中过零检测电路的原理图。
[0050] 图4是本发明一种增强型自动平衡桥中调制-解调电路的原理图。
[0051] 图5是本发明一种增强型自动平衡桥中过零检测电路和调制-解调电路的校准流 程图。
[0052]图6是本发明一种增强型自动平衡桥实现阻抗测量的原理图。
[0053]图7是本发明一种采用增强型自动平衡桥实现阻抗测量方法的流程框图。
【具体实施方式】
[0054]下面结合附图以及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明：
[0055] 实施例1:
[0056] 如图2所示，一种增强型自动平衡桥，采用四端对接口，包括被测件DUT、激励源、量 程电阻Rr、过零检测电路、调制-解调电路、电压表1、电压表2,通过执行调零校准、增益校 准、相位校准和偏移校准，自动平衡桥能够快速、准确地达到平衡状态。
[0057] 如图3所示，一种过零检测电路，主要包括I/V转换、信号放大、交流耦合、D/A转换 器N1、信号放大及滤波、平衡状态检测等电路。当Lp端误差电流Id不为零时，先将Id送到I/V 转换电路，转换成电压信号，并进行信号放大和交流耦合，只输出交流信号，利用D/A转换器 N1为过零检测电路的输出提供直流偏置信号，使B点直流信号约为零。将A点信号进行放大 和滤波后，在调制-解调电路之前，设计了一个自动平衡桥的平衡状态检测电路，当自动平 衡桥达到平衡状态时，检测电路输出高电平，反之输出低电平，检测电路输出的状态值送到 FPGA中进行判断和处理。
[0058]如图4所示，一种调制-解调电路，主要由0°方向电路和90°方向电路组成，具体包 括乘法器1、乘法器2、乘法器3、乘法器4、积分器1、积分器2、D/A转换器N2、D/A转换器N3、D/A 转换器N4、D/A转换器N5、D/A转换器N6、D/A转换器N7以及DDS_2。
[0059] DDS_2