一种高阻抗测量电路与信号处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及测量电路技术与信号处理技术领域，尤其涉及一种高阻抗测量电路与 信号处理方法。
【背景技术】
[0002] 阻抗是电力系统中的一个重要的电气参数，现代工业中很多领域都需要进行元件 或系统阻抗参数特性的测量和分析。电力传输系统中，需要对不同介质输电线路的阻抗进 行测量，以掌握其电气特性。在其他领域，如传感器、生物医学、电路分析等，阻抗测量都具 有重要地位。生物电阻抗、腐蚀监测传感阻抗、建筑材料如混凝土阻抗等的测量，都属于高 阻抗测量的范畴，阻抗高达1〇 8欧姆级别。在实际测量中，由于加载电流小与外界噪声的干 扰，很难实现准确的测量。
[0003] 目前阻抗主要测量的方法有：电桥法、谐振法和矢量法。其中一般的电桥法与谐振 法不适合高阻抗的测量。常规的矢量法测量，当传感信号与电路之间存在一定距离，需要导 线连接的条件下，难以消除空间电磁噪声的干扰。目前采用的后续FFT算法处理消除干扰的 方法，由于空间电磁混频信号复杂的影响，难以达到较好的效果。
[0004] 现有的直接采用集成阻抗测量芯片AD5933,其实质是通过测量输入电压与输出电 流之间的关系，达到对复阻抗测量的目的。由于测量电路无法进行对称设置，因此不能消除 导线引进的空间电磁电流噪声的干扰，另外因为这种固化的芯片没有灵活的滤波手段(滤 波方法已经固化在芯片内部），也不能实现一次数据采集，完成多个频率信号同步处理的功 能。
【发明内容】
[0005] 为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提出一种高阻抗测量电路与信号处理 方法，能够消除传感导线空间电磁噪声干扰，是一种高精度测量高阻抗的电路与多频信号 的快速同步处理算法。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] -种高阻抗测量电路，包括：用于产生正弦激励信号的正弦激励电路、用于测量被 测阻抗的高阻抗对称测量电路、用于差分放大高阻抗对称测量电路测量数据的带通差分放 大电路以及用于采集正弦激励信号及差分放大信号的信号采集与处理单元；
[0008] 其中，所述正弦激励电路采用单片机的计数器PWM功能输出方波信号，并经过RC低 通滤波与运放跟随电路;所述信号采集与处理单元由所述单片机内部功能与算法程序完 成;所述正弦激励电路的输出端分别与高阻抗对称测量电路的输入端、信号采集与处理单 元的输入端口 I连接，所述高阻抗对称测量电路的输出端与带通差分放大电路的输入端连 接，所述带通差分放大电路的输出端与信号采集与处理单元的输入端口 II连接。
[0009] 其中，所述单片机为STM32单片机，所述信号采集与处理单元的输入端口 I为STM32 单片机的引脚14,所述信号采集与处理单元的输入端口 II为STM32单片机的引脚13,所述输 出方波信号为STM32单片机的引脚16。
[0010]其中，所述单片机的Pmi功能输出方波信号的频率与正弦激励电路产生的正弦混 频激励信号的频率的基频相同；
[0011] 所述RC低通滤波与运放跟随电路包括一个电阻R1、一个电容C1与一个运算放大器 K1，所述单片机的PWM功能输出方波信号端与电阻R1的一端连接，所述电路R1的另一端分别 连接电容C1的一端、运算放大器K1的同相输入端，所述电容C1的另一端接地，所述运算放大 器K1的反相输入端与运算放大器K1的输出端连接，所述运算放大器K1的正电源端连接电源 VCC，所述运算放大器K1的负电源端接地GND;其中，所述正弦激励信号Vsin由运算放大器K1 的输出端输出，分别送入到信号采集与处理单元的输入端口 I和高阻抗对称测量电路的输 入端;所述正弦激励信号包含所有奇次倍基频信号的组合，其偏置电压为VCC/2。
[0012] 其中，所述单片机的PWM功能输出的方波信号频率为l〇〇〇hz，所述电源VCC = 3.3V， 所述电阻R1的阻值为10K Ω，所述电容Cl的容值为0.1 uF。
[0013] 其中，所述偏置电压VCC/2的产生电路包括一个电阻R、一个电容C及一个运算放大 器K，所述正弦激励信号Vsin端口连接电阻R的一端，所述电阻R的另一端分别连接电容C的 一端、运算放大器K的正相输入端，所述电容C的另一端接地，所述运算放大器K的反相输入 端连接所述运算放大器K的输出端，所述运算放大器K的输出端的输出信号即为偏置电压 VCC/2〇
[0014] 其中，所述电阻R的阻值为100ΚΩ，所述电容c的容值为luF。
[0015] 其中，所述高阻抗对称测量电路包括电阻R2、电阻R3及被测阻抗Zx，所述被测阻抗 Zx的一端连接电阻R2的一端，所述被测阻抗Zx的另一端连接电阻R3的一端，所述电阻R2的 另一端连接正弦激励信号Vsin端口，所述电阻R3的另一端连接偏置电压VCC/2端口；
[0016] 所述带通差分放大电路包括运算放大器K2、运算放大器K3、运算放大器K4、电阻 R5、电阻R6、电阻R7、电阻R8、电阻R9、电阻R10、电阻R11、电容C2，所述被测阻抗Zx的一端连 接运算放大器K2的正相输入端，所述被测阻抗Zx的另一端连接运算放大器K3的反相输入 端，所述运算放大器K2的反相输入端分别连接电阻R5的一端、电阻R7的一端，所述电阻R5的 另一端分别连接运算放大器K2的输出端、电阻R8的一端，所述电阻R7的另一端连接电容C2 的一端，所述电容C2的另一端分别连接电阻R6的一端、运算放大器K3的正相输入端，所述电 阻R6的另一端分别连接运算放大器K3的输出端、电阻R9的一端，所述电阻R8的另一端分别 连接电阻R10的一端、运算放大器K4的正相输入端，所述电阻R10的另一端连接偏置电压 VCC/2端口，所述电阻R9的另一端分别连接电阻R11的一端、运算放大器K4的反相输入端，所 述电阻R11的另一端连接运算放大器K4的输出端，所述运算放大器K4的输出端即为差分放 大信号的输出端口用于连接信号采集与处理单元的输入端口 II。
[0017] 其中，所述电阻R2、电阻R3的阻值大小相等，且达到兆欧数量级；
[0018] 所述电阻R2的阻值为1ΜΩ、电阻R3的阻值为1ΜΩ、电阻R5的阻值为10ΚΩ、电阻R6 的阻值为10ΚΩ、电阻R7的阻值为1.6ΚΩ、电阻R8的阻值为10ΚΩ、电阻R9的阻值为10ΚΩ、电 阻R10的阻值为10ΚΩ、电阻R11的阻值为10ΚΩ、电容C2的容值为O.luF。
[0019] -种采用上述任一项所述的高阻抗测量电路的信号处理方法，所述信号采集与处 理单元由STM32单片机内部的两路ADC转换器在启动DMA方式的条件下，同步采集正弦激励 信号与差分放大信号，然后对两路采样信号进行4次半周期差分处理，并对处理后的数据进 行正弦最小二乘拟合，通过拟合结果计算被测阻抗，具体为：
[0020] (1)若采样频率为基频120倍的情况下，四次半周期差分公式为：
[0021 ] x(k)=z(k)-4z(k+60)+6z(k+120)-4z(k+180)+z(k+240)
[0022] 其中，假设z(k)为原始采样数据，x(k)为四次差分处理后的数据，k为采样点依次 编号，z为采样值；
[0023] (2)对采样信号幅值与相位的数字拟合方式，采用先求和，再乘法运算的方式;对 于1、3、5倍基频信号而言，求和公式分别如下：
[0025] 其中yi(k)、y2(k)、y3(k)分别为求和数据；
[0026] (3)拟合过程中，为了节省存储空间，对于周期数据量为120的正弦信号，充分利用 正余弦信号的对称性，只需要31个固定的三角函数值，几次重复利用，就可以组成完整的整 周期数据，假设这31个数据为d[0...30]，其中，d(k) = Sin(23ik/120)，由它们构成的两组代 表正弦与余弦函数的120个数据组分别为：
[0027] si=(d[0. · .30]，d[29. · .0]，-d[l. · .30]，-d[29. · .1])和
[0028] ci=(d[30. . .0],-d[l. . .30],-d[29. . .0] ,d[l. . .29])；
[0029] 对于3倍频，整周期只需要40个数据，可以分别从这120个数据中，每隔3个提取一 个，构成S2、 C2;同样，对于5倍频，只需要24个数据，可以每隔5个提取一个，构成S3、C3;
[0030] (4)利用上述计算结果，多频正弦拟合的求解公式为：
[0032] 对于三组不同的频率，分别有:mi = 119;m2 = 39;m3 = 23;
[0033] 那么幅值与相位分别利用公式或函数计算可得：
[0035]其中，所述采样频率为信号基频频率的120倍，采样数据为整周期数，且周期数n> 3〇
[0036] 有益效果：
[0037]本发明公开了一种高阻抗测量电路与信号处理方法，所述测量电路包括：用于产 生正弦激励信号的正弦激励电路、用于测量被测阻抗的高阻抗对称测量电路、用于差分放 大高阻抗对称测量电路测量数据的带通差分放大电路以及用于采集正弦激励信号及差分 放大信号的信号采集与处理单元;其中，所述正弦激励电路采用单片机的计数器PWM功能输 出方波信号，并经过RC低通滤波与