一种阻抗测量装置及其实现校准补偿的方法

文档序号:10697198
一种阻抗测量装置及其实现校准补偿的方法
【专利摘要】本发明公开了一种阻抗测量装置及其实现校准补偿的方法,属于阻抗测量技术领域,包括测量电缆、测量夹具、自动平衡桥、降频电路、A/D转换电路、FPGA、存储器和CPU。本发明采用自动平衡桥原理进行阻抗测量,具有测量精度高、测量速度快、阻抗测量范围广等优点;采用四端对连接方式,使得阻抗测量范围得到提高;通过降频电路,将高频信号转化为固定频率的低频信号,提高了信号相位测量精度;对被测件进行测量时,根据不同的测量条件,选择相应的校准值对阻抗测量值进行补偿,提高了阻抗测量精度。
【专利说明】
-种阻抗测量装置及其实现校准补偿的方法
技术领域
[0001] 本发明属于阻抗测量领域,具体设及一种阻抗测量装置及其实现校准补偿的方 法。
【背景技术】
[0002] 在电子产品的研发、生产、维护等过程中,都需要对被测件的电阻R、电感L、电容C、 品质因数Q、损耗因数D等参数进行测量,被测件可W是元器件或者是电路,运些参数的测量 其核屯、就是进行阻抗的测量,根据阻抗测量值可推算出其它参数值。目前,阻抗测量装置中 实现阻抗测量的方法有很多种,有电桥法、谐振法、电压-电流法、RF电压-电流法、网络分析 法等,每种方法都有各自的优缺点。电桥法的优点是测量精度高、成本低,但是需要手动调 节电桥平衡,且测量频率范围窄。谐振法可W测量具有很高Q值的被测件,缺点是测量精度 较低。电压-电流法适用于探头类型测试场合,因此,测量频率受到探头变压器的限制。RF电 压-电流法具有很高的测量频率和范围,但是在低频时,就不能采用运种方法,且成本较高。 网络分析法虽然具有很高的测量频率,但是只适用于被测件阻抗为50 Ω左右的场合,因此 阻抗测量范围非常窄,且成本较高。因此,在上述介绍的几种阻抗测量方法中,每种方法都 有各自的优缺点,很难找到一种阻抗测量方法同时具有测量精度高、测量速度快、测量频率 高、阻抗测量范围广等特点,需要根据不同的应用领域和测量要求,选择合适的阻抗测量方 法。
[0003] 在进行阻抗测量时,需要根据不同的测量要求,采用不同的测量电缆和测量夹具, 而测量电缆和测量夹具本身也包含一定的寄生参数,且寄生参数也各不相同,差异很大,运 样就会对被测件阻抗测量结果产生一定的影响,使得测量结果偏离真实值,尤其是在高频 测量时,寄生参数对测量的影响会更加明显,运样就可能会得出完全错误的测量结果,严重 影响用户使用。

【发明内容】

[0004] 针对现有技术中存在的上述技术问题,本发明提出了一种阻抗测量装置及其实现 校准补偿的方法,设计合理,克服了现有技术的不足,具有测量精度高、测量速度快、阻抗测 量范围广等优点。
[0005] 为了实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
[0006] -种阻抗测量装置,包括测量电缆、测量夹具、自动平衡桥、第一选择开关、降频电 路、A/D转换电路、FPGA、存储器和CPU;
[0007] 所述测量电缆和测量夹具采用四端对接口方式连接;
[000引所述自动平衡桥包括激励源、过零检测电路、调制-解调电路和量程电阻;
[0009] 所述激励源,被配置为用于为被测件提供激励源信号;
[0010] 所述过零检测电路,被配置为用于对误差电流进行过零检测并进行信号处理;
[0011] 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;
[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] 所述降频电路,被配置为用于将高频测量信号转化为固定频率的低频信号;
[0014] 所述A/D转换电路,被配置为用于经过降频电路处理后的模拟信号转换为数字信 号;
[0015] 所述FPGA,被配置为用于将转换后的数字信号进行数据处理;
[0016] 所述CPU,被配置为用于进行阻抗计算和分析;
[0017] 所述存储器,被配置为用于存储各种校准数据;
[0018] 在自动平衡桥达到平衡状态时,两路电压信号首先进入降频电路,降频电路将高 频测量信号转化为固定频率的低频信号后送入A/D转换电路,A/D转换电路将模拟信号转换 为数字信号后送入FPGA中进行数据处理,FPGA将数据进行处理后送入到CPU中,进行阻抗计 算和分析,并将各校准值写入存储器中,并根据测量条件,对阻抗值进行相应的补偿,得到 相应的阻抗补偿值。
[0019] 优选地,所述降频电路包括第二选择开关、第Ξ选择开关、乘法器、缓冲器、加法 器、滤波器、信号发生器W及信号处理器;
[0020] 乘法器包括第一乘法器和第二乘法器;
[0021] 缓冲器包括第一缓冲器、第二缓冲器、第=缓冲器和第四缓冲器;
[0022] 滤波器包括第一滤波器和第二滤波器;
[0023] 信号处理器包括第一信号处理器和第二信号处理器;
[0024] 第二选择开关的其中一个触点通过线路连接至第一缓冲器的输入端,第一缓冲器 的输出端通过第一滤波器连接至第Ξ选择开关的一个触点;
[0025] 第二选择开关的另外一个触点通过线路分别连接至第一乘法器和第二乘法器的 输入端;
[00%]信号发生器分别与第一信号处理器和第二信号处理器通过线路连接,第一信号处 理器和第二信号处理器分别通过线路连接至第一乘法器和第二乘法器的输入端;
[0027] 第一乘法器的输出端连接至第二缓冲器的输入端,第二缓冲器的输出端连接至加 法器的一端;
[0028] 第二乘法器的输出端连接至第Ξ缓冲器的输入端,第Ξ缓冲器的输出端连接至加 法器的另一端;
[0029] 加法器的输出端连接至第四缓冲器的输入端,第四缓冲器的输出端通过第二滤波 器连接至第Ξ选择开关的另外一个触点;
[0030] 第二选择开关通过线路和第一选择开关连接;
[0031 ]第Ξ选择开关通过线路和A/D转换器连接。
[0032] 此外,本发明还提到一种实现阻抗测量校准补偿的方法,该方法采用如上所述的 一种阻抗测量装置,包括如下步骤:
[0033] 步骤1:对测量装置执行初始化工作;
[0034] 步骤2:将被测件断开,对测量装置执行多次开路校准,并将开路校准值写入存储 器中;
[0035] 步骤3:将被测件短路,对测量装置执行多次短路校准,并将短路校准值写入存储 器中;
[0036] 步骤4:根据测量要求,判断是否对测量装置执行负载校准;
[0037] 若:判断结果是对测量装置执行负载校准,则执行步骤5;
[0038] 或判断结果是不执行负载校准,则执行步骤6;
[0039] 步骤5:将已知标准器件作为被测件进行测量,对测量装置执行多次负载校准,并 将负载校准值写入存储器中;
[0040] 步骤6:将被测件按四端对连接方式连接到测量装置中;
[0041 ]步骤7:对自动平衡桥的负反馈环路进行包括幅度和相位在内的调节;
[0042] 步骤8:判断自动平衡桥否达到平衡状态;
[0043] 若:判断结果是自动平衡桥没有达到平衡状态,则执行步骤7;
[0044] 或判断结果是自动平衡桥达到平衡状态,则执行步骤9;
[0045] 步骤9:对电压信号Vx和Vr的幅度和相位进行测量;
[0046] 步骤10:根据公式
十算出被测件的阻抗测量值Zxm;式中,Rr为量程电 阻值,Vx和Vr分别为测量的电压信号值;
[0047] 步骤11:根据测量条件,对被测件的阻抗测量值进行相应的补偿,得到阻抗补偿 值;
[004引当对测量装置不执行负载校准时,对阻抗测量值按公式
里行 补偿,得出被测件的阻抗补偿值Zdut;式中,Y。为开路校准值,Zs为短路校准值,Zxm为阻抗测 量值;
[0049]当对测量装置执行负载校准,对阻抗测量值按公式
进行补偿,得出被测件的阻抗补偿值Zdut;式中,Zsm为标准器件测量值,Zstd为标准器件真实 值,Zo为开路校准值,Zs为短路校准值,Zxm为阻抗测量值。
[(K)加]本发明的原理是:
[0051] 本发明阻抗测量装置采用标准四端口方式,分别为化端、化端、Lp端和Lc端。He为 激励源端,包括交流信号和直流信号,施加到被测件DUT的高端。化为被测件高端电压测量 端,对被测件上电压信号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,并对量程电阻Rr上电压信号Vr进行测量。Lp为误差电流端,且误差电流Id等于 被测件上电流IX与量程电阻上电流Ir之差。
[0052] 阻抗测量装置采用自动平衡桥原理进行阻抗测量,当自动平衡桥没有达到平衡状 态时,Lp端误差电流Id经过Lp端测量电缆3^过零检测电路^调制-解调电路^量程电阻^ Lc端测量电缆4^Lp端测量电缆3^……,依次循环,形成负反馈环路。在自动平衡桥的负反 馈环路中,对误差信号分别进行幅度调节和相位调节,使得自动平衡桥能够快速、准确地达 到平衡状态。
[0053] 当自动平衡桥达到平衡状态后,Lp端的误差电流Id等于零,因此,被测件低端称为 自动平衡桥的"虚地"点。运时被测件上电流IX等于量程电阻上电流Ir,因此被测件的阻抗 值Zx为:
[0化4]
[0055] 在公式(1)中,化为量程电阻值,且量程电阻全部采用高精度、低溫漂的标准电阻, 为已知量,Vx和化为待测量,且Vx和化为矢量信号,不仅包括幅度值,还包括相位值,因此, 通过公式(1)即可计算出被测件的阻抗值Zx。
[0056] 阻抗测量装置的测量电缆和测量夹具,采用四端对连接方式,可W将阻抗测量范 围提高到ΙπιΩ~10ΜΩ。将测量电缆和测量夹具所包含的寄生参数,等效成寄生阻抗Zs和寄 生导纳Υο两部分。在阻抗测量时,由于采用不同的测量电缆和测量夹具,使得寄生参数也不 相同,将会直接影响阻抗测量结果,使得测量值偏离真实值。要提高阻抗测量精度,必须要 减小测量电缆和测量夹具所包含的寄生参数对测量的影响。因此,在阻抗测量前,必须要对 阻抗测量装置执行校准操作,包括开路校准、短路校准和负载校准。
[0057] 在通常测量情况下,如对测量精度要求不是很高,采用标准的测量电缆和测量夹 具,只执行开路校准和短路校准就可W满足测量需要了。当对被测件DUT进行测量时,需要 根据开路校准值和短路校准值,对阻抗测量值进行相应的补偿。
[0058] 在有一些测量场合,如需要更高的测量精度、使用非标准长度的测试电缆、其它厂 家的测试夹具等,只进行开路校准和短路校准并不能有效地减小寄生参数对测量的影响, 还需要执行负载校准。负载校准是将标准器件作为被测件,得出标准器件的测量值,并结合 开路校准值和短路校准值,当对被测件DUT进行测量时,对阻抗测量值进行相应的补偿,W 提高阻抗测量精度。
[0059] 针对W上提出的开路校准、短路校准和负载校准运Ξ种校准方法,在执行校准时, 需要根据不同的测量频率、测量幅度、测量电缆、测量夹具、标准器件,执行多次校准,将得 到的校准值全部写入存储器中。当对被测件进行测量时,根据测量条件,选择不同的校准 值,对阻抗测量值进行补偿,提高测量精度。
[0060] 本发明所带来的有益技术效果:
[0061] 本发明提出了一种阻抗测量装置及其实现校准补偿的方法,与现有技术相比,本 发明采用自动平衡桥原理进行阻抗测量,具有测量精度高、测量速度快、阻抗测量范围广等 优点;阻抗测量装置采用四端对连接方式,使得阻抗测量范围得到提高;通过降频电路,将 高频信号转化为固定频率的低频信号,提高信号相位测量精度;在阻抗测量前,需要执行开 路校准、短路校准和负载校准,并根据不同的测量频率、测量幅度、测量电缆、测量夹具和标 准器件,进行多次校准,并将校准值全部写入存储器中;阻抗测量装置对被测件进行测量 时,根据不同的测量条件,选择相应的校准值对阻抗测量值进行补偿,提高了阻抗测量精 度。
【附图说明】
[0062] 图1为本发明一种阻抗测量装置的硬件原理图。
[0063] 图2为本发明中降频电路的硬件原理图。
[0064] 图3为本发明中四端对连接方式的原理图。
[0065] 图4为本发明中开路校准的原理图。
[0066] 图5为本发明中短路校准的原理图。
[0067] 图6为本发明执行开路校准和短路校准时的阻抗测量及其实现补偿的原理图。
[0068] 图7为本发明中负载校准的原理图。
【具体实施方式】
[0069] 下面结合附图W及【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明:
[0070] 实施例1:
[0071] 如图1所示,一种阻抗测量装置,主要包括被测件DUT、测量电缆、测量夹具、自动平 衡桥、降频电路、A/D转换器、FPGA、存储器和CPU等部分,其中自动平衡桥又包括激励源、过 零检测电路、调制-解调电路、量程电阻转换电路等部分。
[0072] 阻抗测量装置采用标准四端口方式,分别为化端、化端、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转换 器实现,将交流信号和直流相叠加,经过信号驱动电路处理后,施加到被测件DUT的高端。地 为被测件高端电压测量端,对被测件上电压信号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,并对量程电阻Rr上电压信号Vr进行测量,且量程电阻全 部采用高精度、低溫漂的标准电阻,提高测量精度。Lp为误差电流端,且误差电流Id等于被 测件上电流IX与量程电阻上电流Ir之差。
[0073] 阻抗测量装置采用自动平衡桥原理进行阻抗测量,在自动平衡桥没有达到平衡状 态时,Lp端误差电流Id经过Lp端测量电缆3^过零检测电路^调制-解调电路^量程电阻^ Lc端测量电缆4^Lp端测量电缆3^……,依次循环,形成负反馈环路。在自动平衡桥的负反 馈环路中,对误差信号进行幅度调节和相位调节,使得自动平衡桥能够快速、准确地达到平 衡状态。
[0074] 在自动平衡桥达到平衡状态后,分别对电压信号Vx和化进行测量。当开关S1打到A 时,对电压信号Vx进行测量;当开关S1打到削寸,对电压信号Vr进行测量。不仅需要测量电压 信号Vx和化的幅度,还需要它们之间的相位差。由于当测量频率比较高时,就很难准确地测 量出两个电压信号间的相位差,因此在A/D转换电路之前,设计了一个降频电路,先将高的 测量频率转换为固定频率的低频信号,再对信号进行测量,提高相位测量精度。
[0075] 电压信号Vx和化经过降频电路后,送入A/D转换电路中,转换为数字量,再送入 FPGA中进行数据处理,最后将数据由FPGA送到CPU中,进行阻抗计算和分析,且CPU还负责控 制整个阻抗测量装置。另外,FPGA还连接一个外部存储器,用于存储阻抗测量装置的各种校 准数据。
[0076] 实施例2:
[0077] 在上述实施例1的基础上,结合图2所示,本发明介绍的一种阻抗测量装置,在对电 压信号Vx和Vr进行测量时,不仅需要测量电压信号Vx和Vr的幅度,还需要测量电压信号Vx 和化之间的相位差。随着测量频率的提高,要保证阻抗测量精度,仍然要求准确地测量Vx和 化之间的相位差,难度也就越来越大。为了测量频率在高频时,提高相位测量精度,阻抗测 量装置中,在A/D转换电路之前,设计一个降频电路,使得测量频率在高频时,先转换为固定 频率的低频信号,再对信号进行测量,提高相位测量精度,最终也提高了阻抗测量精度。
[0078] 结合图2所示,DDS3信号发生电路产生2路幅度相等、频率相等、相位相差固定90° 的正弦参考信号V0和V90,且参考信号V0和V90的频率等于测量频率巧曲Z。由开关S1轮流选 择待测电压信号Vx和Vr,进入降频电路,根据测量频率的大小,选择不同的电路。当测量频 率f《32曲Z时,开关S11和开关S12都打到A点,待测信号经过缓冲器N12和滤波器1处理后, 直接送到A/D转换电路中,不需要经过降频处理;当测量频率f>32kHz时,开关Sll和开关 S12都打到B点,需要经过降频处理,将待测信号送到乘法器1和乘法器2的输入端,分别和参 考信号V0和V90相乘,乘法器1的输出经过缓冲器N10处理后,送到加法器1其中一个输入端, 乘法器2的输出经过缓冲器Nil处理后,送到加法器1另外一个输入端,加法器1的输出信号 经过缓冲器N13和滤波器2处理后,就将待测信号频率转换为固定化化的低频信号,将运个 低频化化信号送到A/D转换电路中,转换成数字量,W供阻抗计算使用。高频测量信号经过 降频电路处理后,可W明显提高信号相位测量精度,即提高阻抗测量精度。
[0079] 实施例3:
[0080] 在上述实施例1的基础上,结合图3所示,本发明介绍的一种阻抗测量装置,采用四 端对连接方式,阻抗测量范围可W达到ImQ~10ΜΩ。
[0081] 在阻抗测量设备与测量电缆进行连接时,测量电缆1与He端相连,且需要将测量电 缆1的屏蔽地与化端的地用导线XII进行相连。同理,现慢电缆2与化端相连,且需要将测量 电缆2的屏蔽地与化端的地用导线X12进行相连;测量电缆3与Lp端相连,且需要将测量电缆 3的屏蔽地与Lp端的地用导线X13进行相连;测量电缆4与Lc端相连,且需要将测量电缆4的 屏蔽地与Lc端的地用导线X14进行相连。
[0082] 在测量电缆与测量夹具进行连接时,测量电缆1与测量夹具的He端相连,且需要将 测量电缆1的屏蔽地与化端的地用导线X21进行相连。同理,测量电缆2与测量夹具的化端相 连,且需要将测量电缆2的屏蔽地与化端的地用导线X22进行相连;测量电缆3与测量夹具的 Lp端相连,且需要将测量电缆3的屏蔽地与Lp端的地用导线X23进行相连;现慢电缆4与测量 夹具的Lc端相连,且需要将测量电缆4的屏蔽地与Lc端的地用导线X24进行相连。
[0083] 在测量夹具内部,将化端与化端相连,形成自动平衡桥的高端,将Lp端与Lc端相 连,形成自动平衡桥的低端,且需要将化端的地和化端的地用导线X31进行相连;也端的地 和Lp端的地用导线X32进行相连;Lp端的地和Lc端的地用导线X33进行相连。
[0084] 阻抗测量装置的测量电缆和测量夹具所采用的上述四端对连接方式,相比于其它 连接方式,可W明显提高阻抗测量范围。
[0085] 实施例4:
[0086] 在上述实施例1的基础上,结合图4、图5、图6所示,本发明介绍了一种执行开路校 准和短路校准的阻抗测量及其实现补偿的方法。
[0087] 结合图4所示,本发明的阻抗测量装置的测量电缆和测量夹具所包含的寄生参数, 可W等效成寄生阻抗Zs和寄生导纳化两部分,其中寄生阻抗Zs包括寄生电阻Rs和寄生电感 Ls,即Zs = Rs+j ω Ls;寄生导纳化包括寄生电导Go和寄生电容Co,即Y〇 = G〇+j ω C。。在进行阻 抗测量时,由于采用不同的测量电缆和测量夹具,使得寄生参数也不相同,将会直接影响阻 抗测量结果,使得测量值偏离真实值,尤其是在高频测量时,寄生参数对测量的影响会更加 明显,运样就可能会得出完全错误的测量结果,严重影响用户使用。要提高阻抗测量精度, 必须要减小测量电缆和测量夹具所包含的寄生参数对测量的影响。因此,在阻抗测量前,必 须要对阻抗测量装置执行校准操作,包括开路校准和短路校准。
[0088] 结合图4所示,开路校准是在被测件开路时,对阻抗测量装置的测量电缆和测试夹 顯包含隱参数进行测量,此时,寄生阻抗ZS远小于寄生导刺/Υ。,即Zs《吉晒此,可 W将寄生阻抗Zs对阻抗测量的影响忽略,被测件开路时的等效寄生参数为Y〇 = G〇+j ω C。。
[0089] 结合图5所示,短路校准是在被测件短路时,对阻抗测量装置的测量电缆和测试夹 顯包含隱参数进行测量,此时请生导刺Λ。远小于寄生耐亢ZS,即吉《4咽此,可 W将寄生导纳化对阻抗测量的影响忽略,被巧峭短路时的等效寄生参数为Zs = Rs+jwLs。
[0090] 结合图6所示,在一般测量情况下,如对测量精度要求不是很高,采用标准的测量 电缆和测量夹具等,只执行开路校准和短路校准就可W满足测量需要。当对被巧峭DUT进行 测量时,需要根据开路校准值和短路校准值,对阻抗测量值进行补偿,即去掉测量电缆和测 量夹具的寄生参数对测量的影响,被测件的阻抗测量值Zxm可W由下式表示:
[0091]
[0092] 从公式(2)可W得出被测件DUT的阻抗Zdut为:
[0093]
[0094] 从公式(3)可W看出,被测件DUT的阻抗Zdut并不等于测量值Zxm,如果在测量前不 执行开路校准和短路校准操作,并对阻抗测量值进行相应的补偿,将会直接影响阻抗测量 精度。
[0095] 针对W上提出的开路校准和短路校准运两种校准方法,在执行校准时,需要根据 不同的测量频率、测量幅度、测量电缆、测量夹具,执行多次校准,将得到的校准数据全部写 入存储器中。当对被测件进行测量时,根据测量条件,选择不同的校准数据,对阻抗测量值 进行补偿,提高测量精度。
[0096] 实施例5:
[0097] 在上述实施例1和实施例4的基础上,结合图7所示,本发明介绍了一种除了执行开 路校准和短路校准外,还执行负载校准的阻抗测量及其实现补偿的方法。
[0098] 在一些测量场合,如需要更高的测量精度、使用非标准长度的测试电缆、其它厂家 的测试夹具等,阻抗测量装置只进行开路校准和短路校准并不能有效地减小寄生参数对测 量的影响,还需要执行负载校准。负载校准是将已知标准器件作为被测件进行测量,作为负 载校准值,并将负载校准值写入存储器中。
[0099] 结合图7所示,将阻抗测量设备和被测件DUT之间的测试电缆、测试夹具等部分看 成一个未知四端口网络,运个未知四端口网络可W由下式表示:
[0103]当执行负载校准时,被测件选用已知标准器件Zstd,标准器件测量值为Zsm,可得:
[0106]联合公式(5)、(6)、(7)可得:
[0107]
[010引当执行开路校准时,12 = 0, Z0:二言.即「= ^
[0109] 当执行短路校准时,V2 = 0,Zs = ^,即B = D . Zs。
[0110] 将C和B值代入公式(8),可得:
[0111]
[0112]当对被测件DUT进行阻抗测量时,根据公式(9)可得:
[0116] 在阻抗测量装置分别执行开路校准、短路校准和负载校准后,对被测件DUT进行测 量时,需按公式(11)对阻抗测量值进行相应的补偿,提高阻抗测量精度。
[0117] 针对W上提出的开路校准、短路校准和负载校准运Ξ种校准方法,在执行校准时, 需要根据不同的测量频率、测量幅度、测量电缆、测量夹具、W及不同的标准器件,执行多次 校准,将得到的校准数据全部写入存储器中。当对被测件进行测量时,根据测量条件,选择 不同的校准数据,对阻抗测量值进行补偿,提高测量精度。
[011引实施例6:
[0119] 在上述实施例1~5的基础上,结合图8所示,本发明介绍了一种阻抗测量装置实现 阻抗测量及其校准补偿的方法,具体执行流程如图8所示。
[0120] 步骤1:执行阻抗测量装置的初始化工作,主要包括四端对连接、DDS信号发生、幅 度调节、滤波电路选择、积分电容选择、开关状态选择等;
[0121] 步骤2:将被测件断开,执行阻抗测量装置的开路校准,并将开路校准值写入存储 器中;
[0122] 步骤3:将被测件短路,执行阻抗测量装置的短路校准,并将短路校准值写入存储 器中;
[0123] 步骤4:根据测量要求,决定是否执行阻抗测量装置的负载校准。情况1:在一般测 量情况下,如对测量精度要求不是很高,采用标准的测量电缆和测量夹具,运种情况下可W 不执行负载校准,即不执行该步骤;情况2:在一些测量场合,如需要更高的测量精度、使用 非标准长度的测试电缆、其它厂家的测试夹具等,运种情况下就需要执行负载校准。负载校 准是将已知标准器件作为被测件进行测量,作为负载校准值,并将负载校准值写入存储器 中。
[0124] 阻抗测量装置需要根据不同的测量频率、测量幅度、标准器件进行多次校准,重复 执行步骤2~步骤4,并将校准值全部写入存储器中;
[0125] 步骤5:将被测件DUT按四端对连接方式,连接到阻抗测量装置中;
[0126] 步骤6:对自动平衡桥进行调节,就是对自动平衡桥的负反馈环路进行调节,包括 幅度调节和相位调节;
[0127] 步骤7 :判断自动平衡桥否达到平衡状态。若没有达到平衡状态,则重新执行步骤 6;若达到平衡状态,则往下执行;
[0128] 步骤8:执行电压信号Vx和化的测量。当开关S1打到A时,对电压信号Vx进行测量; 当开关S1打到即寸,对电压信号Vr进行测量。不仅需要测量电压信号Vx和Vr的幅度,还需要 测量电压信号Vx和化之间的相位差;
[0129] 步骤9:根据电压信号Vx和Vr的幅度测量值和相位测量值,在CPU中对被测件进行 阻抗计算,得出被测件的阻抗测量值;
[0130] 步骤10:根据测量条件,对被测件阻抗测量值进行相应的补偿,得出被测件阻抗补 偿值。当测量条件满足步骤4中的情况1时,对阻抗测量值按公式(3)进行补偿;当测量条件 满足步骤4中的情况2时,对阻抗测量值按公式(11)进行补偿;
[0131] 步骤11:根据被测件阻抗补偿值,在CPU中进一步计算和分析,推算出被测件的其 它参数值。
[0132] 本发明采用自动平衡桥原理进行阻抗测量,包括被测件、测量电缆、测量夹具、自 动平衡桥、降频电路、A/D转换器、FPGA、存储器和CPU,具有测量精度高、测量速度快、阻抗测 量范围广等特点;阻抗测量装置采用四端对连接方式,使得阻抗测量范围得到提高;通过降 频电路,将高频信号转化为固定频率的低频信号,提高信号相位测量精度;在阻抗测量前, 需要执行开路校准、短路校准和负载校准,并根据不同的测量频率、测量幅度、测量电缆、测 量夹具和标准器件,进行多次校准,并将校准值全部写入存储器中;阻抗测量装置对被测件 进行测量时,根据不同的测量条件,选择相应的校准值对阻抗测量值进行补偿,提高阻抗测 量精度。
[0133] 当然,上述说明并非是对本发明的限制,本发明也并不仅限于上述举例,本技术领 域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换,也应属于本发明的 保护犯i围。
【主权项】
1. 一种阻抗测量装置,其特征在于:包括测量电缆、测量夹具、自动平衡桥、第一选择开 关、降频电路、A/D转换电路、FPGA、存储器和CPU; 所述测量电缆和测量夹具采用四端对接口方式连接; 所述自动平衡桥包括激励源、过零检测电路、调制-解调电路和量程电阻; 所述激励源,被配置为用于为被测件提供激励源信号; 所述过零检测电路,被配置为用于对误差电流进行过零检测并进行信号处理; 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; 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; 所述降频电路,被配置为用于将高频测量信号转化为固定频率的低频信号; 所述A/D转换电路,被配置为用于经过降频电路处理后的模拟信号转换为数字信号; 所述FPGA,被配置为用于将转换后的数字信号进行数据处理; 所述CRJ,被配置为用于进行阻抗计算和分析; 所述存储器,被配置为用于存储各种校准数据; 在自动平衡桥达到平衡状态时,两路电压信号首先进入降频电路,降频电路将高频测 量信号转化为固定频率的低频信号后送入A/D转换电路,A/D转换电路将模拟信号转换为数 字信号后送入FPGA中进行数据处理,FPGA将数据进行处理后送入到CPU中,进行阻抗计算和 分析,并将各校准值写入存储器中,并根据测量条件,对阻抗值进行相应的补偿,得到相应 的阻抗补偿值。2. 根据权利要求1所述的阻抗测量装置,其特征在于:所述降频电路包括第二选择开 关、第三选择开关、乘法器、缓冲器、加法器、滤波器、信号发生器以及信号处理器; 乘法器包括第一乘法器和第二乘法器; 缓冲器包括第一缓冲器、第二缓冲器、第三缓冲器和第四缓冲器; 滤波器包括第一滤波器和第二滤波器; 信号处理器包括第一信号处理器和第二信号处理器; 第二选择开关的其中一个触点通过线路连接至第一缓冲器的输入端,第一缓冲器的输 出端通过第一滤波器连接至第三选择开关的一个触点; 第二选择开关的另外一个触点通过线路分别连接至第一乘法器和第二乘法器的输入 端; 信号发生器分别与第一信号处理器和第二信号处理器通过线路连接,第一信号处理器 和第二信号处理器分别通过线路连接至第一乘法器和第二乘法器的输入端; 第一乘法器的输出端连接至第二缓冲器的输入端,第二缓冲器的输出端连接至加法器 的一端; 第二乘法器的输出端连接至第三缓冲器的输入端,第三缓冲器的输出端连接至加法器 的另一端; 加法器的输出端连接至第四缓冲器的输入端,第四缓冲器的输出端通过第二滤波器连 接至第三选择开关的另外一个触点; 第二选择开关通过线路和第一选择开关连接; 第三选择开关通过线路和A/D转换器连接。3. -种阻抗测量装置实现校准补偿的方法,其特征在于:采用如权利要求1所述的一种 阻抗测量装置,包括如下步骤: 步骤1:对测量装置执行初始化工作; 步骤2:将被测件断开,对测量装置执行多次开路校准,并将开路校准值写入存储器中; 步骤3:将被测件短路,对测量装置执行多次短路校准,并将短路校准值写入存储器中; 步骤4:根据测量要求,判断是否对测量装置执行负载校准; 若:判断结果是对测量装置执行负载校准,则执行步骤5; 或判断结果是不执行负载校准,则执行步骤6; 步骤5:将已知标准器件作为被测件进行测量,对测量装置执行多次负载校准,并将负 载校准值写入存储器中; 步骤6:将被测件按四端对连接方式连接到测量装置中; 步骤7:对自动平衡桥的负反馈环路进行包括幅度和相位在内的调节; 步骤8:判断自动平衡桥否达到平衡状态; 若:判断结果是自动平衡桥没有达到平衡状态,则执行步骤7; 或判断结果是自动平衡桥达到平衡状态,则执行步骤9; 步骤9:对电压信号1和1的幅度和相位进行测量; 步骤10:根据公另丨计算出被测件的阻抗测量值Zxm;式中,R r为量程电阻值, Vx和Vr分别为测量的电压信号值; 步骤11:根据测量条件,对被测件的阻抗测量值进行相应的补偿,得到阻抗补偿值; 当对测量装置不执行负载校准时,对阻抗测量值按公式进行补偿, 得出被测件的阻抗补偿值Zdut;式中,Y。为开路校准值,ZA短路校准值,Zxm为阻抗测量值; 当对测量装置执行负载校准,对阻抗测量值按公式进 行补偿,得出被测件的阻抗补偿值Zdut;式中,Zsm为标准器件测量值,Zstd为标准器件真实值, Zo为开路校准值,Zs为短路校准值,Zxm为阻抗测量值。
【文档编号】G01R27/08GK106066425SQ201610616593
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年7月29日
【发明人】彭海军, 张永坡, 赵晖, 戚瑞民, 栗永强, 王文廷, 李雷
【申请人】中国电子科技集团公司第四十研究所, 中国电子科技集团公司第四十一研究所
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