专利名称：阻抗谱测试仪及测试方法
技术领域：
本发明涉及材料的测量和分析范畴，特别是采用阻抗谱对材料进行分析的仪器，具体是一种阻抗谱测试仪及测试方法。
背景技术：
中国专利CN201010204648.2《一种阻抗谱的测量方法》公开了一种阻抗谱的测量方法，其测量步骤为:在待测体系上施加一个恒定电压，同时采集其电流响应，在所采集的电流响应达到一个稳定值的时候，将施加在测试体系上的电压迅速升到另外一个值，同时以一定的采样率采集电流响应。对所采集的电流响应进行傅里叶变换，计算出待测体系的阻抗谱。该发明采用数字微分和傅里叶变换测量阻抗谱，测量值范围不太宽，测量值精度不太高，测量频率不太宽。在《传感器与微系统》2012年第31卷第12期:94-100上公开了由王达、王化祥、崔自强、高振涛、种楠楠所著论文《一种集成式阻抗谱测量系统》公开了一种集成式阻抗谱测量系统。由于受到集成芯片的限制，该方法也存在测量值范围不太宽，测量值精度不太高，频率范围不太宽的问题。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，设计一种测量值范围宽，测量值精度高，测量频率宽的阻抗谱测试仪，用于测量材料的阻抗谱特性，并提供与该测试仪的配套的测量方法。本发明的目的是这样达到的:阻抗谱测试仪由两个测量端口、正弦信号发生器、阻抗选择电路、两组驱动放大电路、锁相环、两个模数转换电路、微处理器组成；测量端口连接被测对象，两个测量端口连接两个驱动放大电路之一的输入端，正弦信号发生器的输出一端连接测量端口，另一端连接阻抗选择电路。阻抗选择电路、正弦信号发生器、被测对象构成串联电路。阻抗选择电路两端的电压连接到两个驱动放大电路之一的输入端，两组驱动放大电路分别放大两个测量端口两端的信号以及阻抗选择电路两端的信号。两组驱动放大电路的输出分别连接到两个模数转换电路，模数转换电路将驱动放大电路的输出的模拟信号分别转换为数字信号，并将转换的数字信号输送给微处理器。锁相环输入端与正弦信号发生器的输出连接，输出端连接到两个模数转换电路的采样频率输入端，锁相环的作用是倍频，锁相环倍频信号作为模数转换电路的采样频率。微处理器通过阻抗选择控制线、驱动放大控制线、正弦信号控制线、锁相环控制线分别连接到阻抗选择电路、驱动放大电路、正弦信号发生器、锁相环，并通过阻抗选择控制线、驱动放大控制线、正弦信号控制线、锁相环控制线分别对阻抗选择电路、驱动放大电路、正弦信号发生器、锁相环进行控制；微处理器与两个模数转换电路的数字输出接口连接，接收模数转换。测量端口为接插件接口。正弦信号发生器由程控正弦信号发生器和程控放大器构成。程控正弦信号发生器在微处理器的控制下产生设置频率的正弦信号，程控放大器在微处理器的控制下产生设置频率的放大倍数；阻抗选择电路设置有并联阻抗电路和串联阻抗电路，并联阻抗电路和串联阻抗电路的两端分别连接到两个2选一模拟开关，工作时，两个2选一模拟开关选择并联阻抗电路或串联阻抗电路之一接通阻抗选择电路；驱动放大电路由仪表放大电路和程控放大电路构成，两个驱动放大电路的输入端分别连接测量端口和阻抗选择电路，输出端分别连接模数转换电路；锁相环的输入端连接正弦信号发生器的输出端。并联阻抗选择电路由电阻选择电路、电容选择电路、电感选择电路并联而成，串联阻抗选择电路由电阻选择电路、电容选择电路、电感选择电路串联而成。电阻选择电路由两个8选一模拟开关和八个不同电阻值的电阻组成，工作时，在微处理器的控制下，通过两个8选一开关选择其中的一个电阻接入电阻电路。电容选择电路由两个8选一模拟开关和八个不同电容值的电容组成，工作时，在微处理器的控制下，通过两个8选一开关选择其中的一个电容接入电容电路。电感选择电路由两个8选一模拟开关和八个不同电感值的电感组成，工作时，在微处理器的控制下，通过两个8选一开关选择其中的一个电感接入电感电路。阻抗谱测试仪的测试方法是:测试仪的测量端口连接被测对象，正弦信号发生器在微处理器的控制下，产生0-100兆赫兹的任意频率的正弦信号；阻抗选择电路在微处理器的控制下，选择一个与被测对象接近的阻抗，阻抗选择电路两端的电压连接到两个驱动放大电路之一的输入端；驱动放大电路将放大的输出信号分别连接到两个模数转换电路，模数转换电路将驱动放大电路的输出的模拟信号分别转换为数字信号，并将转换的数字信号输送给微处理器；锁相环对正弦信号发生器的信号进行倍频后，将倍频信号作为模数转换电路的采样频率；微处理器通过阻抗选择控制线、驱动放大控制线、正弦信号控制线、锁相环控制线分别对阻抗选择电路、驱动放大电路、正弦信号发生器、锁相环进行控制；微处理器与两个模数转换电路的数字输出接口连接，接收模数转换电路的数字输出信号，并通过收到的数字输出信号计算阻抗谱，输出测量结果；处理器的程序控制流程包括运行定频模式子程序、运行扫频模式和阻抗分析子程序，在定频和扫频模式下运行阻抗测量子程序，最后，在阻抗分析子程序中得出被测量材料的阻抗谱结果。在阻抗分析子程序中得出被测量材料的阻抗谱是通过变换测试频率，并在阻抗分析子程序中通过阻抗选择电路复阻抗值Z的阻抗角Cj5、被测对象与阻抗选择电路信号的相位差A之和计算被测对象的复阻抗的阻抗角，通过被测对象与阻抗选择电路信号的幅度之比乘以阻抗选择电路阻抗的模得到被测对象复阻抗的模，从而得出被测对象的阻抗谱。微处理器程序流程是:开始，第一步，接收控制命令，第二步判断是进行运行定频模式吗？是，运行定频模式子程序，否，进入第三步，判断是进行运行扫频模式吗？是，运行扫频模式，否，返回第一步，接收控制命令。运行定频模式子程序流程是:开始，第一步，接收控制命令，第二步，根据控制命令，通过正弦信号控制线设置正弦信号发生器的频率和放大增益，第三步，运行阻抗测量子程序，第四步，返回第一步，接收控制命令；运行扫频模式子程序流程是:开始，第一步，接收控制命令，第二步，设置频率f=扫描频率，第三步，通过正弦信号控制线设置正弦信号发生器的频率为f，并根据控制命令设置正弦信号发生器的放大增益，第四步，运行阻抗测量子程序，并存储测量数据，第五步，设f=f+扫描步长，第六步，判断f大于终止模式吗？是，返回第一步，接收控制命令，否，返回第三步重新设置正弦信号发生器的频率和放大增益。阻抗测量子程序的流程是:开始，第一步，根据控制命令，通过锁相环控制线设置锁相环输出频率为正弦信号发生器输出频率乘以锁相环倍频数；第二步，根据被测对象特性，通过阻抗选择控制连接线，设置阻抗选择电路的阻抗为电阻R ;第三步，设阻抗选择电路复阻抗值Z=R ;第四步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗复阻抗ZSO ;第五步，通过阻抗选择控制连接线，选择阻抗选择电路为串联阻抗电路，设置一个接近ZSO的串联阻抗，阻抗选择电路复阻抗值Z=ZSa;第六步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗串联复阻抗ZSl ;第七步，通过阻抗选择控制连接线，选择阻抗选择电路为并联阻抗电路，设置一个接近ZSl的并联阻抗，阻抗选择电路复阻抗值Z=ZSb ;第八步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象复阻抗ZS2 ;第九步，通过阻抗选择控制连接线，设置一个接近ZS2的并联阻抗，阻抗选择电路复阻抗值Z=ZS2 ;第十步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗串联复阻抗ZS3;第十一步，存储测量得到的串联复阻抗ZS1，并联复阻抗ZS3以及对应的测试频率f，结束。阻抗分析子程序的流程是:开始，第一步，根据模数转换电路I的数据，通过驱动放大控制线设置驱动放大电路I的放大倍数Al，使得模数转换电路I的输出数据OUTl在模数转换电路I满量程的0.6-0.9倍之间，第二步，根据模数转换电路2的数据，通过驱动放大控制线设置驱动放大电路2的放大倍数A2，使得模数转换电路2的输出数据0UT2在模数转换电路2满量程的0.6-0.9倍之间，第三步，设被测对象复阻抗的模ZM等于模数转换电路I的输出数据OUTl的峰峰值乘以阻抗选择电路复阻抗值Z，乘以驱动放大电路2的放大倍数A2，除以模数转换电路2的输出数据0UT2的峰峰值，除以驱动放大电路I的放大倍数Al，即Z M = OUTl X ZX A2/0UT2/A1，第四步，根据模数转换电路I的输出数据OUTl的过零点tl，和模数转换电路2的输出数据0UT2的过零点t2，计算被测对象与阻抗选择电路复阻抗值Z的阻抗角差值A，阻抗角差值A等于输出数据OUTl的过零点tl和模数转换电路2的输出数据0UT2的过零点t2之差乘以360度，除以正弦信号发生器的周期TS，即A =(tl-t2) X360/TS，第五步，被测对象的阻抗角0等于阻抗选择电路复阻抗值Z的阻抗角0与阻抗角差值A之和，S卩0=0 +A，第六步，得到被测对象的复阻抗的结果，即得到被测对象的复阻抗的模ZM，阻抗角为0，结束。本发明的优点是:针对现有技术的测量值范围不太宽，测量值精度不太高，频率范围不太宽的问题实现了阻抗谱测量功能的优化，测量值范围宽，测量值精度高。且使用简单、方便、可靠。
图1是本测试仪结构示意图。图2是正弦信号发生器结构示意图。图3是阻抗选择电路结构示意图。图4是并联阻抗电路不意图。图5是串联阻抗电路不意图。图6是电阻选择电路示意图。图7是电容选择电路示意图。图8是电感选择电路示意图。图9是驱动放大电路结构示意图。
图10微处理器的程序流程图。图11是运行定频模式子程序流程图。图12是运行扫描模式子程序流程图。图13阻抗测量子程序流程图。图14是阻抗分析子程序流程图。图15是正弦信号发生器电路图。图16是程控放大器电路图。图17是2选一模拟开关电路图。图18是电阻选择电路图。图19是电容选择电路图。图20是电感选择电路图。图21是驱动放大电路中的仪表放大电路图。图22是锁相环电路图。图23是微处理器电路图。图中，1-1、1-2测量端口，2正弦信号发生器，3阻抗选择电路，4-1、4-2驱动放大电路，5锁相环，6-1、6-2模数转换电路，7微处理器，8阻抗选择控制线，9驱动放大控制线，10正弦信号控制线，11锁相环控制线，12程控正弦信号发生器，13-1,13-2程控放大器，14-1、14-2 二选一模拟开关，15并联阻抗电路，16串联阻抗电路，17电阻选择电路，18电容选择电路，19电感选择电路，20电阻选择电路，21电容选择电路，22电感选择电路，23-广23-6 8选一模拟开关，24-1 24-8电阻，25-1 25-8电容，26-1 26-8电感，27仪表放大电路。
具体实施例方式参见图1。测试仪由两个测量端口 1-1、1_2、正弦信号发生器2、阻抗选择电路3、两组驱动放大电路4-1、4-2、锁相环5、两个模数转换电路6-1、6-2、微处理器7组成。测量端口 1-1、1_2连接被测对象，两个测量端口连接两个驱动放大电路之一的输入端，正弦信号发生器2的输出端连接测量端口、阻抗选择电路；阻抗选择电路3、正弦信号发生器2、被测对象构成串联电路。阻抗选择电路3两端的电压连接到两个驱动放大电路之一的输入端，两组驱动放大电路4-1、4-2分别放大两个测量端口两端的信号以及阻抗选择电路两端的信号；两组驱动放大电路4-1、4-2的输出分别连接到两个模数转换电路6-1、6-2，两个模数转换电路将驱动放大电路的输出的模拟信号分别转换为数字信号，并将转换的数字信号输送给微处理器7。锁相环5输入端与正弦信号发生器2的输出连接，输出端连接到两个模数转换电路6-1、6-2的采样频率输入端进行倍频，倍频信号作为模数转换电路的采样频率；微处理器7通过阻抗选择控制线8、驱动放大控制线9-1、9-2、正弦信号控制线10、锁相环控制线11分别连接到阻抗选择电路3、驱动放大电路4-1、4-2、正弦信号发生器2、锁相环5，并通过阻抗选择控制线8、驱动放大控制线9-1、9-2、正弦信号控制线10、锁相环控制线11分别对阻抗选择电路3、驱动放大电路4-1、4-2、正弦信号发生器2、锁相环进行控制。微处理器7与两个模数转换电路6-1、6-2的数字输出接口连接，接收模数转换电路的数字输出信号。测量端口 1-1、1_2为接插件接口，用于连接被测对象，测量端口的一端连接正弦信号发生器，另一端连接阻抗选择电路，使得连接被测对象与正弦信号发生器、阻抗选择电路构成串联电路。测量端口与驱动放大电路连接，由驱动放大电路放大测量端口的电信号。参见图2、15、16.正弦信号发生器2由程控正弦信号发生器12和程控放大器13_1构成。程控正弦信号发生器12在微处理器7的控制下产生设置频率的正弦信号，程控放大器13-1在微处理器的控制下产生设置频率的放大倍数。图15中，程控正弦信号电路采用Ul为DDS集成电路，型号为AD9852,由美国Analog Devices公司生产，其中DDS_D0_DDS_D7, DDS_A0-DDS_A5连接到微处理器，用于控制DDS的输出频率。程控放大器电路16中，UAl为美国国家半导体公司生产的集成电路DAC1210，UA2为美国ANALOG DEVICES公司生产的集成电路AD811.A_IN为模拟输入端，A_0UT为放大输出端。A_D1_A_D10连接到微处理器，在微处理器控制下设置为增益大小。参见图3 8、17 20。阻抗选择电路3设置有并联阻抗电路15和串联阻抗电路16，并联阻抗电路和串联阻抗电路的两端分别连接到两个2选一模拟开关，工作时，两个2选一模拟开关选择并联阻抗电路15或串联阻抗电路16之一接通阻抗选择电路3。并联阻抗选择电路15由电阻选择电路17、电容选择电路18、电感选择电路19并联而成，串联阻抗选择电路16由电阻选择电路20、电容选择电路21、电感选择电路22串联而成。图17中，二选一模拟开关15￡1选择？11111口8 Semiconductor 的集成电路 74HC4053, P0RT1, P0RT2 与被测对象和正弦信号发生器串联，CP_SEL连接到微处理器，用于选择串联阻抗电路或并联阻抗电路。电阻选择电路17、20由两个8选一开关和八个不同电阻值的电阻组成，工作时，在微处理器的控制下，通过两个8选一开关选择其中的一个电阻接入电阻电路。图18电阻选择电路中，Rl, R2, R3, R4, R5, R6, R7为电阻，其电阻值分别为:0，IK, 10K, 100K, 1M, 100M,1000M 欧姆。URl, UR2, Rl, R2, R3, R4, R5, R6, R7 构成了电阻选择电路。AR, BR, CR 为电阻选
择控制线，与微处理器连接。
电路电容选择电路18、21由两个8选一模拟开关和八个不同电容值的电容组成，工作时，在微处理器的控制下，通过两个8选一开关选择其中的一个电阻接入电容电路。图 19 中，Cl, C2, C3, C4, C5, C6 为电容，电容值分别为:10pF, IOOpF, Inf, IOnF, IOOnF, luF，RCO 为 0 欧姆电阻，UC1，UC2, Cl, C2, C3, C4, C5, C6, RCO 构成了电容选择电路,AC, BC, CC 为
电容选择控制线，与微处理器连接。电感选择电路19、22由两个8选一模拟开关和八个不同电感值的电感组成，在微处理器的控制下，通过两个8选一开关选择其中的一个电感接入电感电路。图20中，LI, L2, L3, L4, L5, L6 为电容，电感值分别为:10nH, IOOnH, IuH, IOuH, IOOuH, IOOOuH, RLO为0欧姆电阻，UL1，UL2, LI, L2, L3, L4, L5, L6, RLO构成了电感择电路，AL，BL, CL为电感择
控制线，与微处理器连接。参见图9。驱动放大电路由仪表放大电路27和程控放大电路13-2构成，两组驱动放大电路的输入端4-1、4-2分别连接测量端口和阻抗选择电路，输出端分别连接模数转换电路6-1、6_2。锁相环5的输入端连接正弦信号发生器12的输出端。仪表放大电路见图21。仪表放大电路由美国德州仪器生产的集成电路INA326及其外围电路构成。UAl为美国国家半导体公司生产的集成电路DAC1210，UA2为美国ANALOG DEVICES公司生产的集成电路AD811.A_IN为模拟输入端，A_0UT为放大输出端。A_D1-A_D10连接到微处理器，在微处理器控制下设置为增益大小。
锁相环电路见图22.锁相环的输入端连接正弦信号发生器的输出端，锁相环的输出端连接两个模数转换电路的采样频率接口，用于为模数转换电路提供采样频率信号。本实施例的锁相环由摩托罗拉公司生产的集成电路MC145152及其外围电路构成，UPLL为MC145152。F_IN为频率输入端，PortVCO连接压控振荡器，RA0-RA3，A1-A5, N0-N9连接微处理器，在微处理器控制下设置输出频率。本测试仪由微处理器控制，微处理器通过两个数据输入接口连接模数转换电路的数字输出信号，通过阻抗选择控制线、驱动放大控制线、正弦信号控制线、锁相环控制线分别连接阻抗选择电路、驱动放大电路、正弦信号发生器、锁相环，并对阻抗选择电路、驱动放大电路、正弦信号发生器、锁相环进行控制。参见图23.本例选择美国德州仪器生微处理器产的集成电路TMS320F2812，该集成电路集成了模数转换器。图中ADC_IN1，ADC_IN2为模拟信号输入端，分别连接到两个驱动放大电路的输出端。DDS_A0-DDS_A5，DDS_D0-DDS_D7为正弦信号发生器控制线，连接到正弦信号发生器。A_D1-A_D10连接到程控放大器，控制程控放大器的放大倍数。CP_SEL, AR, BR, CR, AC, BC, CC, AL, BL，CL为阻抗选择控制线，用于选择阻抗选择电路的阻抗，RA0-RA3, A1-A5, N0-N9为锁相环控制线，用于控制锁相环的频率。本测试仪采用的测试方法是:在测量端口连接被测对象，正弦信号发生器在微处理器的控制下，产生0-100兆赫兹的任意频率的正弦信号。阻抗选择电路在微处理器的控制下，选择一个与被测对象接近的阻抗，阻抗选择电路两端的电压连接到两个驱动放大电路之一的输入端。驱动放大电路将放大的输出信号分别连接到两个模数转换电路，模数转换电路将驱动放大电路的输出的模拟信号分别转换为数字信号，并将转换的数字信号输送给微处理器；锁相环对正弦信号发生器的信号进行倍频后，将倍频信号作为模数转换电路的采样频率；微处理器通过阻抗选择控制线、驱动放大控制线、正弦信号控制线、锁相环控制线分别对阻抗选择电路、驱动放大电路、正弦信号发生器、锁相环进行控制；微处理器与两个模数转换电路的数字输出接口连接，接收模数转换电路的数字输出信号，并通过收到的数字输出信号计算阻抗谱，输出测量结果。处理器的程序控制流程包括运行定频模式子程序、运行扫频模式和阻抗分析子程序，在定频和视频模式下运行阻抗测量子程序，最后，在阻抗分析子程序中得出被测量材料的阻抗谱结果。阻抗分析子程序中得出被测量材料的阻抗谱是通过变换测试频率，并在阻抗分析子程序中通过阻抗选择电路复阻抗值Z的阻抗角Cj5、被测对象与阻抗选择电路信号的相位差A之和计算被测对象的复阻抗的阻抗角，通过被测对象与阻抗选择电路信号的幅度之比乘以阻抗选择电路阻抗的模得到被测对象复阻抗的模，从而得出被测对象的阻抗谱。微处理器程序流程见附图10。开始，第一步，接收控制命令，第二步判断是进行运行定频模式吗？是，运行定频模式子程序，否，进入第三步，判断是进行运行扫频模式吗？是，运行扫频模式，否，返回第一步，接收控制命令。运行定频模式子程序流程见附图11。开始，第一步，接收控制命令，第二步，根据控制命令，通过正弦信号控制线设置正弦信号发生器的频率和放大增益，第三步，运行阻抗测量子程序，第四步，返回第一步，接收控制命令。运行扫频模式子程序流程见附图12。开始，第一步，接收控制命令，第二步，设置频率f=扫描频率，第三步，通过正弦信号控制线设置正弦信号发生器的频率为f，并根据控制命令设置正弦信号发生器的放大增益，第四步，运行阻抗测量子程序，并存储测量数据，第五步，设f=f+扫描步长，第六步，判断f大于终止模式吗？是，返回第一步，接收控制命令，否，返回第三步重新设置正弦信号发生器的频率和放大增益。阻抗测量子程序见附图13。开始，第一步，根据控制命令，通过锁相环控制线设置锁相环输出频率为正弦信号发生器输出频率乘以锁相环倍频数；第二步，根据被测对象特性，通过阻抗选择控制连接线，设置阻抗选择电路的阻抗为电阻R ;第三步，设阻抗选择电路复阻抗值Z=R ;第四步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗复阻抗ZSO ;第五步，通过阻抗选择控制连接线，选择阻抗选择电路为串联阻抗电路，设置一个接近ZSO的串联阻抗，阻抗选择电路复阻抗值Z=ZSa;第六步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗串联复阻抗ZSl ;第七步，通过阻抗选择控制连接线，选择阻抗选择电路为并联阻抗电路，设置一个接近ZSl的并联阻抗，阻抗选择电路复阻抗值Z=ZSb ;第八步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗复阻抗ZS2 ;第九步，通过阻抗选择控制连接线，设置一个接近ZS2的并联阻抗，阻抗选择电路复阻抗值Z=ZS2 ;第十步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗串联复阻抗ZS3 ;第十一步，存储测量得到的车辆阻抗ZS1，并联阻抗ZS3以及对应的测试频率f，结束。阻抗分析子程序见附图14。开始，第一步，根据模数转换电路I的数据，通过驱动放大控制线设置驱动放大电路I的放大倍数Al，使得模数转换电路I的输出数据OUTl在模数转换电路I满量程的0.6-0.9倍之间，第二步，根据模数转换电路2的数据，通过驱动放大控制线设置驱动放大电路2的放大倍数A2，使得模数转换电路2的输出数据0UT2在模数转换电路2满量程的0.6-0.9倍之间，第三步，设被测对象复阻抗的模ZM等于模数转换电路I的输出数据OUTl的峰值乘以阻抗选择电路复阻抗值Z，乘以驱动放大电路2的放大倍数A2，除以模数转换电路2的输出数据0UT2的峰值，除以驱动放大电路I的放大倍数Al，即Z M = 0UT1*Z*A2/0UT2/A1，第四步，根据模数转换电路I的输出数据OUTl的过零点tl，和模数转换电路2的输出数据0UT2的过零点t2，计算被测对象与阻抗选择电路复阻抗值Z的阻抗角差值A，阻抗角差值A等于输出数据OUTl的过零点tl和模数转换电路2的输出数据0UT2的过零点t2之差乘以360度，除以正弦信号发生器的周期TSjPA =(tl-t2) X360/TS，第五步，被测对象的阻抗角0等于阻抗选择电路复阻抗值Z的阻抗角0与阻抗角差值A之和，S卩0=0 +A，第六步，得到被测对象的复阻抗的结果，即得到被测对象的复阻抗的模ZM，阻抗角为0，结束。
权利要求
1.一种阻抗谱测试仪，其特征在于:阻抗谱由两个测量端口(1-1、1_2)、正弦信号发生器(2)、阻抗选择电路(3)、两组驱动放大电路(4-1、4-2)、锁相环(5)、两个模数转换电路(6-1、6-2)、微处理器(7)组成；测量端口( 1-1、1-2)连接被测对象，两个测量端口连接两个驱动放大电路之一的输入端，正弦信号发生器(2)的输出端连接测量端口、阻抗选择电路；阻抗选择电路(3)、正弦信号发生器(2)、被测对象构成串联电路；阻抗选择电路(3)两端的连接到两个驱动放大电路之一的输入端，两组驱动放大电路(4-1、4-2)分别放大两个测量端口两端的信号以及阻抗选择电路两端的信号；两组驱动放大电路(4-1、4-2)的输出分别连接到两个模数转换电路(6-1、6-2)，模数转换电路将驱动放大电路输出的模拟信号分别转换为数字信号，并将转换的数字信号输送给微处理器(7);锁相环(5)输入端与正弦信号发生器(2)的输出连接，输出端连接到两个模数转换电路(6-1、6-2)的采样频率输入端，锁相环倍频信号作为模数转换电路的采样频率；微处理器(7)通过阻抗选择控制线(8)、驱动放大控制线(9-1、9-2)、正弦信号控制线(10)、锁相环控制线(11)分别连接到阻抗选择电路(3)、驱动放大电路(4-1、4-2)、正弦信号发生器(2)、锁相环(5)，并通过阻抗选择控制线(8)、驱动放大控制线(9-1、9-2)、正弦信号控制线(10)、锁相环控制线(11)分别对阻抗选择电路(3)、驱动放大电路(4-1、4-2)、正弦信号发生器(2)、锁相环(5)进行控制；微处理器(7)与两个模数转换电路(6-1、6-2)的数字输出接口连接，接收模数转换电路的数字输出信号。
2.如权利要求1所述 的阻抗谱测试仪，其特征在于:所述测量端口(1-1、1_2)为接插件接口 ；正弦信号发生器(2)由程控正弦信号发生器(12)和程控放大器(13-1)构成，程控正弦信号发生器(12)在微处理器(7)的控制下产生设置频率的正弦信号，程控放大器(13-1)在微处理器的控制下产生设置频率的放大倍数；阻抗选择电路(3)设置有并联阻抗电路(15)和串联阻抗电路(16)，并联阻抗电路和串联阻抗电路的两端分别连接到两个2选一模拟开关，工作时，两个2选一模拟开关选择并联阻抗电路(15)或串联阻抗电路(16)之一接通阻抗选择电路(3);驱动放大电路由仪表放大电路(27)和程控放大电路(13-2)构成，两组驱动放大电路的输入端(4-1、4-2)分别连接测量端口和阻抗选择电路，输出端分别连接模数转换电路(6-1、6_2);锁相环(5)的输入端连接正弦信号发生器(12)的输出端。
3.如权利要求2所述的阻抗谱测试仪，其特征在于:所述并联阻抗选择电路(15)由电阻选择电路(17)、电容选择电路(18)、电感选择电路(19)并联而成，串联阻抗选择电路(16)由电阻选择电路(20)、电容选择电路(21)、电感选择电路(22)串联而成。
4.如利要求所述3的阻抗谱测试仪，其特征在于:所述电阻选择电路(17、20)由两个8选一开关和八个不同电阻值的电阻组成，工作时，在微处理器的控制下，通过两个8选一开关选择其中的一个电阻接入电阻电路；所述电路电容选择电路(18、21)由两个8选一模拟开关和八个不同电容值的电容组成，工作时，在微处理器的控制下，通过两个8选一开关选择其中的一个电容接入电容电路；电感选择电路(19、22)由两个8选一模拟开关和八个不同电感值的电感组成，在微处理器的控制下，通过两个8选一开关选择其中的一个电感接入电感电路。
5.一种阻抗谱测试仪的测试方法，其特征在于:测试仪的测量端口连接被测对象，正弦信号发生器在微处理器的控制下，产生0-100兆赫兹的任意频率的正弦信号；阻抗选择电路在微处理器的控制下，选择一个与被测对象接近的阻抗，阻抗选择电路两端的电压信号连接到两个驱动放大电路之一的输入端；驱动放大电路将放大的输出信号分别连接到两个模数转换电路，模数转换电路将驱动放大电路的输出的模拟信号分别转换为数字信号，并将转换的数字信号输送给微处理器；锁相环对正弦信号发生器的信号进行倍频后，将倍频信号作为模数转换电路的采样频率；微处理器通过阻抗选择控制线、驱动放大控制线、正弦信号控制线、锁相环控制线分别对阻抗选择电路、驱动放大电路、正弦信号发生器、锁相环进行控制；微处理器与两个模数转换电路的数字输出接口连接，接收模数转换电路的数字输出信号，并通过收到的数字输出信号计算阻抗谱，输出测量结果；处理器的程序控制流程包括运行定频模式子程序、运行扫频模式和阻抗分析子程序，在定频和扫频模式下运行阻抗测量子程序，最后，在阻抗分析子程序中得出被测量材料的阻抗谱结果。
6.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于:所述在阻抗分析子程序中得出被测量材料的阻抗谱是通过变换测试频率，并在阻抗分析子程序中通过阻抗选择电路复阻抗值Z的阻抗角0、被测对象与阻抗选择电路信号的相位差A之和计算被测对象的复阻抗的阻抗角，通过被测对象与阻抗选择电路信号的幅度之比乘以阻抗选择电路阻抗的模得到被测对象复阻抗的模，从而得出被测对象的阻抗谱。
7.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于:所述微处理器程序流程是:开始，第一步，接收控制命令，第二步判断是进行运行定频模式吗？是，运行定频模式子程序，否，进入第三步，判断是运行扫频模式吗？是，运行扫频模式，否，返回第一步，接收控制命令； 运行定频模式子程序流程是:开始，第一步，接收控制命令，第二步，根据控制命令，通过正弦信号控制线设置正弦信号发生器的频率和放大增益，第三步，运行阻抗测量子程序，第四步，返回第一步，接收控制命令；运行扫频模式子程序流程是:开始，第一步，接收控制命令，第二步，设置频率f=扫描频率，第三步，通过正弦信号控制线设置正弦信号发生器的频率为f，并根据控制命令设置正弦信号发生器的放大增益，第四步，运行阻抗测量子程序，并存储测量数据，第五步，设f=f+扫描步长，第六步，判断f 大于终止模式吗？是，返回第一步，接收控制命令，否，返回第三步重新设置正弦信号发生器的频率和放大增益。
8.如权利要求5所述的测试方法，其特征在于:所述阻抗测量子程序的流程是:开始，第一步，根据控制命令，通过锁相环控制线设置锁相环输出频率为正弦信号发生器输出频率乘以锁相环倍频数；第二步，根据被测对象特性，通过阻抗选择控制连接线，设置阻抗选择电路的阻抗为电阻R ;第三步，设阻抗选择电路复阻抗值Z=R ;第四步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗复阻抗ZSO ;第五步，通过阻抗选择控制连接线，选择阻抗选择电路为串联阻抗电路，设置一个接近ZSO的串联阻抗，阻抗选择电路复阻抗值Z=ZSa;第六步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗串联复阻抗ZSl ;第七步，通过阻抗选择控制连接线，选择阻抗选择电路为并联阻抗电路，设置一个接近ZSl的并联阻抗，阻抗选择电路复阻抗值Z=ZSb ;第八步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗复阻抗ZS2 ;第九步，通过阻抗选择控制连接线，设置一个接近ZS2的并联阻抗，阻抗选择电路复阻抗值Z=ZS2;第十步，运行被测对象阻抗分析子程序，得到被测对象阻抗并联复阻抗ZS3;第十一步，存储测量得到的串联复阻抗ZS1，并联复阻抗ZS3以及对应的测试频率f，结束。
9.权利要求5或6所述的测试方法，其特征在于:所述阻抗分析子程序的流程是:开始，第一步，根据模数转换电路I的数据，通过驱动放大控制线设置驱动放大电路I的放大倍数Al，使得模数转换电路I的输出数据OUTl在模数转换电路I满量程的0.6-0.9倍之间，第二步，根据模数转换电路2的数据，通过驱动放大控制线设置驱动放大电路2的放大倍数A2，使得模数转换电路2的输出数据0UT2在模数转换电路2满量程的0.6-0.9倍之间，第三步，被测对象复阻抗的模ZM等于模数转换电路I的输出数据OUTl的峰峰值乘以阻抗选择电路复阻抗值Z，乘以驱动放大电路2的放大倍数A2，除以模数转换电路2的输出数据0UT2的峰峰值，除以驱动放大电路I的放大倍数Al，即Z M = 0UT1*Z*A2/0UT2/A1，第四步，根据模数转换电路I的输出数据OUTl的过零点tl，和模数转换电路2的输出数据0UT2的过零点t2，计算被测对象与阻抗选择电路复阻抗值Z的阻抗角差值A，阻抗角差值A等于输出数据OUTl的过零点tl和模数转换电路2的输出数据0UT2的过零点t2之差乘以360度，除以正弦信号发生器的周期TS，即A = (tl-t2)X360/TS，第五步，被测对象的阻抗角9等于阻抗选择电路复阻抗值Z的阻抗角$与阻抗角差值A之和，S卩0 =Cj5 +A，第六步，得到被测对象的复阻抗 的结果，即得到被测对象的复阻抗的模ZM，阻抗角为0，结束。
全文摘要
本发明公开了一种阻抗谱测试仪及测试方法。测试仪由两个测量端口、正弦信号发生器、阻抗选择电路、两组驱动放大电路、锁相环、两个模数转换电路、微处理器组成。测量端口连接被测对象。阻抗选择电路、正弦信号发生器、被测对象构成串联电路。微处理器分别对阻抗选择电路、驱动放大电路、正弦信号发生器、锁相环进行控制。微处理器接收模数转换电路的数字输出信号，通过收到的数字输出信号计算阻抗谱。处理器的程序控制流程包括运行定频模式子程序、运行扫频模式和阻抗分析子程序，在定频和扫频模式下运行阻抗测量子程序，最后，在阻抗分析子程序中得出被测量材料的阻抗谱结果。本发明阻抗谱测量范围宽，测量值精度高。
文档编号G01R27/14GK103116079SQ20131003006
公开日2013年5月22日 申请日期2013年1月25日 优先权日2013年1月25日
发明者李碧雄, 陈剑, 吴瑾炎, 莫思特 申请人:四川大学