一种施加直流偏置电压于交流正弦波信号源的装置的制作方法

本实用新型涉及电子测量和仪器仪表领域，尤其是交直流信号源技术领域，特别是一种施加直流偏置电压于交流正弦波信号源的装置。

背景技术：

阻抗是电学中重要的物理参数之一，随着现代模拟和数字技术的发展，LCR数字电桥成为阻抗测量的主流，它通过施加一定频率的交流正弦波信号来测试被测件的阻抗值。在某些特定场合需要给被测件施加直流偏置电压，然后施加交流正弦波信号测量出的阻抗值，才能更加准确的反应被测件在真实应用中的特征。

现阶段正弦波信号叠加直流偏置电压的方法分为两种，一种是直接法，如图1所示；另一种是间接法，如图2所示。直接法主要用于测试电容器或对测试精度要求不高的场合，它主要优点是电路结构简单，电子元器件少，成本较低，而缺点在于直流偏置电压易容被测件直流电阻的影响，尤其是在测量电阻和电感的情况下。间接法是基于集成运算放大器进行反相求和运算，将直流偏置电压较准确地加载到被测件上，因此这种方式广泛应用于测试精度要求较高的场合。间接法在理想情况下，运算放大器U1、反馈电阻Rf1、输入电阻R1、平衡电阻Rp以运算放大器U1为核心构成深度负反馈，虚短成立，所以施加到被测件上的电压为

现实中集成运算放大器存在温漂、失调电压和失调电流等非理想指标参数，这些都会导致零漂从而影响了直流偏置电压的精度。虽然通过采用低失调、低温漂、高精度的集成运算放大器合理选择其他元器件，提高电源电压稳定性，减少环境温度变化，抑制干扰和噪声，精心设计电路板等措施，可以进一步提高直流偏置电压的精度。但是，这就会导致电路设计的复杂程度大大增加，产品设计时间增加，电路的成本增加，非常的不经济；而因为特殊集成运放的使用条件有所限制，则也会导致电路的适应性较差。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是：为了克服现有正弦波信号叠加直流偏置电压方法的不足，本实用新型提出一种施加直流偏置电压于交流正弦波信号源的装置。

本实用新型所采用的技术方案为：一种施加直流偏置电压于交流正弦波信号源的装置，包括第一信号源、第二信号源、第一电容、第二电容、第一源电阻、第二源电阻、第一电阻、第二电阻、第三电阻、反馈电阻、平衡电阻、被测件、第一集成运算放大器、第二集成运算放大器和反相器；第一集成运算放大器、第一电阻、第三电阻、反馈电阻、平衡电阻以第一集成运算放大器为核心组成了一个深度负反馈，构成比例放大器；第二集成运算放大器、第二源电阻、第二电阻、第二电容以第二集成运算放大器为核心组成了一个深度负反馈，构成积分器。

进一步的说，本实用新型在交流等效电路中，比例放大器、积分器和反相器以比例放大器为核心组成了深度负反馈，第一信号源经过比例放大器放大幅度后的输出作为交直流信号源的输出交流正弦波信号。

进一步的说，本实用新型在直流等效电路中，积分器、反相器和比例放大器以积分器为核心组成了深度负反馈，虚短成立，第二集成运算放大器的同相输入端电势与反相输入端电势相等，信号源输出端的直流电压与第二信号源的输出直流电压相等，于是直流偏置电压信号叠加到交流正弦波信号源的输出端，作为交直流信号源的输出的直流偏置电压信号。

进一步的说，本实用新型积分器对交流正弦波信号的无限积分结果为零，以消除交流正弦波信号对直流偏置电压的影响。

进一步的说，本实用新型在第一集成运算放大器的输出端设置有扩流电路，可以提高直流偏置电压的输出电流强度，增强直流偏置电压的带载能力。

再进一步的说，本实用新型：第一信号源为交流正弦波信号源，第二信号源为直流偏置电压信号源，第一电容为耦合电容，第一源电阻为交流正弦波信号源输出电阻，第二源电阻为直流偏置信号源输出电阻，第二电容为积分电容，第一电阻为集成运算放大器的输入电阻，第二电阻为第二集成运算放大器的输入电阻，第三电阻为反相器的输出电阻，反馈电阻为第一集成运算放大器的负反馈电阻，平衡电阻为第一集成运算放大器的同相输入端输入电阻。

本实用新型的有益效果是：基于集成运算放大器构成深度负反馈电路，利用积分器对交流正弦波信号的无限积分结果为零的原理，采用普通高精度集成运算放大器可将直流偏置电压精确地叠加到正弦波信号源上，于是形成交直流信号源。该电路结构简单可靠，电路整体复杂程度低，易于推广，具有良好的应用前景。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。

图1是直接叠加法示意图；

图2是间接叠加法示意图；

图3是本实用新型装置的电路图；

图4是本实用新型装置的交流等效电路图；

图5是本实用新型装置的直流等效电路图；

图6是正弦波积分示意图；

图7是本实用新型装置的交流等效电路简化图。

具体实施方式

现在结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

如图3所示，一种施加直流偏置电压于交流正弦波信号源的装置，包括交流正弦波信号源Vs1、直流偏置电压信号源Vs2、源电阻Rs1、源电阻Rs2、耦合电容C1、积分电容C2、电阻R1、电阻R2、电阻R3、反馈电阻Rf1、平衡电阻Rp、被测件DUT、集成运算放大器U1、集成运算放大器U2和反相器U3。

交流正弦波信号源Vs1一端连接源电阻Rs1的一端，交流正弦波信号源Vs1的另一端连接参考地，源电阻Rs1的另一端连接耦合电容C1的一端，耦合电容C1的另一端连接电阻R1，电阻R1的另一端连接反馈电阻Rf1的一端和集成运算放大器U1的反相输入端，集成运算放大器U1的同相输入端连接平衡电阻Rp的一端，平衡电阻Rp的另一端连接参考地，集成运算放大器U1的输出端连接反馈电阻Rf1的另一端，电阻R2的一端和被测件DUT的一端，电阻R2的另一端连接集成运算放大器U2的反相输入端和积分电容C2的一端，被测件DUT的另一端连接参考地，集成运算放大器U2的同相输入端连接源电阻Rs2的一端，源电阻Rs2的另一端连接直流偏置电压信号源Vs2的正极性端，直流偏置电压信号源Vs2的负极性端连接到参考地，集成运算放大器U2的输出端连接积分电容C2的另一端和反相器U3的输入端，反相器U3的输出端连接电阻R2的一端，电阻R2的另一端连接集成运算放大器U1的反相输入端。

交流正弦波信号源Vs1产生交流正弦波信号，直流偏置电压信号源Vs2产生直流偏置电压信号；以集成运算放大器U1为核心构成深度负反馈，电阻R1、反馈电阻Rf1、平衡电阻Rp和集成运算放大器U1组成比例放大器；以集成运算放大器U2为核心构成深度负反馈，电阻R2、积分电容C2、源电阻Rs2、直流偏置电压信号源Vs2和集成运算放大器U2组成积分器。

交流等效电路，如图4所示，交流正弦波信号源Vs1的输出信号经过比例放大器放大幅度后的输出作为交直流信号源的输出交流正弦波信号。

直流等效电路，如图5所示，对于集成运算放大器U2虚短成立，集成运算放大器U2的同相输入端电势与反相输入端电势相等，所以信号源输出端的直流电压与第直流偏置电压信号源Vs2的输出直流电压相等，于是直流偏置电压信号叠加到交流正弦波信号源的输出端，作为交直流信号源的输出的直流偏置电压信号。

因为积分器对交流正弦波信号的无限积分结果为零，所以信号源输出端的交流正弦波信号对直流偏置电压没有影响，直流偏置电压信号与第二信号源的输出直流电压相等，于是形成交直流信号源。

工作原理：

设第一信号源Vs1产生的交流正弦波信号的输出Vs1＝Asin(wt)，A为正弦波的幅度，w为正弦波的角频率，第二信号源Vs2产生的直流偏置电压信号为Vs2＝Vdc；Rs1为第一信号源Vs1的内阻，Rs2为第二信号源Vs2的内阻。

本实用新型的交流等效电路，如附图4所示，设在电压采样点A处，交流正弦波信号产生的交流输出为Uac，第二集成运算放大器U2的输出端电压为U2o，

因为电阻R2、电容C2、集成运算放大器组成积分器，集成运算放大器U2同相输入端通过电阻接地，U2_P＝U2_N＝0为“虚地”。

电路中，电容C2中电流i_c2等于流过电阻R2的电流i_R2即i_c2＝i_R2，

U2的输出电压U2o与电容C2上电压U_C2的关系为U2o＝U_C2，故

在t₁到t₂时间段的积分值为

式中U2o(t₁)为积分起始时刻的输出电压，此处为零，积分的终值电压是t₂时刻的输出电压。

当从t₁到t₂时间为无限长时，

如图6所示，积分的意义等效为幅度与时间乘积的面积和，因为正弦波在时间轴上下对称，所以无限长时间积分等效面积为零。

于是，本实用新型实际应用中对正弦波信号积分等效于无限长时间∞积分，

进一步可得，反相器输出等效电压为零，

所以本实用新型交流等效电路可进一步简化，如图7所示，

于是，交流正弦波信号产生的交流输出为

因为积分器对交流正弦波信号的无限积分结果为零，所以本实用新型的直流等效电路，如图5所示，设电压采样点A输出的直流电压为Udc。

因为集成运算放大器U1、集成运算放大器U2、反相器U3、电阻R1、电阻R2、反馈电阻Rf1、电容C2以集成运算放大器U2组成了一个深度负反馈，

所以对于集成运算放大器U2，虚短成立，集成运算放大器U2的反相输入端电压U2_N与同相输入端电压U2_P相等，

那么U2_N＝U2_P＝Vs2＝Vdc......(6)

根据深度反馈，电路平衡时，流过电阻R2上的直流电流为零，于是可得，

交直流信号源的直流偏置电压为Udc＝U2_N＝Vs2＝Vdc...(7)

进一步，交直流信号源的输出U为

综上所述，本实用新型一种施加直流偏置电压于交流正弦波信号源的方法和装置，基于集成运算放大器构成深度负反馈电路，利用积分器对交流正弦波信号的无限积分结果为零的原理，将直流偏置电压精确地叠加到正弦波信号源上形成了交直流信号源。

以上说明书中描述的只是本实用新型的具体实施方式，各种举例说明不对本实用新型的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离实用新型的实质和范围。