一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量系统、方法与流程

1.本发明公开一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量系统、方法，属于测量电变量技术领域。


背景技术：

2.阻抗作为元器件的固有属性，与其性能有着密切的联系，通过测量阻抗可以间接实现对其他很多物理量的快速测量，如压力、温度、振动等，因此阻抗测量在工程中应用广泛，目前市面上常见的轻型设备多为单频或低频的交流阻抗测量，可以连续测量宽频范围阻抗谱的仪器往往体积庞大、造价昂贵，多为数十万不等。针对室外测量和小型的实验室等应用场景，有必要制作一款简易、高精度且宽频范围的阻抗谱测量仪器。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量系统、方法，以解决现有技术中，连续测量宽频范围阻抗谱的阻抗测量设备体积庞大造价昂贵的问题。
4.一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量系统，系统硬件包括扫频信号发生器、采集卡、电源、上位机和测量系统电路，系统软件包括数据采集模块、数据分析计算模块；扫频信号发生器提供交流扫频信号或单一频率信号，扫频信号发生器的signal端连接测量系统电路，测量系统电路还连接采集卡的ch0端和ch1端，采集卡的usb端通过上位机连接扫频信号发生器的usb端，电源分别连接扫频信号发生器、测量系统电路和采集卡，采集卡实时获取所需输出信号并计算后得到交流阻抗；测量系统电路包括双路测量通道，第一路接收激励信号送至待测器件，第一路的反向运算放大器作为阻抗测量的半桥桥臂，第二路接收激励信号送至r
ref
，第二路的反向运算放大器作为参照电路，用于消除测量桥路的系统非线性误差，双路运放的两条输出都送至采集卡；数据采集模块提取采集卡采集的信号幅值、相位、频率信息，数据分析计算模块自动计算某一频率下的阻抗值或者宽频范围内的交流阻抗谱。
5.一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量方法，使用一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量系统，包括：s1：将待测阻抗接入第一路的反向运算放大器的反向端；s2：上位机控制扫频信号发生器提供激励信号施加于测量系统电路的输入端；s3：上位机控制采集卡实时获取第一路的反相放大器输出u1和第二路的反相放大器输出u2；s4：计算扫频范围内待测阻抗幅值和相位。
6.s3包括：；
；为信号幅值变化，为双路测量通道的i/v完全一致时运放本身产生的相移，为输入信号幅值，为反相放大器反馈电阻，为第二路反相放大器输入端的参考电阻，为输入信号角频率，为时间，和分别为经过两路测量系统的相移。
7.s4包括：；；；其中，为待测阻抗，为dut的幅值，为dut的相位。
8.相对比现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明由精度扫频信号发生器、应用双路“半桥”的核心测量系统等组成，不仅能满足实验室精度要求，而且操作简单；交流阻抗测量装置测量精准，具有鲁棒性，双通道“半桥法”的测量结构设计创新对待测信号幅度、相位进行了补偿，实现待测信号比值的稳定输出，比值误差不超过0.2%，电阻的测量误差控制在0.7%以内，此装置测量的电缆阻抗谱谐振周期、阻抗幅值也符合理论与仿真推导。
附图说明
9.图1是测量系统电路结构框图；图2是系统测量所的阻抗幅值谱；图3是系统测量所的阻抗相位谱；图4是双路测量通道电路结构；图5是本发明的总体方案图；
10.图6是dut与相同条件下的两路输出比值；图7是dut与相同条件下的两路输出相位差；图8是条件下的两路输出比值；图9是条件下的两路输出相位差；图10是在本发明的系统下进行430ω电阻测量结果；图11是在本发明的系统下进行560ω电阻测量结果；图12是在本发明的系统下进行1100ω电阻测量结果；图13是在本发明的系统下进行1300ω电阻测量结果。
具体实施方式
11.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
12.一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量系统，系统硬件包括扫频信号发生器、
采集卡、电源、上位机和测量系统电路，系统软件包括数据采集模块、数据分析计算模块；如图1，扫频信号发生器提供交流扫频信号或单一频率信号，扫频信号发生器的signal端连接测量系统电路，测量系统电路还连接采集卡的ch0端和ch1端，采集卡的usb端通过上位机连接扫频信号发生器的usb端，电源分别连接扫频信号发生器、测量系统电路和采集卡，采集卡实时获取所需输出信号并计算后得到交流阻抗；如图4，测量系统电路包括双路测量通道，第一路接收激励信号送至待测器件，第一路的反向运算放大器作为阻抗测量的半桥桥臂，第二路接收激励信号送至r
ref
，第二路的反向运算放大器作为参照电路，用于消除测量桥路的系统非线性误差，双路运放的两条输出都送至采集卡；数据采集模块提取采集卡采集的信号幅值、相位、频率信息，数据分析计算模块自动计算某一频率下的阻抗值或者宽频范围内的交流阻抗谱。
13.一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量方法，使用一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量系统，包括：s1：将待测阻抗接入第一路的反向运算放大器的反向端；s2：上位机控制扫频信号发生器提供激励信号施加于测量系统电路的输入端；s3：上位机控制采集卡实时获取第一路的反相放大器输出u1和第二路的反相放大器输出u2；s4：计算扫频范围内待测阻抗幅值和相位。
14.s3包括：；；为信号幅值变化，为双路测量通道的i/v完全一致时运放本身产生的相移，为输入信号幅值，为反相放大器反馈电阻，为第二路反相放大器输入端的参考电阻，为输入信号角频率，为时间，和分别为经过两路测量系统的相移。
15.s4包括：；；；其中，为待测阻抗，为dut的幅值，为dut的相位。
16.本发明主控系统采用st公司设计的stm32f103rct6单片机作为整个系统的控制核心，有丰富的i/o接口满足本系统的设计需求。其主要包含三个方面：控制数字频率合成器产生扫频信号；与上位机通信，执行上位机发送的命令并且返回单片机工作状态；控制采集卡，并通过上位机设置采集卡相关参数。
17.如图5，人机交互界面包括信号采集、信号处理和数据收发，激励系统包含控制部分、以ad9959为核心的信号产生、以ad8099为核心的电压放大和以ths3091为核心的功率放大部分，其中电压放大和功率方法部分统称为信号调理。ad9959产生扫频信号，幅度、相位以及频率间隔由stm32控制；为了使该模块信号输出更稳定，在信号输出端设计两个9阶巴
特沃斯低通滤波器以去除高频噪声。ad8099芯片噪声超低、失真超低、有高压摆率和高增益带宽积，且偏移电压小于0.5mv。考虑到芯片的增益带宽积，信号幅度放大部分由两个ad8099芯片级联及一些外围电路元器件构成，使得高频信号具有足够的幅值。ths3091芯片是电流反馈运算放大器，低失真和高压摆率，为了根据需求灵活改变输入阻抗，在运放输入管脚之前，设计π型阻抗网络。功率放大模块共采用了四个ths3091芯片，其中，以两个芯片为一组构成一个通道，共两个通道，每个通道最大可以提供500ma的驱动电流，通过0ω电阻焊接与否，控制芯片的并联与否，若焊接该电阻，可以提供1a的驱动电流。
18.测量系统选用opa818作为“半桥法”的测量桥路，opa818是一款低噪声、低失真、超高压摆率和高增益带宽积的电压反馈运算放大器。测量结构应用双路运放，其中第一路运放作为阻抗测量的“半桥”桥臂，第二轮运放作为参比电路，消除测量桥路的系统非线性误差。
19.双路的i/v作为测量电路时，电路结构具有一致性，测量系统芯片也具有一致的特性，根据计算公式可以看出双路i/v完全一致时可以消除放大器增益误差和相移，在计算时，会补偿幅度衰减和相位差，提高了阻抗测量的精度，虽然在电路不完全一致时，相位仍存在误差，但比传统“半桥法”的测量误差减小了很多。
20.系统测量所的阻抗幅值谱和阻抗相位谱分别如图2和图3所示，图2为100m长度的终端短路电缆输入阻抗相位谱实测和仿真的对比图，相位误差在测量裕度以内，满足测量要求；图3为100m长度的终端短路电缆输入阻抗幅度谱实测和仿真的对比图，幅度谱的谐振周期、幅值与仿真值相符合，满足测量要求；本发明利用两路对称的i/v转换电路对传统的“半桥法”进行了改进，在计算阻抗时，两路输出比值的准确性以及稳定性对阻抗测量影响很大，dut与相同条件下的两路输出比值如图6所示，可知测量值符合理论公式推导；dut与相同条件下的两路输出相位差如图7所示，由于两路反相放大器电路一致，其相位差应为接近0，可知测量值符合理论公式推导；条件下的两路输出比值如图8所示，条件下的两路输出相位差如图9所示，对系统输出进行测量，得出的第一路与第二路相位差，由于两路反相放大器电路特性一致，无额外电容电感特性元件引入，其相位差应为接近0，可知测量值符合理论公式推导。
21.按本发明方法，在扫频情况下对不同阻值的电阻进行测量，并绘制宽频范围内电阻的测量曲线。430ω、560ω、1100ω、1300ω电阻测量结果分别如图10、图11、图12、图13所示，对应误差不超过0.2%、0.7%、0.6%、0.6%。
22.以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

技术特征：
1.一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量系统，其特征在于，系统硬件包括扫频信号发生器、采集卡、电源、上位机和测量系统电路，系统软件包括数据采集模块、数据分析计算模块；扫频信号发生器提供交流扫频信号或单一频率信号，扫频信号发生器的signal端连接测量系统电路，测量系统电路还连接采集卡的ch0端和ch1端，采集卡的usb端通过上位机连接扫频信号发生器的usb端，电源分别连接扫频信号发生器、测量系统电路和采集卡，采集卡实时获取所需输出信号并计算后得到交流阻抗；测量系统电路包括双路测量通道，第一路接收激励信号送至待测器件，第一路的反向运算放大器作为阻抗测量的半桥桥臂，第二路接收激励信号送至r
ref
，第二路的反向运算放大器作为参照电路，用于消除测量桥路的系统非线性误差，双路运放的两条输出都送至采集卡；数据采集模块提取采集卡采集的信号幅值、相位、频率信息，数据分析计算模块自动计算某一频率下的阻抗值或者宽频范围内的交流阻抗谱。2.一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量方法，使用权利要求1所述的一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量系统，其特征在于，包括：s1：将待测阻抗接入第一路的反向运算放大器的反向端；s2：上位机控制扫频信号发生器提供激励信号施加于测量系统电路的输入端；s3：上位机控制采集卡实时获取第一路的反相放大器输出u1和第二路的反相放大器输出u2；s4：计算扫频范围内待测阻抗幅值和相位。3.根据权利要求2所述的一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量方法，其特征在于，s3包括：；；为信号幅值变化，为双路测量通道的i/v完全一致时运放本身产生的相移，为输入信号幅值，为反相放大器反馈电阻，为第二路反相放大器输入端的参考电阻，为输入信号角频率，为时间，和分别为经过两路测量系统的相移。4.根据权利要求2所述的一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量方法，其特征在于，s4包括：；；；其中，为待测阻抗，为dut的幅值，为dut的相位。

技术总结
本发明公开一种基于双通道半桥法的交流阻抗谱测量系统、方法，属于测量电变量技术领域，用于进行阻抗谱测量，系统包括扫频信号发生器、采集卡、电源、上位机、测量系统电路、数据采集模块和数据分析计算模块；方法包括：将待测阻抗接入第一路的反向运算放大器的反向端，上位机控制扫频信号发生器提供激励信号施加于测量系统电路的输入端，控制采集卡实时获取第一路的反相放大器输出和第二路的反相放大器输出，计算扫频范围内待测阻抗幅值和相位。本发明交流阻抗测量装置测量精准，实现待测信号比值的稳定输出，比值误差不超过0.2%，电阻的测量误差控制在0.7%以内，此装置测量的电缆阻抗谱谐振周期、阻抗幅值也符合理论与仿真推导。导。导。


技术研发人员：武同宝 宫德锋 杨雷 杨坤 张立柱 刘旭 冯兰新 田静 田恩国 王俊逸
受保护的技术使用者：国网山东省电力公司泰安供电公司
技术研发日：2023.08.31
技术公布日：2023/10/11