寬帶阻抗測量儀的設計——阻抗測量理論及其方法
諧振法測量阻抗的相關公式見式(2-15),(2-16),(2-17)。可以看出測量電路也是由模擬電路構成。
2.2.3矢量伏安法伏安法可用圖2-6的原理電路來說明。
圖中I O是恒流源,為已知量;Z S是標準電阻,也是已知量(為計算方便一般選為實電阻);被測阻抗Z X與Z S相串聯。則分別測出Z S和Z X兩端的矢量電壓U S和U X,便可通過計算得到待測阻抗,見式(2-18)。
其中U X的大小代表被測阻抗Z X上矢量電流I O的大小。
上述測量實際上是先分別測出各個矢量電壓的兩個分量,然后再通過一系列運算得到被測值Z X的數值。顯然,上述測量單純用電子線路來完成是很不方便的。計算機技術進入測量儀器以后,可以充分利用計算機存儲記憶、計算以及靈活的控制功能,方便地獲取U S和U X的各標量并存入內存,迅速計算其結果,實現快速的自動測量,從而使伏安法這一古典方法獲得了新的生命力。
伏安法有固定軸法和自由軸法兩種實現方法,其區(qū)別在于相敏檢波器相位參考基準選取的不同。固定軸法要求相敏檢波器的相位參考基準嚴格與式(2-18)
分母位置上的矢量一致,這樣分母只有實部分量,使矢量除法簡化為兩個標量除法運算。這種方法的弱點在于:為了固定坐標軸,確保參考信號與信號之間的精確相位關系,硬件電路要付出相當大的代價。自由軸法采用微處理器直接進行矢量運算。與傳統的固定軸法相比,它不要求把坐標軸固定在某已知方向上,不用確保參考信號與信號間的精確相位關系,因而可省去有關硬件電路,不存在不同相產生的誤差,有利于精度的提高。此法不要求復數阻抗的坐標軸固定,故稱為“自由軸”法。如圖2-7所示為“自由軸”法的矢量圖。
在本方法中,坐標軸方向可任意選擇,因此Ф角的值是任意的。自由軸法中被測阻抗Z X兩端電壓U X與標準阻抗Z S兩端的電壓U S的關系可以用圖2- 7表示。一般在自由軸法測量過程中,對每一個U X和U S都要分別進行兩次測量,這兩次測量的相位參考基準信號要求保持精確的正交,以得到預期的投影分量值。所謂投影分量,就是測量矢量與相位參考基準信號在相敏檢波器上相乘的結果。然后分別由雙斜A/D轉換器將投影分量變成數字量經接口電路送到微機系統中儲存,最后由微處理器經數學計算得到待測參數。U X和U S在任意方向上的各分量值表示見式(2-19)、式(2-20)和式(2-21)。
N 1、N 2分別為U X在0 o方向與90 o方向上電壓U 1與U 2所對應的數字量;N 3、N 4分別為U S在0 o方向與90 o方向上電壓U 3與U 4所對應的數字量;A為刻度系數。然后,由式(2-20)、(2-21)可得式(2-22)若Z S采用標準電阻R S,由式(2-18)及式(2-22),可得式(2-23)。
若Z S采用標準電阻R S,由式(2-18)及式(2-22),可得式(2-23)。
則其實部、虛部值分別見式(2-24)和式(2-25)。
因此,直接通過對N 1、N 2、N 3、N 4數字量的運算,即完成了矢量除法運算,就可求得阻抗Z X。依次類推,可以求出其它被測參數的數學模型。
1.3多種阻抗測量方法的比較
電橋法具有較高的測量精確度,因而被廣泛采用,目前電橋已派生出很多類型。但電橋法需要反復進行調節(jié),測量時間長,因而很難實現快速的自動測量。
諧振法要求有較高頻率的激勵信號,一般不容易滿足高精度測量的要求,且由于測試頻率不固定,測試速度也很難提高。
矢量伏安法是是采用數字測量技術,充分利用計算機的處理能力,進行虛實部的分離的測量,矢量伏安法測量阻抗能夠充分利用數字信號處理的方法,通過對數字芯片進行簡單的硬件連接,用軟件編程的方法進行數字濾波和阻抗值的計算,避免了用模擬電路測量阻抗連接電路繁瑣,抗干擾性差的缺點[19,20]。因此設計上采用矢量伏安法進行阻抗的測量。
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