一种采用交流激励测量微弱非线性电流‑电压特性的方法与流程

本发明涉及一种采用交流激励测量微弱非线性电流-电压特性的方法，尤其适用于在强背景中，对微弱非线性电流-电压进行测试，属于微弱电信号测试技术领域。

背景技术：

器件的电流-电压关系是一项关键的电学性能和指标。器件的导电类型和机理通常都是通过电流-电压关系来判断的，而电流-电压关系主要是用直流设备测量获得的。对于微波领域中常用的连接器这类器件，当用直流方式和设备测试其电流-电压关系时，结果表明是线性的，即欧姆型的。而当有两路或两路以上的大功率微波信号通过此类器件时，会有微弱的互调信号产生，这表明这类器件具有微弱的非线性导电行为。为了研究与微弱非线性导电行为相联系的物理机理，需要对强线性背景中微弱的非线性电流-电压关系进行测量。

受限于直流方式和测试设备自身的局限性，目前的直流设备无法测量到强线性背景中的微弱非线性电流-电压特性。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，本发明提供了一种采用交流激励测量微弱非线性电流-电压特性的方法，通过采用交流电压信号激励待测件，实现了强的线性项和微弱非线性在频率空间的分离，从而获得比线性背景低1～3个数量级的非线性电流-电压特性；解决了传统的直流方式和测试设备通用性较差的问题。

本发明的技术解决方案是：

一种采用交流激励测量微弱非线性电流-电压特性的方法，包括如下步骤：

步骤一：串联连接信号源、待测件和采样电阻构成激励回路，并联连接谐波测试仪和待测件构成谐波测量回路；

步骤二：设定信号源输出信号为正弦信号，并设定正弦信号频率；

步骤三：改变信号源输出信号的振幅U₀，通过谐波测试仪测量每个振幅U₀对应的第n次谐波信号的振幅U_n，n为正整数；

步骤四：根据谐波测试仪的测试数据计算待测件电流-电压关系中的各项系数G_n，其中，R为采样电阻的阻值，U为待测件两端的有效电压，U＝U₀-(R+R_s)U₁/R，R_s为信号源内阻；

步骤五：根据所述各项系数G_n计算待测件电流-电压关系，线性的电流-电压关系为I＝G₁V；非线性的电流-电压关系为I＝G₂V²+G₃V³+…+G_nVⁿ，其中，I为电流，V为电压。

在上述的一种采用交流激励测量微弱非线性电流-电压特性的方法中，所述信号源和谐波测试仪对外BNC接口的内芯与外导体作为正负极，按照直流电路的方式连接。

所述信号源输出的正弦信号的频率小于50KHz，且不取25Hz和50Hz的整数倍。

所述步骤三中，待测件的谐波最高阶次n由谐波测试仪的测试极限和噪声水平决定，即当n阶次谐波信号与谐波测试仪的测试极限或噪声水平相同时，所述n阶次谐波信号为最高次谐波信号。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明通过采用交流电压信号激励待测件，实现了强的线性项和微弱非线性在频率空间的分离，从而获得比线性背景低1～3个数量级的非线性电流-电压特性；解决了传统的直流方式和测试设备通用性较差的问题。

2、本发明采用低频激励信号，可以沿用直流测试方式中的分压原理，简单实用，便于本领域技术人员的实施。

3、本发明逻辑通顺、思路清晰、设计合理，本领域技术人员按照本发明的步骤进行实验，能够快速准确的测量出强线性背景中微弱的非线性电流-电压关系。

4、本发明可根据实际情况灵活调整，测试过程安全可靠，而且优化了操作空间，减轻了工作人员的操作负担。

5、本发明的信号源、谐波测试仪和采样电阻均为常规零件，拆装方便、无需特制，而且便于维修和更换，大幅降低了生产成本。

6、本发明适用于多种工作环境，在复杂工况下依然能够对各个器件的非线性导电行为进行测量，可操作性强。

附图说明

图1为本发明的流程图

图2为本发明的电路图

图3为本发明实施例的谐波测试结果图

图4为本发明实施例的线性和非线性部分的电流-电压关系对比图

其中：1信号源；2待测件；3谐波测试仪；4采样电阻；

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施例对本发明作进一步描述：

如图1～2所示，一种采用交流激励测量微弱非线性电流-电压特性的方法，包括如下步骤：

步骤一：串联连接信号源1、待测件2和采样电阻4构成激励回路，并联连接谐波测试仪3和待测件2构成谐波测量回路；

步骤二：设定信号源1输出信号为正弦信号，并设定正弦信号频率；

步骤三：改变信号源1输出信号的振幅U₀，通过谐波测试仪3测量每个振幅U₀对应的第n次谐波信号的振幅U_n，n为正整数；

步骤四：根据谐波测试仪3的测试数据计算待测件2电流-电压关系中的各项系数G_n，其中，R为采样电阻4的阻值，U为待测件2两端的有效电压，U＝U₀-(R+R_s)U₁/R，R_s为信号源内阻；

步骤五：根据所述各项系数G_n计算待测件2电流-电压关系，线性的电流-电压关系为I＝G₁V；非线性的电流-电压关系为I＝G₂V²+G₃V³+…+G_nVⁿ，其中，I为电流，V为电压。

所述信号源1和谐波测试仪3对外BNC接口的内芯与外导体作为正负极，按照直流电路的方式连接。

所述信号源1输出的正弦信号的频率小于50KHz，且不取25Hz和50Hz的整数倍。

所述步骤三中，待测件2的谐波最高阶次n由谐波测试仪3的测试极限和噪声水平决定，即当n阶次谐波信号与谐波测试仪3的测试极限或噪声水平相同时，所述n阶次谐波信号为最高次谐波信号。

如图3所示，本实施例由一个1kΩ电阻并联一个二极管而成；测试时选用Stanford公司的SR830型锁相放大器，该仪器能提供正弦信号输出，输出阻抗为50Ω，并能测试谐波，采样电阻4的阻值为50Ω；正弦激励信号的频率设定为878Hz，振幅的变化范围为0.01-0.16V；谐波按照阶次从低到高的顺序依次测量。

当测试到第9次谐波时，谐波信号在整个区间都是震荡的，与噪声水平相当，因此最高只测量到第9次谐波，且第9次谐波的测量结果计算时不予采纳。

根据谐波测试结果计算电流-电压关系式中的各项系数G_n，U_n为测量到的第n次谐波信号振幅，U为待测件2两端的有效电压，根据分压原理，U＝U₀-(50+R_s)U₁/R，U₀为激励信号的振幅，U₁为一次谐波即基波的振幅，R_s＝50Ω；根据测试结果计算电流-电压关系式中的各项系数的平均值见表1：

表1

如图4所示，根据获得的系数G_n计算得到的待测件2的电流-电压关系，其中线性的电流-电压关系由I＝G₁V计算获得；非线性的电流-电压关系由I＝G₂V²+G₃V³+G₄V⁴+G₅V⁵+G₆V⁶+G₇V⁷+G₈V⁸计算获得，本发明能够获得比线性部分低3个数量级的非线性电流-电压特性。

本发明的工作原理是：

待测件2对信号源1发出的交流电压信号产生响应，这种响应既有线性的，又有非线性的；非线性响应通过谐波形式表现出来，谐波电流在采样电阻4上产生电压信号，该电压信号的幅度可通过谐波测试仪3进行测量，本发明选用的信号源1为低频信号源(＜100KHz)，这类信号源的输出端口是BNC接口，谐波测试仪3的连接端口也是BNC接口，由于信号的频率很低，电压信号的波长远远大于电路回路的长度，将BNC接口的内芯导体和外芯导体作为直流电源的正负极，即可按照直流电路的方式进行连接，利于测量。

本发明说明书中未详细描述的内容为本领域技术人员公知技术。