一种具有直流偏置施加与校准功能的电阻抗测量系统

1.本发明涉及电子测量技术领域，特别涉及到一种具有直流偏置施加与校准功能的电阻抗测量系统。


背景技术：

2.阻抗，是用于描述电路中电信号受到电子器件阻碍作用的物理量。而作为电子测量领域中重要的技术之一，阻抗测量技术不仅能分析电子电路、器件和原材料的电学属性，还能通过电转换传感器来进行其他非电学物理量的测量。因此，在与电子学关系密切的众多学科领域中都使用阻抗分析仪来进行阻抗的精密测量分析。
3.部分电子元件由于原材料的特性，其阻抗值会受到测量激励信号的幅度影响，比如陶瓷电容的电容值会因为材料介电常数k的大小而对激励信号幅度有不同的响应，而铁芯电感的电感值则是因为电磁场的磁滞效应而对激励信号幅度有关联性。不仅受影响于交流测试信号的幅度，直流偏置信号也会对部分无源器件的阻抗值造成影响，常见的为高介电常数的陶瓷电容的电容值会随着施加在电容两侧直流偏置信号幅度大小而发生改变。因此，在阻抗测量分析实验中需要通过扫描直流偏置电压幅度的方法测量获取待测阻抗的直流偏置响应特性。
4.在电阻抗测量分析系统中加入直流偏置功能有以下难点：
5.(1)在传统使用dac或者dds以及pwm滤波等方式作为待测元件激励信号源的情况下，受限于电路中电源、寄生等参数的影响，要做到大的激励幅值与在高频下保持与低频相当的激励幅值都是非常困难的，而对于高k型陶瓷电容器等在直流偏置下表现出不同阻抗值的器件而言，在一定的测量频率范围往往需要能够施加几伏到几十伏，甚至到数百伏的电压偏置等，对于这样的直流偏置要求单纯采用上述传统激励信号发生方案显然难以满足要求。
6.(2)由于较大的直流偏置幅值需要施加在电路测量系统中，如何在施加了如此大的直流偏置之后使得电阻抗测量系统依据实现原理能在不对原有电路做牺牲精度、稳定性的情况下保证功能完好，以自平衡电桥法为例，对于电桥平衡方式实现的系统而言如何在交流信号与大幅度直流激励信号同时存在的情况下达到电桥平衡条件以完成测量是一项重要的问题。
7.(3)在大幅值的直流激励信号作用下，电路结构设计、电路元器件选型等因素可能导致漏电流、直流分压损失等情况，导致实际施加在待测元件上的直流偏置无法达到目标值。
8.(4)对于交流信号与直流信号叠加混合的信号链路而言，从信号输出可靠性与电路设计安全性方面来看对于两个不同的信号源如何保证其信号激励能顺利输出并叠加，同时防止其中一个信号源激励输出施加影响到另一个信号源也是一个需要注意的问题。
9.(5)在通用阻抗测量情景下，直流偏置应当包含直流电流偏置和直流电压偏置，而电流和电压的产生和施加方法一般有所不同，需要增加系统的复杂性。


技术实现要素：

10.为了解决上述在电阻抗测量分析系统中难以加入直流偏置功能以获得待测元件的直流偏置相应特性的问题，本发明提供了一种具有直流偏置施加与校准功能的电阻抗测量系统，能够在完成交流阻抗测量的同时对待测元件施加所需的直流偏置，通过校准减少电路寄生参数等对直流偏置施加与阻抗测量的干扰，同时避免对原有的电阻抗测量系统电路做大量修改。
11.本发明的技术方案如下：
12.一种具有直流偏置施加与校准功能的电阻抗测量系统，包括：交流信号发生器、直流信号发生器、交直流耦合电路、输出源电阻、直流偏置综合控制系统、阻抗测量夹具；其中：
13.所述的交流信号发生器与所述的直流信号发生器通过所述的交直流耦合电路电性连接，向待测元件提供交流激励信号和直流偏置信号；
14.所述的交直流耦合电路使所述的直流信号发生器的输出信号与所述的交流信号发生器的输出信号输出叠加，同时向待测元件提供交直流信号激励；
15.所述的输出源电阻和交直流耦合电路的输出端电性连接，且与电阻抗测量系统的待测元件电性连接；所述的输出源电阻将交直流信号激励传递给待测元件；所述的输出源电阻为rs,所述的待测元件为zx；
16.所述直流偏置综合控制系统与所述交流信号发生器、所述直流信号发生器、所述输出源电阻、电阻抗测量系统的待测元件电性连接，形成电阻抗测量系统直流偏置反馈调整链路；
17.所述阻抗测量夹具与待测元件电性连接。
18.本发明的工作原理：
19.本发明相对于现有技术，电阻抗测量系统的直流偏置施加功能能够向电阻抗测量系统的待测元件施加直流偏置，并将该直流偏置系统简洁地集中在阻抗测量系统内部，而无需设计外加的直流偏置系统；电阻抗测量系统的校准方法能够有效地对仪器进行校准，提高直流偏置施加与阻抗测量的准确度。
20.在所述的具有直流偏置施加与校准功能的电阻抗测量系统中，还包括校准模块，在正式测量前作为待测元件固定在所述的阻抗测量夹具上进行校准测量。
21.优选地，所述的校准模块包括：开路校准件，短路校准件和负载校准件；
22.所述的开路校准件、短路校准件和负载校准件在正式测量前分别作为的待测元件固定在所述的阻抗测量夹具上测量。
23.优选地，所述直流信号发生器、所述交流信号发生器在所述直流偏置综合控制系统控制下调整输出的交直流信号幅度与相位，向所述的待测元件提供交直流信号输入。
24.优选地，所述直流偏置综合控制系统包括信号采集模块、信号处理模块。
25.进一步地，所述的信号采集模块包括：运算放大电路、滤波器电路、模数转换电路，用于采集所述输出源电阻与待测元件两端的直流偏置信号；
26.所述的信号处理模块包括一个fpga，用于处理采集到的直流偏置信号，并根据设计要求对直流信号发生器的输出进行调整。
27.所述的运算放大电路的输出端与滤波器电路的输入端电性连接，所述的滤波器电
路的输出端与模数转换电路的输入端电性连接；运算放大电路的输入端作为信号采集模块的输入端，模数转换电路的输出端作为信号采集模块的输出端。
28.进一步地，所述的电阻抗测量系统还包括外部直流偏置连接夹具、外部直流偏置源；所述的外部直流偏置源的输出端与外部直流偏置连接夹具的第一输入端电性连接；所述的外部直流偏置连接夹具的第二输入端与阻抗测量仪器的输出端电性连接；所述的外部直流偏置连接夹具的输出端与阻抗测量夹具的输入端电性连接。
29.更进一步地，所述外部直流偏置连接夹具包括用于隔离与保护的直流偏置信号混合与保护电路，所述的直流偏置信号混合与保护电路包括：交直流信号混合电路、直流偏置隔离电路和直流偏置保护电路；所述的交直流信号混合电路的输出端和直流偏置隔离电路的输入端电性连接；所述的直流偏置隔离电路的输出端与直流偏置保护电路的输入端电性连接；所述的交直流信号混合电路的输入端作为所述的直流偏置信号混合与保护电路的输入端，所述的直流偏置保护电路的输出端作为所述的直流偏置信号混合与保护电路的输出端。
30.更进一步地，所述交直流信号混合电路使得所述外部直流偏置源输入所述外部直流偏置连接夹具中的直流信号与电阻抗测量仪器输入所述外部直流偏置连接夹具中的交流信号混合，一同通过所述阻抗测量夹具端的连接输出给阻抗测量夹具，进而施加到待测元件上；所述的直流偏置隔离电路对交直流信号进行隔离，防止交直流信号干扰到对方信号源的输出；所述的直流偏置保护电路用于避免向外部直流偏置连接夹具施加过大直流偏置电压时对电阻抗测量仪器造成损坏。
31.优选地，所述的交直流耦合电路包括隔直电容和互感器；隔直电容与交流信号发生器串联于交直流信号发生器的信号输出链条上，隔直电容两端与互感器电性连接，所述的互感器的另外两端与所述直流信号发生器两端相连；所述直流信号发生器通过互感器向隔直电容两端施加直流电压，该直流电压与链路上所述交流信号发生器产生的交流电压激励叠加，组成交直流电压激励，施加到待测元件两端。
32.本发明的有益效果：
33.1.电阻抗测量系统的直流偏置施加功能，通过在仪器端口和测量夹具之间使用外部直流偏置连接夹具外部直流偏置连接夹具，能够在不改变原有电阻抗测量系统电路结构的情况下通过外部直流源施加直流偏置，既能够通过外部直流源对直流偏置的施加做更灵活的选择，也避免了对原有电阻抗测量系统的大量改动，降低了电路系统设计的复杂性。
34.2.在这种直流偏置施加功能中向待测元件施加直流偏置电压的同时能够完成直流偏置电流的施加，简化了硬件系统的设计，提高了硬件资源的利用率。
附图说明
35.图1为本发明所述具有直流偏置施加与校准功能的电阻抗测量系统的结构示意图。
36.图2为本发明所述的校准模块通过阻抗测量夹具连接进行校准的工作流程图。
37.图3为本发明所述的外部直流偏置连接夹具与阻抗测量夹具连接并通过校准模块进行校准的工作流程图。
38.图4为本发明所述的外部直流偏置连接夹具和外部直流偏置源的连接方式示意
图。
39.图5为本发明所述的外部直流偏置连接夹具的连接方式示意图。
40.图6为本发明所述直流偏置信号混合与保护电路的内部结构示意图。
41.图7为本发明所述的外部直流偏置连接夹具的电路结构示意图。
42.图8为本发明所述的交直流耦合电路的电路结构示意图。
具体实施方式
43.下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述。
44.实施例1
45.如图1、图2所示，一种具有直流偏置施加与校准功能的电阻抗测量系统，包括：交流信号发生器、直流信号发生器、交直流耦合电路、输出源电阻、直流偏置综合控制系统、阻抗测量夹具；其中：
46.所述的交流信号发生器与所述的直流信号发生器通过所述的交直流耦合电路电性连接，向待测元件提供交流激励信号和直流偏置信号；
47.所述的交直流耦合电路使所述的直流信号发生器的输出信号与所述的交流信号发生器的输出信号输出叠加，同时向待测元件提供交直流信号激励；
48.所述的输出源电阻和交直流耦合电路的输出端电性连接，且与电阻抗测量系统的待测元件电性连接；所述的输出源电阻将交直流信号激励传递给待测元件；所述的输出源电阻为rs,所述的待测元件为zx；
49.所述直流偏置综合控制系统与所述交流信号发生器、所述直流信号发生器、所述输出源电阻、电阻抗测量系统的待测元件电性连接，形成电阻抗测量系统直流偏置反馈调整链路；
50.所述阻抗测量夹具与待测元件电性连接。
51.更具体的，所述的具有直流偏置施加与校准功能的电阻抗测量系统，还包括校准模块，在正式测量前作为待测元件固定在所述的阻抗测量夹具上进行校准测量。
52.更具体的，所述的校准模块包括：开路校准件，短路校准件和负载校准件；
53.所述的开路校准件、短路校准件和负载校准件在正式测量前分别作为的待测元件固定在所述的阻抗测量夹具上测量。
54.在具体的实施例中，所述直流信号发生器、所述交流信号发生器在所述直流偏置综合控制系统控制下调整输出的交直流信号幅度与相位，向所述的待测元件提供交直流信号输入。
55.更具体的，所述直流偏置综合控制系统包括信号采集模块、信号处理模块。
56.所述的信号采集模块包括：运算放大电路、滤波器电路、模数转换电路，用于采集所述输出源电阻与待测元件两端的直流偏置信号；
57.所述的信号处理模块包括一个fpga，用于处理采集到的直流偏置信号，并根据设计要求对直流信号发生器的输出进行调整。
58.所述的运算放大电路的输出端与滤波器电路的输入端电性连接，所述的滤波器电路的输出端与模数转换电路的输入端电性连接；运算放大电路的输入端作为信号采集模块的输入端，模数转换电路的输出端作为信号采集模块的输出端。
59.实施例2
60.在具体的实施方案中，如图3、图4所示，所述的电阻抗测量系统还包括外部直流偏置连接夹具、外部直流偏置源；所述的外部直流偏置源的输出端与外部直流偏置连接夹具的第一输入端电性连接；所述的外部直流偏置连接夹具的第二输入端与阻抗测量仪器的输出端电性连接；所述的外部直流偏置连接夹具的输出端与阻抗测量夹具的输入端电性连接。
61.更具体的，如图5所示，所述外部直流偏置连接夹具包括用于隔离与保护的直流偏置信号混合与保护电路。
62.更具体的，如图6所示，所述的直流偏置信号混合与保护电路包括：交直流信号混合电路、直流偏置隔离电路和直流偏置保护电路；所述的交直流信号混合电路的输出端和直流偏置隔离电路的输入端电性连接；所述的直流偏置隔离电路的输出端与直流偏置保护电路的输入端电性连接；所述的交直流信号混合电路的输入端作为所述的直流偏置信号混合与保护电路的输入端，所述的直流偏置保护电路的输出端作为所述的直流偏置信号混合与保护电路的输出端；所述的直流偏置信号混合与保护电路对于交流信号来说是输入端，对于直流信号来说是输出端。
63.更具体的，所述交直流信号混合电路使得所述外部直流偏置源输入所述外部直流偏置连接夹具中的直流信号与电阻抗测量仪器输入所述外部直流偏置连接夹具中的交流信号混合，一同通过所述阻抗测量夹具端的连接输出给阻抗测量夹具，进而施加到待测元件上；所述的直流偏置隔离电路对交直流信号进行隔离，防止交直流信号干扰到对方信号源的输出；所述的直流偏置保护电路用于避免向外部直流偏置连接夹具施加过大直流偏置电压时对电阻抗测量仪器造成损坏。
64.实施例3
65.在具体的实施方案中，如图7所示，所述的外部直流偏置连接夹具中，阻抗测量仪器端的连接为同轴线四端口连接：hc_i，hp_i，lc_i，lc_i，阻抗测量夹具端的连接为同轴线四端口连接：hc_o，hp_o，lc_o，lc_o，外部直流偏置输入连接为同轴线单端口连接dc signal。其余为直流偏置信号混合与保护电路；如图7所示，外部直流偏置源的输入通过电感、电阻或者某种组合结构，将直流偏置信号耦合到hc_o，hp_o端口，同时隔离了来自电阻抗测量仪器的交流激励信号对外部直流信号源的干扰，同轴线的外层以直接接地、连接四端口的外层或者其它某种接地方式构建所施加直流偏置信号的回流路径。在同轴线四端口hc_i，hp_i，lc_i，lc_i与同轴线四端口连接：hc_o，hp_o，lc_o，lc_o之间，同轴线外层是相连的，以保证良好的接地与外部干扰的屏蔽，同轴线内芯中，展示的串联其中的电容、电阻与二极管结构保证来自电阻抗测量仪器的交流激励信号正常通过，同时隔绝外部输入的直流偏置信号进入电阻抗测量仪器产生干扰，串联在同轴线内芯与同轴线外层之间的二极管结构，能够起到钳位保护的作用，当出现操作不当等原因，过大的直流偏置施加在阻抗测量仪器端的连接处时，二极管结构将直流偏置导通到同轴线外层，防止过大的直流偏置对电阻抗测量仪器的损坏。
66.更具体的，如图8所示，所述的交直流耦合电路包括隔直电容和互感器，隔直电容与交流信号发生器串联于交直流信号发生器的信号输出链条上，隔直电容两端与互感器电性连接，所述的互感器的另外两端与所述直流信号发生器两端相连；所述直流信号发生器
通过互感器向隔直电容两端施加直流电压，该直流电压与链路上所述交流信号发生器产生的交流电压激励叠加，组成交直流电压激励，施加到待测元件两端。
67.在具体的实施方案中，所述的外部直流偏置连接夹具既可独立于阻抗测量的夹具，亦可将阻抗测量夹具的结构制作其中，作为兼具直流偏置施加与待测元件夹取功能的夹具。
68.在具体的实施方案中，所述外部直流偏置源可以包含于电阻抗测量仪器之中，以某种端口输出的形式输出直流偏置信号，连接到所述外部直流偏置连接夹具上，亦可以位处电阻抗测量系统仪器之外，作为独立的直流偏置信号源连接到所述外部直流偏置连接夹具上。
69.在具体的实施方案中，阻抗测量系统可以是以自平衡电桥法，伏安法或者电桥法为原理的电阻抗测量系统，电阻抗测量系统与外部测量夹具的测量端口连接可以是四端口，三端口或者二端口。
70.显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。