原创 阻抗测试仪的设计与实现

何谓阻抗测试仪？

       阻抗测试仪就是用来测试系统阻抗特性的仪器，通过阻抗测试仪可以分析系统的L、C、R分量。例如一个普通电阻不仅具有电阻分量，其还具有电感或者电容分量，通过阻抗测试仪可以对其进行测量。

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阻抗测试原理

阻抗测量方法主要有电桥法、谐振法和伏安法三种。电桥法具有较高的测量精度，是常用的高精度测量方法，其缺点在于需要进行反复电桥平衡调节，测量时间长，很难实现快速自动测量。谐振法要求有较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度测量的要求，由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。伏安法是最经典的阻抗测量方法，测量原理基于欧姆定律，即阻抗Zx可以表述为：

式中Ux为阻抗Zx两端压降的有效值，Ix为流过阻抗Zx电流的有效值，Φ为矢量电压的初始相位角，r为矢量电流的初始相位角，θ为电压与电流的相位差。

根据上式可以得到：

其中，

式中，Ur为伏安法测量系统中的标准阻抗电压。

显然要实现伏安法，仪器必须能进行矢量测量及除法运算，正因为这一点伏安测试法难以实现。传统设计方案有固定轴法和自由轴法之分，固定轴法的缺点在于为了固定坐标轴，确保参考信号与被测信号之间的精确相位关系，硬件电路要付出相当大的代价。自由轴法无需固定坐标轴，相敏检波器的相位参考基准可以任意选择，是近年来智能阻抗测试仪大都选用的设计方案。如下图所示，自由轴法关键在于产生精确90度相位差的相敏检波器基准信号，以得到待测阻抗电压和标准阻抗电压在直角坐标轴上的两个投影分量，其缺点在于硬件相敏检波器直接影响测量精度。

虚拟阻抗测试仪设计

       熟知阻抗测试的基本理论之后，可以通过软硬结合的方法——虚拟仪器技术完成阻抗测试。硬件模块产生可变频率的标准正弦信号，然后通过双通道并行采样技术将标准参考信号与待测阻抗信号量化传输给计算系统，位于计算系统中软件对采集回来的信号进行处理，提取出标准信号与待测信号之间的相位差以及标准信号与参考信号的有效值，然后分析出待测系统的阻抗特性。

       虚拟阻抗测试仪系统原理框图如下所示：

       系统实现的硬件单元分析如下：

1、  标准激励信号产生模块。该模块需要产生频率可变的标准正弦信号，实现通过AD9850实现。AD9850是AD公司提供的DDS芯片，该芯片可以达到0.029Hz的输出频率分辨率。激励信号产生之后输入至前端测量电路，前端测量电路为电桥。

2、  双通道同时采样模块。为了降低测量误差，必须保证信号通道特性的一致性，降低通道不对称导致的相位误差。在实现过程中采用了美国TI公司提供的ADS7861同时采样ADC，该ADC能够达到500ksps转换速率，并且具有12bit的垂直电压分辨率。双通道具有很好的对称性，降低了双通道同时采样的相位差。

3、  USB数据通信模块。该模块实现采样数据至PC的高速传输，该部分的设计与“微型虚拟示波器”部分的设计一致。

软件算法是阻抗测试仪功能的实现的核心，软件算法通过采样数据检测被测信号与标准信号之间的相位差以及标准信号、被测信号的有效值。得到相位差、有效值之后通过伏安公式获取待测阻抗，并且非常容易的转换成虚实部分量，最后通过虚实部分量分析待测阻抗中的L、C、R分量，完成一次完整的阻抗测量。常用的软件检测算法为正交幅度测量算法，该算法的实现思想如下图所示：

该算法的实现精度较高，只要拟合信号的频率与待测信号保持一致，那么测量误差将大大降低，体现了虚拟仪器技术的优势，避免了硬件正交法带来的各种误差因素。

虚拟阻抗测试仪实现

       我设计实现的第一版虚拟阻抗测试仪硬件如下图所示。由于第一版时测试版，所以做的比较丑陋（有对阻抗测试感兴趣的朋友可以参考作者参与编写的《虚拟仪器原理及应用》，科学出版社）~~

    该阻抗测试仪的设计实现思想完全采用了虚拟仪器技术。从虚拟仪器技术的核心理念出发，完全可以采用标准的同时采样硬件模块、信号发生模块来搭建一个阻抗测试平台。同时采样模块、信号发生模块可以通过PXI或者LXI等总线互连，当信号发生模块激励待测系统之后，启动同时采样模块进行数据采集，并且实时将数据传输至PC进行数据处理，完成阻抗测量，这体现了虚拟仪器技术的高度可重构性，通过若干标准硬件模块互连协作，进行各种控制和数据获取操作，软件完成具体功能，这是虚拟仪器技术最吸引人的地方。