一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法技术

本发明专利技术提供的一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法，可实现测量两个交直流电压信号的直流分量的比例，将阻抗测量转换为测量电压直流分量的比例，大大提高阻抗的测量精度。本发明专利技术的积分比例电路，包括运算放大器、积分放大器、比较器；运算放大器的正输入端分别通过四个开关连接被测信号、标准电压源的正负输出端及地电位，运算放大器的输出端与负输入端相连，并通过限流电阻连接积分放大器的负输入端，积分放大器的输出端连接比较器的正输入端；积分放大器的负输入端和输出端之间连接积分电容，积分电容的两端具有充电开关；积分放大器的正输入端连接正向端参考电压，比较器的负输入端连接负向端参考电压。

【技术实现步骤摘要】
一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法
本专利技术涉及交流电量测量
，尤其涉及一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法。
技术介绍
阻抗是电路中电阻、电感、电容对交流电的阻碍作用的统称。阻抗将电阻的概念加以延伸至交流电路领域，不仅描述电压与电流的相对振幅，也描述其相对相位。当通过电路的电流是直流电时，电阻与阻抗相等，电阻可以视为相位为零的阻抗。阻抗通常以符号Z标记，根据阻抗的有源定义，阻抗是复数，是复数电压与复数电流之比，即Z＝U/I，也可以以相量Zm＜θ或Zmejθ来表示；其中，Zm表示阻抗的大小，是电压振幅与电流振幅的绝对值比率，θ表示阻抗的相位，是电压与电流的相位差，这种表式法称为“相量表示法”。目前，测量阻抗的方法主要有电桥法、谐振法和矢量阻抗法，电桥法基本工作原理是基于四臂电桥电路，但电桥法需要反复进行平衡调节，操作方法繁琐、费时，且测量范围受限，很难实现快速自动测量；谐振法以LC回路的谐振特性为基础，通过测定谐振频率和已知的电感或电容计算出被测阻抗，矢量阻抗法以阻抗的定义为基础，将测试信号电压加到被测件，测试信号电流流过被测件，由电压和电流之比计算测试端阻抗；但这些测量方法都要求激励信号是低失真度的正弦波信号，然而，频率较高的低失真度的正弦波信号很难获得，这就限制了阻抗测量精度的提高和测量范围的扩大。近年来，随着科学技术的进步，测量阻抗的方法正在向数字化、智能化、程控化的水平发展，以提高阻抗的测量精度和测量范围。目前常使用双积分电路用于阻抗测量，其基本原理是将阻抗参数的测量转换为电压量的测量。但目前所使用的测量阻抗的双积分电路大都采用直接测量直流电压的双积分电路，分别测量四个电压值，而后进行计算，由于四个电压值极性不定，有正有负，分别为其正电压源及负电压源所测，正电压源、负电压源及积分的初始电压易受到其长期漂移及温湿度变化的影响，进而影响测量值的准确度。
技术实现思路
本专利技术提供一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法，可实现测量直流分量的比例，将阻抗测量转换为测量电压直流分量的比例，大大提高阻抗的测量精度；其积分比例电路可广泛用于包括阻抗测试仪、功率分析仪、相位表、相角表等需要对两电压幅值与相位关系进行测试的仪器。本专利技术的技术方案是：1.一种积分比例电路，用于测量两个交直流电压信号直流分量的比例，其特征在于，包括运算放大器、积分放大器、比较器；所述运算放大器的正输入端分别通过第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4连接被测信号、标准电压源的正负输出端以及地电位，运算放大器的输出端与负输入端相连接，并且通过积分电阻R连接所述积分放大器的负输入端，所述积分放大器的输出端连接所述比较器的正输入端；所述积分放大器的负输入端和输出端之间连接积分电容，所述积分电容的两端具有充电开关SW0；所述积分放大器的正输入端连接正向端参考电压UREF1，所述比较器的负输入端连接负向端参考电压UREF2。2.一种基于上述积分比例电路的阻抗测量方法，其特征在于，通过测量被测阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U1a和正交分量U1b以及标准阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U2a和正交分量U2b之间的直流分量的比例，将阻抗测量转换为测量电压直流分量的比例，具体步骤如下：步骤1)，首先确定与积分放大器的正输入端连接的正向端参考电压UREF1、与比较器的负输入端连接的负向端参考电压UREF2的大小；步骤2)，测量得出与积分放大器的正输入端连接的正向端参考电压UREF1、与比较器的负输入端连接的负向端参考电压UREF2、积分初始电压Us之间的比例关系；步骤3)，分别测量得出被测阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U1a、正交分量U1b、标准阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U2a、正交分量U2b与所述正向端参考电压UREF1、负向端参考电压UREF2、加载在积分电阻R上的积分初始电压Us之间的比例关系；步骤4)，利用步骤2)与步骤3)得出的结果，由公式计算得出被测阻抗。3.所述步骤1)中，确定正向端参考电压UREF1、与负向端参考电压UREF2的具体步骤如下：当连接地电位的第四开关SW4处于闭合，其他开关断开时，选择UREF1使得电容C充电方向恒为正向或恒为负向，即UGND+VOS1-Ue恒为正或恒为负；充电时：Ue＝UREF1+VOS2+IB2·R+ISW0·RVOS1、VOS2----运算放大器及积分放大器的偏置电压；IB2----运算放大器的偏置电流；ISW0----分为开关SW0在闭合情况及打开情况下的泄漏电流；同样，选择UREF2使得在积分清零状态下比较器A3正负输入电压差恒为正或恒为负；即UREF2-VOS3-Ue恒为正或恒为负，Vos3为比较器的偏置电压。4.所述步骤2)中，测量过程选择积分方向为UGND+VOS1-Ue>0，UREF2-VOS3-Ue>0，包括以下步骤：a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容C以(UREF--Us)/R<0的电流充电，积分放大器输出电压U1上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；c)第二阶段，SW4闭合，其余开关断开，SW4闭合后开始计时，此时电容C以(UGND-Us)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t1，此阶段U1电压减小；d)第三阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(UREF--Us)/R<0的电流充电，U1电压上升至比较器反转，计时时间为t2，本阶段结束；e)第四阶段，SW2闭合，其余开关断开，SW2闭合后开始计时，此时电容以(UREF+-Us)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t3，此阶段U1电压减小；f)第五阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(UREF--Us)/R<0的电流充电，U1电压上升至比较器反转，计时时间为t4，本阶段结束；其中：UREF+、UREF-分别为标准电压源的正负端输出电压。5.所述步骤2)中，由测得的t1、t2、t3、t4，根据电荷守恒，由第二阶段及第三阶段可得：取UGND＝0，可以得出：根据电荷守恒，由第四阶段及第五阶段可得：即令UREF+＝a·UREF-(15)式中：令Us＝b·UREF-(17)式中：6.所述步骤3)中，当Uin-Us>0时，将整个积分分为四个阶段：a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(UREF--Us)/R<0的电流充电，U1电压上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；c)第二阶段，SW1闭合，其余开关断开，此时电容以(Uin-Us)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t5，此阶段U1电压减小；由于Uin信号是一个交直流叠加的信号，为了滤除其交流分量，t5为其交流分量周期的整数倍，此时根据Uo电压的极性判断Uin-Us的极性；d)第三阶段本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种积分比例电路，用于测量两个交直流电压信号直流分量的比例，其特征在于，包括运算放大器、积分放大器、比较器；所述运算放大器的正输入端分别通过第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4连接被测信号、标准电压源的正负输出端以及地电位，运算放大器的输出端与负输入端相连接，并且通过积分电阻R连接所述积分放大器的负输入端，所述积分放大器的输出端连接所述比较器的正输入端；所述积分放大器的负输入端和输出端之间连接积分电容，所述积分电容的两端具有充电开关SW0；所述积分放大器的正输入端连接正向端参考电压UREF1，所述比较器的负输入端连接负向端参考电压UREF2。

【技术特征摘要】
1.一种积分比例电路，用于测量两个交直流电压信号直流分量的比例，其特征在于，包括运算放大器、积分放大器、比较器；所述运算放大器的正输入端分别通过第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4连接被测信号、标准电压源的正负输出端以及地电位，运算放大器的输出端与负输入端相连接，并且通过积分电阻R连接所述积分放大器的负输入端，所述积分放大器的输出端连接所述比较器的正输入端；所述积分放大器的负输入端和输出端之间连接积分电容，所述积分电容的两端具有充电开关SW0；所述积分放大器的正输入端连接正向端参考电压UREF1，所述比较器的负输入端连接负向端参考电压UREF2。2.一种基于如权利要求1所述的积分比例电路的阻抗测量方法，其特征在于，通过测量被测阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U1a和正交分量U1b以及标准阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U2a和正交分量U2b之间的直流分量的比例，将阻抗测量转换为测量电压直流分量的比例，具体步骤如下：步骤1)，首先确定与积分放大器的正输入端连接的正向端参考电压UREF1、与比较器的负输入端连接的负向端参考电压UREF2的大小；步骤2)，测量得出与积分放大器的正输入端连接的正向端参考电压UREF1、与比较器的负输入端连接的负向端参考电压UREF2、加载在限流电阻R上的积分初始电压Us之间的比例关系；步骤3)，分别测量得出被测阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U1a、正交分量U1b、标准阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U2a、正交分量U2b分别与所述正向端参考电压UREF1、负向端参考电压UREF2或加载在电阻R上的电压Us之间的比例关系；步骤4)，利用步骤2)与步骤3)得出的结果，由公式计算得出被测阻抗。3.根据权利要求2所述的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤1)中，确定正向端参考电压UREF1、与负向端参考电压UREF2的具体步骤如下：当连接地电位的第四开关SW4处于闭合，其他开关断开时，选择UREF1使得电容C充电方向恒为正向或恒为负向，即UGND+VOS1-Ue恒为正或恒为负；充电时：Ue＝UREF1+VOS2+IB2·R+ISW0·RVOS1、VOS2----运算放大器及积分放大器的偏置电压；IB2----运算放大器的偏置电流；ISW0----分为开关SW0在闭合情况及打开情况下的泄漏电流；同样，选择UREF2使得在积分清零状态下比较器A3正负输入电压差恒为正或恒为负；即UREF2-VOS3-Ue恒为正或恒为负，Vos3为比较器的偏置电压。4.根据权利要求3所述的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤2)中，测量过程选择积分方向为UGND+VOS1-Ue>0，UREF2-VOS3-Ue>0，包括以下步骤：a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容C以(UREF--Us)/R<0的电流充电，积分放大器输出电压U1上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；c)第二阶段，SW4闭合，其余开关断开，SW4闭合后开始计时，此时电容C以(UGND-Us)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t1，此阶段U1电压减小；d)第三阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(UREF--Us)/R<0的电流充电，U1电压上升至比较器反转，计时时间为t2，本阶段结束；e)第四阶段，SW2闭合，其余开关断开，SW2闭合后开始计时，此时电容以(UREF+-Us)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t3，此阶段U1电压减小；f)第五阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(UREF--Us)/R<0的电流充电，U1电压上升至比较器反转，计时时间为t4，本阶段结束；其中：UREF+、UREF-分别为标准电压源的正负端输出电压。5.根据权利要求4所述的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤2)中，由测得的t1、t2、t3、t4，根据电荷守恒，由第二阶段及第三阶段可得：

【专利技术属性】
技术研发人员：吴康，李亚琭，刘民，游立，颜晓军，
申请(专利权)人：北京东方计量测试研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11