一种全阻抗测量电路和测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开一种全阻抗测量电路和测量装置，该测量电路包括：第一跨阻放大器，第二跨阻放大器，第一差分放大器，第二差分放大器，参比电阻，传感器，以及四个可编程多路复用器；传感器的电流注入端用于输入电流信号，电压输出端用于检测响应电压信号；第一跨阻放大器的正输入端子和第二跨阻放大器的正输入端子均接地；四个可编程多路复用器可使电路在两种形式下切换。本发明专利技术通过交替测量的方式，使得测得的传感器响应电压和参比电阻响应电压的波形均包含两个通道的噪声信息，由此确保二者波形所包含的噪声趋于一致，再通过各自通道的三参数正弦波拟合算法同步减小噪声并获得各自精确的幅值和相位估计值，能够进一步提升电路的测量精度。

A Full Impedance Measurement Circuit and Device

【技术实现步骤摘要】
一种全阻抗测量电路和测量装置
本专利技术属于阻抗测量
，具体涉及一种全阻抗测量电路和测量装置。
技术介绍
电导率(Conductivity)、温度(Temperature)、以及深度(Depth)传感器(简称CTD或温盐深传感器)是用于监测水域环境的最基本也是最重要的传感器。它不但直接提供了电导率、温度、压力参数，更可用于计算盐度参数和深度参数。这些参数是开展各种水域研究所必不可少的。以海洋研究为例，这些参数不但可用于监测海水的流动、循环、以及气候变化过程，还可以为生物地球化学以及海洋生态系统的研究提供背景物理参数，在研究全球气候问题以及监测海洋生态环境等方面有着重大的意义。同时，温度和盐度参数还为其它各种海洋传感器提供必不可少的背景补偿参数。常用的温盐深传感器包括：电极式电导率传感器、PRT(platinumresistancethermometer，铂电阻温度计)电桥式温度传感器、压敏电阻电桥式压力传感器，它们对CTD参数的测量最终均可以转换成对相应阻抗的测量。因此，阻抗测量电路的设计方法决定了最终CTD参数测量结果的质量。目前国内外常见的阻抗测量电路包括以下三种：第一种是基于频率的阻抗测量电路，第二种是基于方波激励的阻抗测量电路，第三种是基于正弦波激励的阻抗测量电路。其中，第一种和第二种不支持全阻抗测量，只有第三种阻抗测量电路支持全阻抗测量。该基于正弦波激励的阻抗测量电路采用正弦波信号作为激励源，所以传感器的响应电压也为正弦波形式，通过ADC(模数转换器)将正弦波形式的响应电压传输至数字电路部分。然后数字电路运行相应的正弦波拟合算法(在激励信号频率精确已知时，运行三参数拟合算法，无需迭代运算；在激励信号不精确已知时，运行四参数拟合算法，需要迭代运算)，从而可以计算出阻抗的幅值和相位。因此，该阻抗测量电路可以支持全阻抗测量，并且通过正弦波拟合算法可以获得较高的测量精度。但是，该阻抗测量电路存在以下问题：1)能否支持实时测量取决于激励信号频率是否精确已知；2)阻抗测量精度会受到电路中元器件的性能参数随温度或时间漂移的影响，因此需要进行漂移补偿。目前国内外常见的漂移补偿方法分为以下几种。第一种解决方法是采用极低温度系数的元器件来搭建电路。但是，一方面，极低温度系数的元器件价格昂贵，大大增加电路设计的成本；另一方面，某些元器件(比如差分放大器)在目前的生产工艺下无法做到极低温度系数。所以，该方法无法很好地解决元器件漂移问题。第二种解决方法是加入额外的极低温度系数的参比电阻提供参考响应电压，通过多路复用器切换测量对象为传感器或者参比电阻，最后根据传感器响应电压与参比电阻响应电压之间的关系获得精确的测量阻值，以此降低漂移影响。该方法相较第一种方法既有效解决漂移问题，又降低了成本，但是通过单通道交替测量传感器和参比电阻的响应电压将整体测量时间增大了一倍。第三种解决方法是采用双通道并行设计，两个通道同时测量来自传感器和参比电阻的响应电压，后续采用七参数正弦波拟合算法以获得精确的传感器和参比电阻的响应电压值。该方法的模拟信号采集虽然采用双通道并行设计，但是七参数正弦波拟合算法本质是基于四参数在双通道测量场景上的改进(只是综合考虑了两个通道的噪声进行整体拟合计算)，仍然需要迭代计算，无法做到实时信号处理，整体测量时间并未缩短。上述三种漂移补偿方法都不能保证阻抗测量电路测量的实时性，无法做到实时信号处理。
技术实现思路
为解决现有技术中存在的技术问题，本专利技术提供一种全阻抗测量电路和测量装置。为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种全阻抗测量电路，包括：第一跨阻放大器，第二跨阻放大器，第一差分放大器，第二差分放大器，参比电阻，传感器，以及多个可编程多路复用器；所述参比电阻用于提供参考电压值；所述传感器的电流注入端用于输入激励电流信号，电压输出端用于提供响应电压信号；所述第一跨阻放大器的正输入端子和所述第二跨阻放大器的正输入端子均接地；多个所述可编程多路复用器对第一跨阻放大器，第二跨阻放大器，第一差分放大器，第二差分放大器，参比电阻进行联通，以使电路在下面两种形式下切换：第一种形式：所述传感器的电流注入端耦合在所述第一跨阻放大器的负输入端子与所述第一跨阻放大器的输出端子之间；所述传感器的电压输出端耦合在所述第一差分放大器的正输入端子与所述第一差分放大器的负输入端子之间；所述参比电阻耦合在所述第二跨阻放大器的负输入端子与所述第二跨阻放大器的输出端子之间；所述参比电阻还耦合在所述第二差分放大器的正输入端子与所述第二差分放大器的负输入端子之间；第二种形式：所述传感器的电流注入端耦合在所述第二跨阻放大器的负输入端子与所述第二跨阻放大器的输出端子之间；所述传感器的电压输出端耦合在所述第二差分放大器的正输入端子与所述第二差分放大器的负输入端子之间；所述参比电阻耦合在所述第一跨阻放大器的负输入端子与所述第一跨阻放大器的输出端子之间；所述参比电阻还耦合在所述第一差分放大器的正输入端子与所述第一差分放大器的负输入端子之间。在上述技术方案中，该全阻抗测量电路还包括：第一输入电阻，所述第一输入电阻耦合至所述第一跨阻放大器的负输入端子；第二输入电阻，所述第二输入电阻耦合至所述第二跨阻放大器的负输入端子。一种全阻抗测量装置，包括：两个测量通道，其中，第一测量通道上依次包括：第一I/V转换单元，切换单元，第一差分放大单元；第二测量通道上依次包括：第二I/V转换单元，切换单元，第二差分放大单元；所述切换单元为两个测量通道共用，其内设有可编程多路复用器；该可编程多路复用器可使所述第一I/V转换单元和所述第二I/V转换单元的测量对象，在传感器和参比电阻之间切换；所述第一差分放大单元和所述第二差分放大单元可分别放大所述第一测量通道和所述第二测量通道的模拟响应电压信号。在上述技术方案中，在两个测量通道之前，还设有依次连接的：波形生成单元，数模转换单元，以及滤波缓冲单元；所述滤波缓冲单元的输出端分别与两个测量通道的输入端连接；所述波形生成单元，其可产生幅值、频率和相位可控的数字正弦波信号；所述数模转换单元，其可将所述数字正弦波信号转换成模拟正弦波信号；所述滤波缓冲单元，其可对所述模拟正弦波信号进行低通滤波。在上述技术方案中，所述第一测量通道上，在所述第一差分放大单元后还连接有：第一低通滤波单元，第一模数转换单元；所述第二测量通道上，在所述第二差分放大单元后还连接有：第二低通滤波单元，第二模数转换单元；所述第一低通滤波单元和所述第二低通滤波单元可分别对所述第一测量通道和所述第二测量通道放大后的模拟响应电压信号进行低通滤波；所述第一模数转换单元和所述第二模数转换单元可分别将所述第一测量通道和所述第二测量通道滤波后的模拟响应电压信号转换成对应的数字响应电压信号。在上述技术方案中，该全阻抗测量装置还设有数字信号处理单元；所述数字信号处理单元的输入端分别与所述第一模数转换单元和所述第二模数转换单元的输出端连接；所述数字信号处理单元可将所述第一测量通道和所述第二测量通道的数字响应电压信号进行整合，运行三参数正弦波拟合算法，得到传感器和参比电阻的响应电压值。在上述技术方案中，所述数模转换单元、所述第一模数转换单元、以及所述第二模数转换单元具有同一时钟源控制并本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全阻抗测量电路，其特征在于，包括：第一跨阻放大器，第二跨阻放大器，第一差分放大器，第二差分放大器，参比电阻，传感器，以及多个可编程多路复用器；所述参比电阻用于提供参考电压值；所述传感器的电流注入端用于输入激励电流信号，电压输出端用于提供响应电压信号；所述第一跨阻放大器的正输入端子和所述第二跨阻放大器的正输入端子均接地；多个所述可编程多路复用器对第一跨阻放大器，第二跨阻放大器，第一差分放大器，第二差分放大器，参比电阻进行联通，以使电路在下面两种形式下切换：第一种形式：所述传感器的电流注入端耦合在所述第一跨阻放大器的负输入端子与所述第一跨阻放大器的输出端子之间；所述传感器的电压输出端耦合在所述第一差分放大器的正输入端子与所述第一差分放大器的负输入端子之间；所述参比电阻耦合在所述第二跨阻放大器的负输入端子与所述第二跨阻放大器的输出端子之间；所述参比电阻还耦合在所述第二差分放大器的正输入端子与所述第二差分放大器的负输入端子之间；第二种形式：所述传感器的电流注入端耦合在所述第二跨阻放大器的负输入端子与所述第二跨阻放大器的输出端子之间；所述传感器的电压输出端耦合在所述第二差分放大器的正输入端子与所述第二差分放大器的负输入端子之间；所述参比电阻耦合在所述第一跨阻放大器的负输入端子与所述第一跨阻放大器的输出端子之间；所述参比电阻还耦合在所述第一差分放大器的正输入端子与所述第一差分放大器的负输入端子之间。...

【技术特征摘要】
1.一种全阻抗测量电路，其特征在于，包括：第一跨阻放大器，第二跨阻放大器，第一差分放大器，第二差分放大器，参比电阻，传感器，以及多个可编程多路复用器；所述参比电阻用于提供参考电压值；所述传感器的电流注入端用于输入激励电流信号，电压输出端用于提供响应电压信号；所述第一跨阻放大器的正输入端子和所述第二跨阻放大器的正输入端子均接地；多个所述可编程多路复用器对第一跨阻放大器，第二跨阻放大器，第一差分放大器，第二差分放大器，参比电阻进行联通，以使电路在下面两种形式下切换：第一种形式：所述传感器的电流注入端耦合在所述第一跨阻放大器的负输入端子与所述第一跨阻放大器的输出端子之间；所述传感器的电压输出端耦合在所述第一差分放大器的正输入端子与所述第一差分放大器的负输入端子之间；所述参比电阻耦合在所述第二跨阻放大器的负输入端子与所述第二跨阻放大器的输出端子之间；所述参比电阻还耦合在所述第二差分放大器的正输入端子与所述第二差分放大器的负输入端子之间；第二种形式：所述传感器的电流注入端耦合在所述第二跨阻放大器的负输入端子与所述第二跨阻放大器的输出端子之间；所述传感器的电压输出端耦合在所述第二差分放大器的正输入端子与所述第二差分放大器的负输入端子之间；所述参比电阻耦合在所述第一跨阻放大器的负输入端子与所述第一跨阻放大器的输出端子之间；所述参比电阻还耦合在所述第一差分放大器的正输入端子与所述第一差分放大器的负输入端子之间。2.根据权利要求1所述的全阻抗测量电路，其特征在于，还包括：第一输入电阻，所述第一输入电阻耦合至所述第一跨阻放大器的负输入端子；第二输入电阻，所述第二输入电阻耦合至所述第二跨阻放大器的负输入端子。3.一种全阻抗测量装置，其特征在于，包括：两个测量通道，其中，第一测量通道上依次包括：第一I/V转换单元，切换单元，第一差分放大单元；第二测量通道上依次包括：第二I/V转换单元，切换单元，第二差分放大单元；所述切换单元为两个测量通道共用，其内设有可编程多路复用器；该可编程多路复用器可使所述第一I/V转换单元和所述第二I/V转换单元的测量对象，在传感器和参比电阻之间切换...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹书乐，黄希，崔莉，
申请(专利权)人：中国科学院计算技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11