專利名稱：平衡電橋的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電氣工程技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，涉及一種模數(shù)混合式的平衡電橋。
背景技術(shù)：
阻抗測量應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室和エ業(yè)生產(chǎn)，但阻抗的測量方法實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜，尤其是小相位和高頻率下的阻抗，其測量尤其困難。現(xiàn)有阻抗測量技術(shù)為模擬式自動(dòng)平衡電橋或全數(shù)字采樣式。模擬自動(dòng)平衡電橋以模擬電路的方式實(shí)現(xiàn)電橋的平衡，包括零差電壓解調(diào)、積分、反饋、平衡等環(huán)節(jié)。當(dāng)電橋不平衡時(shí)，不平衡電壓被同相與正交相電壓解調(diào)后積分，獲得同相與正交相電壓平衡差額，該差額以負(fù)反饋形式反饋到試樣上作為補(bǔ)償，直至電橋平衡。維持平衡時(shí)的同相與正交反饋電壓反映了阻抗的實(shí)部與虛部。模擬平衡電橋測量量程廣、精度高，但速度慢、實(shí)現(xiàn)難度高、技術(shù)復(fù)雜、產(chǎn)品成本高，一般為大型通用型貴重儀器。全數(shù)字式阻抗測量儀器使用高速模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣后進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算，比較待測阻抗與參考阻抗上的電壓幅值比例與相位差，計(jì)算得到待測阻抗，具有易實(shí)現(xiàn)和成本較低、測量速度快的優(yōu)點(diǎn)，其不足是測量試樣取值范圍和測量頻率范圍比較有限。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是，要解決上述的技術(shù)問題，提供一種模數(shù)混合式平衡電橋，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室和エ業(yè)生產(chǎn)中對(duì)阻抗的測量，適用于對(duì)小相位和高頻率下阻抗的測量。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明米取的技術(shù)方案是ー種平衡電橋，包括ー輸入信號(hào)源、ー參考阻抗、一待測阻抗、一電橋平衡模塊和一平衡控制模塊；所述待測阻抗通過所述參考阻抗連接在所述輸入信號(hào)源，用于獲得電流矢量；所述電橋平衡模塊包括參考阻抗電流提取単元和待測阻抗電流提取単元，用于向所述平衡控制模塊提供電橋輸出電壓，所述參考阻抗電流提取單元耦合至所述參考阻抗的兩端，所述待測阻抗電流提取單元耦合至所述待測阻抗的兩端，所述參考阻抗電流提取單元和待測阻抗電流提取単元的輸出端ロ均為電橋輸出電壓輸出端ロ ；所述平衡控制模塊包括電壓檢測模塊、反饋電路模塊和單片機(jī)；所述電壓檢測模塊的一端與所述電橋輸出電壓輸出端ロ相連，所述電壓檢測模塊的另一端連接在所述單片機(jī)，用于檢測所述電橋輸出電壓是否為零，并將檢測結(jié)果傳送至所述單片機(jī)；所述單片機(jī)一端與所述電壓檢測模塊相連，另一端連接在所述反饋電路模塊，所述反饋電路模塊耦合至所述待測阻抗電流提取單元，形成ー控制鏈路，用于在所述電橋輸出電壓不為零吋，對(duì)所述待測阻抗電流提取單元進(jìn)行電壓反饋，實(shí)現(xiàn)電橋平衡?？蛇x的，所述輸入信號(hào)源為數(shù)字合成直接波形發(fā)生器，其與所述單片機(jī)相連，并在所述單片機(jī)控制下，為所述參考阻抗提供輸入電流。進(jìn)ー步，所述待測阻抗的一端連接所述參考阻抗，另一端的連接方式選自接地、懸浮或與其他阻抗串聯(lián)的其中ー種。 進(jìn)ー步，所述參考阻抗電流提取單元包括一差分放大器和一參考電流提取電阻；所述差分放大器的兩個(gè)輸入端分別連接在所述參考阻抗的兩端，用于獲得所述參考阻抗上的電壓，輸出端與所述參考電流提取電阻相連；所述參考電流提取電阻一端連接在所述差分放大器的輸出端，另一端與所述電橋輸出電壓輸出端ロ相連，用于獲得所述參考阻抗上的參考電流。進(jìn)ー步，所述待測阻抗電流提取單元包括一同相調(diào)制器、一正交相調(diào)制器、一同相電流提取電阻以及一正交相電流提取電容；所述同相調(diào)制器的第一和第二輸入端分別連接在所述待測阻抗的兩端，用于獲得所述待測阻抗上的同相電壓，所述同相調(diào)制器的輸出端通過所述同相電流提取電阻連接在所述電橋輸出電壓輸出端ロ，所述同相調(diào)制器的第三輸入端連接在所述反饋電路模塊，用于獲得所述反饋電路模塊的第一控制電壓；所述正交相調(diào)制器的第一和第二輸入端分別連接在所述待測阻抗的兩端，用于獲得所述待測阻抗上的正交相電壓，所述正交相調(diào)制器的輸出端通過所述正交相電流提取電容連接在所述電橋輸出電壓輸出端ロ，所述同相調(diào)制器的第三輸入端連接在所述反饋電路模塊，用于獲得所述反饋電路模塊的第二控制電壓。進(jìn)ー步，所述差分放大器的差分輸入端與所述同相調(diào)制器和所述正交相調(diào)制器的第一和第二輸入端的連接方式均相反。 進(jìn)ー步，所述電壓檢測模塊包括依次相連的幅值檢測電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過幅值檢測方式，檢測電橋是否平衡。進(jìn)ー步，所述幅值檢測電路包括依次相連的ー乘法器和一低通濾波器；所述低通濾波器通過所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接在所述單片機(jī)。進(jìn)ー步，所述反饋電路模塊為ー數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過所述單片機(jī)控制所述的數(shù)模轉(zhuǎn)換器，對(duì)所述待測阻抗電流提取單元進(jìn)行電壓反饋。進(jìn)ー步，所述同相調(diào)制器的第一控制電壓的值對(duì)應(yīng)所述待測阻抗的阻值的實(shí)部，所述正交相調(diào)制器的第二控制電壓的值對(duì)應(yīng)所述待測阻抗的阻值的虛部。本發(fā)明平衡電橋的積極效果是
(1)通過模擬前端采樣直接串聯(lián)形式，待測阻抗可以接地、懸浮或與其他阻抗串聯(lián)，讓本發(fā)明的平衡電橋可以適用于不用的應(yīng)用場合；
(2)在不平衡電壓檢測、反饋方式上采用數(shù)字式，對(duì)不平衡電壓檢測僅用幅值檢測，反饋電壓采用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)在單片機(jī)控制下進(jìn)行反饋，可以穩(wěn)定快速實(shí)現(xiàn)電橋平衡；
(3)結(jié)合模擬與數(shù)字式阻抗測量的優(yōu)點(diǎn)，通過電橋平衡來測量阻抗，可以通過設(shè)置不同的同相電流提取電阻和正交相電流提取電容來獲得寬量程；
(4)通過數(shù)字方法測量不平衡電壓并用數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換控制電壓，平衡速度快；
(5)所用原件少，成本低，精度高、量程廣，具有廣泛的應(yīng)用前景。


圖I是本發(fā)明平衡電橋的架構(gòu)框 圖2是本發(fā)明平衡電橋ー實(shí)施方式的電路連接圖，圖中A為前端、B為電橋平衡模塊、C為平衡控制模塊。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖介紹本發(fā)明平衡電橋的具體實(shí)施方式
，但是應(yīng)當(dāng)指出，本發(fā)明的實(shí)施例既是為了解釋目的的優(yōu)選實(shí)施例，并不是對(duì)本發(fā)明范圍的限制。參見附圖1，ー種平衡電橋，以單片機(jī)作為硬件平臺(tái)，采用模數(shù)混合的方式實(shí)現(xiàn)電橋平衡與阻抗測量，它包括一輸入信號(hào)源Mil、ー參考阻抗M12、一待測阻抗M13、一電橋平衡模塊M14和一平衡控制模塊M15。所述電橋平衡模塊M14包括待測阻抗電流提取単元M141和參考阻抗電流提取單元M142。所述平衡控制模塊M15包括電壓檢測模塊M151、反饋電路模塊M152和單片機(jī)M153，所述電壓檢測模塊M151進(jìn)ー步包括依次相連的幅值檢測電路M1511和模數(shù)轉(zhuǎn)換器M1512。所述輸入信號(hào)源Ml I為數(shù)字合成直接波形發(fā)生器，其與所述單片機(jī)M153相連，并在所述單片機(jī)M153控制下產(chǎn)生所需頻率的正弦波，為所述參考阻抗R提供輸入電流。所述待測阻抗M13與所述參考阻抗M12串聯(lián)后，通過所述參考阻抗M12連接在所述輸入信號(hào)源M11，用于獲得電流矢量。所述待測阻抗M13的一端連接所述參考阻抗M12，另一端的連接方式可直接接地或懸浮或與其他阻抗串聯(lián)，這與普通的自動(dòng)平衡橋不同，因而可用于電カ系統(tǒng)等ー些阻抗必須接地的場合。所述電橋平衡模塊M14包括待測阻抗電流提取単元M141和參考阻抗電流提取單兀M142, 二者的輸出端ロ均為電橋輸出電壓輸出端ロ U0,用于向所述平衡控制模塊提供電橋輸出電壓。所述參考阻抗電流提取單元M142耦合至所述參考阻抗M12的兩端，其中所述參考阻抗電流提取單元M142包括一差分放大器和一參考電流提取電阻；所述差分放大器的兩個(gè)輸入端分別連接在所述參考阻抗M12的兩端，用于獲得所述參考阻抗M12上的電壓，輸出端與所述參考電流提取電阻相連；所述參考電流提取電阻一端連接在所述差分放大器的輸出端，另一端與所述電橋輸出電壓輸出端ロ UO相連，用于獲得所述參考阻抗M12上的參考電流。參考阻抗M12的電壓被差分放大器提取，經(jīng)過參考電流提取電阻后成為與輸入信號(hào)源Ml I所提供的電流相等的參考電流。所述待測阻抗電流提取單元M141耦合至所述待測阻抗M13的兩端，并與所述參考阻抗電流提取單元M142相連，其中所述待測阻抗電流提取單元M141進(jìn)ー步包括一同相調(diào)制器、一正交相調(diào)制器、一同相電流提取電阻以及一正交相電流提取電容。所述同相調(diào)制器的第一和第二輸入端分別連接在所述待測阻抗M13的兩端，用于獲得所述待測阻抗M13上的同相電壓，所述同相調(diào)制器的輸出端通過所述同相電流提取電阻連接在所述電橋輸出電壓輸出端ロ U0，所述同相調(diào)制器的第三輸入端連接在所述反饋電路模塊M152，用于獲得所述反饋電路模塊的第一控制電壓。即所述同相調(diào)制器將待測阻抗M13的電壓經(jīng)反饋電路模塊M152的一路輸出調(diào)制成為同相電壓后，加在同相電流提取電阻上，形成同相電流輸出至電橋輸出電壓輸出端ロ UO。所述正交相調(diào)制器的第一和第二輸入端分別連接在所述待測阻抗M13的兩端，用于獲得所述待測阻抗M13上的正交相電壓，所述正交相調(diào)制器的第一輸出端通過所述正交相電流提取電容連接在所述電橋輸出電壓輸出端ロ U0，所述同相調(diào)制器的第三輸入端連接在所述反饋電路模塊M152，用于獲得所述反饋電路模塊的第二控制電壓。即所述正交相調(diào)制器將待測阻抗M13的電壓經(jīng)反饋電路模塊M152的另一路輸出調(diào)制成為正交相電壓后，カロ在正交相電流提取電容上，形成正交相電流輸出至電橋輸出電壓輸出端ロ U0。、
由于同相調(diào)制器和正交相調(diào)制器的第一和第二輸入端均與差分放大器的差分輸入端相反，因此經(jīng)過參考電流提取電阻的參考電流，與經(jīng)過同相電流提取電阻的同相電流和經(jīng)過正交相電流提取電容的正交相電流的相位相反。通過調(diào)節(jié)同相調(diào)制器的第一控制電壓與正交相調(diào)制器的第二控制電壓，可以使得到的同相電流和正交相電流的合成電流恰好與參考電流相等，但相位相反，相互抵消，實(shí)現(xiàn)電橋平衡，電橋輸出電壓為零；當(dāng)?shù)玫降耐嚯娏骱驼幌嚯娏鞑荒芘c參考電流相抵消，則電橋不平衡，電橋輸出電壓不為零。所述平衡控制模塊M15包括電壓檢測模塊M151、反饋電路模塊M152和單片機(jī)M153。
所述電壓檢測模塊M151用于檢測所述電橋輸出電壓是否為零，并將檢測結(jié)果傳送至所述單片機(jī)M153。所述電壓檢測模塊M151進(jìn)ー步包括依次相連的幅值檢測電路M1511和模數(shù)轉(zhuǎn)換器M1512。所述幅值檢測電路M1511進(jìn)ー步包括依次相連的乘法器和低通濾波器，所述乘法器的一端與所述電橋輸出電壓輸出端ロ UO相連，另一端通過所述低通濾波器連接在所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器M1512，所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器M1512與所述單片機(jī)M153相連。電橋輸出電壓經(jīng)過幅值檢測電路M1511中的乘法器與自身相乘后，再經(jīng)過低通濾波器得到檢測幅值，所述檢測幅值為電橋輸出電壓幅值的一半，所述檢測幅值經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換器M1512后輸入單片機(jī)M153。當(dāng)電橋平衡時(shí)，所述檢測幅值為零。所述單片機(jī)M153 —端與所述電壓檢測模塊M151相連，另一端連接在所述反饋電路模塊M152，通過所述反饋電路模塊M152耦合至所述待測阻抗電流提取單元M141，形成一控制鏈路，控制所述反饋電路模塊M152向所述待測阻抗電流提取單元M141輸出控制電壓，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)電橋平衡。同時(shí)所述單片機(jī)M153控制作為輸入信號(hào)源Mll的數(shù)字合成直接波形發(fā)生器，產(chǎn)生所需頻率的正弦波，為所述參考阻抗M12提供輸入電流。所述反饋電路模塊M152—端耦合至所述待測阻抗電流提取單元M141，另一端連接在所述單片機(jī)M153，用于在所述電橋輸出電壓不為零時(shí)，對(duì)所述待測阻抗電流提取單元M141進(jìn)行電壓反饋，實(shí)現(xiàn)電橋平衡。所述反饋電路模塊M152進(jìn)ー步為ー數(shù)模轉(zhuǎn)換器，所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器的輸入端與所述單片機(jī)M153相連，其兩個(gè)輸出端分別與所述待測阻抗電流提取単元M141中同相調(diào)節(jié)器的第三輸入端，以及正交相調(diào)節(jié)器的第三輸入端相連。當(dāng)電橋不平衡吋，電橋輸出電壓不為零，故檢測幅值不為零。此時(shí)通過單片機(jī)M153控制數(shù)模轉(zhuǎn)換器連續(xù)變化輸出至同相調(diào)制器和正交相調(diào)制器的控制電壓，控制同相調(diào)制器和正交相調(diào)制器調(diào)節(jié)輸出至同相電流提取電阻以及正交相電流提取電容的反饋電壓，以獲得不同的抵消電流，直到電橋輸出電壓接近零，實(shí)現(xiàn)電橋平衡。此時(shí)的同相調(diào)制器的第一控制電壓和正交相調(diào)制器的第二控制電壓的值對(duì)應(yīng)待測阻抗的阻值的實(shí)部與虛部，即可以得出待測阻抗的阻值。參見附圖2，本發(fā)明平衡電橋ー實(shí)施方式的電路連接圖，以單片機(jī)作為硬件平臺(tái)，采用模數(shù)混合的方式實(shí)現(xiàn)電橋平衡與阻抗測量，所述平衡電橋主要分為前端A、電橋平衡模塊B、平衡控制模塊C。所述前端A包括依次連接的一數(shù)字合成直接波形發(fā)生器MO、ー參考阻抗R以及ー待測阻抗Zx。所述數(shù)字合成直接波形發(fā)生器MO與平衡控制模塊C中的MCU (單片機(jī))相連，并在所述單片機(jī)控制下，產(chǎn)生所需頻率的正弦波，為所述參考阻抗R提供輸入電流。
所述待測阻抗Zx與所述參考阻抗R串聯(lián)后，通過所述參考阻抗R連接在所述數(shù)字合成直接波形發(fā)生器MO，用于獲得電流矢量；本實(shí)施例中所述待測阻抗Zx為一端連接所述參考阻抗R，另一端采用接地的方式。其實(shí)待測阻抗Zx可以直接接地或懸浮(即與所述數(shù)字合成直接波形發(fā)生器MO的地相連)，也可以是多個(gè)串聯(lián)阻抗中的ー個(gè)，這與普通的自動(dòng)平衡橋中不同，因而可用于電カ系統(tǒng)等ー些阻抗必須接地的場合。受同相調(diào)制器Ml、正交相調(diào)制器M2和差分放大器DAl的限制，任何一種連接方式中共模電壓不要超過相應(yīng)器件的說明書限制。所述電橋平衡模塊B主要包括同相調(diào)制器Ml、正交相調(diào)制器M2、同相電流提取電阻Ri、正交相電流提取電容Ci、參考電流提取電阻Rr和差分放大器DAl。差分放大器DAl的兩個(gè)輸入端分別連接在參考阻抗R的兩端，輸出端與參考電流提取電阻Rr相連，Rr的另一端連接在電橋輸出電壓輸出端ロ U0。參考阻抗R的電壓被差分放大器DAl提取，經(jīng)過參考電流提取電阻Rr后成為與數(shù)字合成直接波形發(fā)生器MO所提供的輸入電流相等的參考電流I。
同相調(diào)制器Ml的第一和第二輸入端分別連接在待測阻抗Zx的兩端，輸出端與同相電流提取電阻Ri相連，Ri的另一端連接在電橋輸出電壓輸出端ロ W。待測阻抗Zx的電壓矢量由同相調(diào)制器Ml調(diào)制成為同相電壓，再經(jīng)過同相電流提取電阻Ri后成為與所述待測阻抗M13上相等的同相電流。所述同相調(diào)制器Ml將待測阻抗Zx的電壓經(jīng)平衡控制模塊C中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的一路輸出調(diào)制成為同相電壓后，加在同相電流提取電阻Ri上，形成同相電流輸出至電橋輸出電壓輸出端ロ UOo正交相調(diào)制器M2的第一和第二輸入端分別連接在待測阻抗Zx的兩端，輸出端與正交相電流提取電容Ci相連，Ci的另一端連接在電橋輸出電壓輸出端ロ W。所述正交相調(diào)制器M2將待測阻抗Zx的電壓經(jīng)平衡控制模塊C中的數(shù)模轉(zhuǎn)換器DAC的另一路輸出調(diào)制成為正交相電壓后，加在正交相電流提取電容Ci上，形成正交相電流輸出至電橋輸出電壓輸出端ロ UO。同相調(diào)制器Ml和正交相調(diào)制器M2的第一和第二輸入端均與差分放大器DAl的差分輸入端相反，因此經(jīng)過參考電流提取電阻Rr的參考電流I，與經(jīng)過同相電流提取電阻Ri的同相電流和經(jīng)過正交相電流提取電容Ci的正交相電流的合成電流的相位相反。當(dāng)待測阻抗Zx的同相電流和正交相電流的合成電流恰好與參考阻抗R的參考電流相等，但相位相反，相互抵消時(shí)，實(shí)現(xiàn)電橋平衡，電橋輸出電壓為零；當(dāng)同相電流和正交相電流不能與參考電流相抵消，則電橋不平衡，電橋輸出電壓不為零。本發(fā)明通過電橋平衡來測量阻抗，因此測量精度高，量程寬，可以通過設(shè)置不同的同相電流提取電阻Ri和正交相電流提取電容Ci來獲得寬量程；可以使待測阻抗Zx的阻值處于同相電流提取電阻Ri的1/10-10倍之間，可以使測量精度較高。例如當(dāng)電阻Ri為100歐姆時(shí)，待測阻抗Zx中電阻值適宜范圍在10歐姆-Ik歐姆之間。如果待測阻抗Zx中電阻超過Ik歐姆吋，電阻Ri應(yīng)該選擇Ik歐姆。所述平衡控制模塊C包括乘法器M3、LPF(Low Pass Filter，低通濾波器)、ADC (Analog-Digital Conversion,模數(shù)轉(zhuǎn)換器)、DAC (Digital-Analog Converter,數(shù)模轉(zhuǎn)換器)以及 MCU (Micro Control Unit,單片機(jī))。所述乘法器M3的一端與所述電橋輸出電壓輸出端ロ UO相連，用于獲得所述電橋輸出電壓；另一端串聯(lián)ー LPF組成幅值檢測電路。電橋輸出電壓經(jīng)過乘法器M3與自身相乘后，再傳送至LPF進(jìn)行濾波。所述LPF通過所述ADC相連，用于將所述乘法器M3傳送的電橋輸出電壓進(jìn)行低通濾波，得到檢測幅值，并將所述檢測幅值傳送至所述ADC。所述檢測幅值為電橋輸出電壓幅值的一半，當(dāng)電橋平衡時(shí)，所述檢測幅值為零。所述ADC與所述MCU相連，用于將所述檢測幅值進(jìn)行模數(shù)變換后，傳送至所述MCU。所述MCU與所述DAC相連，當(dāng)電橋不平衡時(shí)，所述檢測幅值不為零，MCU控制DAC對(duì)電橋平衡模塊B進(jìn)行電壓反饋。
所述DAC的輸入端與所述MCU相連，第一輸出端與所述同相調(diào)制器Ml的第三輸入端相連，用于向所述同相調(diào)制器Ml輸出第一控制電壓VDAai。所述DAC的第二輸出端與所述正交相調(diào)制器M2的第三輸入端相連，用于向所述正交相調(diào)制器M2輸出第二控制電壓VDAC1。當(dāng)?shù)谝豢刂齐妷篤dacci和第二控制電壓Vdaci取合適的值時(shí)，待測阻抗Zx的同相、正交相電流的合成電流與恰好與參考阻抗R的參考電流相等，但相位相反，因此相互抵消，實(shí)現(xiàn)電橋平衡，貝1J電橋平衡模塊B的輸出端ロ輸出的電橋輸出電壓為零。否則電橋不平衡，電橋輸出電壓不為零，故檢測幅值不為零。當(dāng)檢測幅值不為零時(shí)，通過MCU控制DAC連續(xù)變化輸出至同相調(diào)制器Ml的第一控制電壓Vdaki和正交相調(diào)制器M2的第二控制電壓Vim，來調(diào)節(jié)同相調(diào)制器Ml輸出至同相電流提取電阻的反饋電壓，以及調(diào)節(jié)正交相調(diào)制器M2輸出至正交相電流提取電容的反饋電壓，從而獲得相應(yīng)的抵消電流，直到電橋輸出電壓為零，實(shí)現(xiàn)電橋平衡。當(dāng)實(shí)現(xiàn)電橋平衡吋，同相調(diào)制器Ml的第一控制電壓Vdaki和正交相調(diào)制器M2的第二控制電壓VDAa的值，分別對(duì)應(yīng)待測阻抗的阻值的實(shí)部與虛部，即可以得出待測阻抗的阻值。參考電流為I*R/Rr=I，(I為通過參考阻抗R和待測阻抗Zx的電流)，同相電流為I*Zx*VDAai/Ri，正交相電流為I*Zx*VDAa/ ( ω Ci )。當(dāng)電橋平衡吋，同相電流與正交相電流的合成電流與參考電流相等，但相位相反，所以才能完全抵消，則有同相電流I*Zx*VDAai/Ri=I/cos θ，正交相電流I*Zx*VDAC1/ ( ωΟ ) =I/sin Θ。由此可以得到待測阻抗Zx的實(shí)部為 Zx* cos Θ =Ri/VDACXI,虛部為 Zx*sin Θ =QCi/ Vdaci。本實(shí)施例的前端A仍然為模擬式，電橋平衡模塊B的電橋也是模擬電路，但平衡控制模塊C中的不平衡電壓檢測、反饋方式是數(shù)字的。對(duì)不平衡電壓檢測后不使用普通自動(dòng)平衡橋常用的正交解調(diào)，而僅用幅值檢測，因?yàn)殡姌蚱胶鈺r(shí)不平衡電壓為零，幅值也必然為零。反饋電壓不是自動(dòng)平衡橋所用的積分、濾波再反饋，而是用數(shù)模轉(zhuǎn)換器(DAC)在單片機(jī)控制下進(jìn)行反饋。這樣結(jié)合算法，可以穩(wěn)定快速實(shí)現(xiàn)電橋平衡。以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種平衡電橋,其特征在于,包括一輸入信號(hào)源、一參考阻抗、一待測阻抗、一電橋平衡模塊和一平衡控制模塊； 所述待測阻抗通過所述參考阻抗連接在所述輸入信號(hào)源，用于獲得電流矢量； 所述電橋平衡模塊包括參考阻抗電流提取單元和待測阻抗電流提取單元，用于向所述平衡控制模塊提供電橋輸出電壓； 所述參考阻抗電流提取單元耦合至所述參考阻抗的兩端，所述待測阻抗電流提取單元耦合至所述待測阻抗的兩端，所述參考阻抗電流提取單元和待測阻抗電流提取單元的輸出端口均為電橋輸出電壓輸出端口； 所述平衡控制模塊包括電壓檢測模塊、反饋電路模塊和單片機(jī)； 所述電壓檢測模塊的一端與所述電橋輸出電壓輸出端口相連，另一端連接在所述單片機(jī)，用于檢測所述電橋輸出電壓是否為零，并將檢測結(jié)果傳送至所述單片機(jī)； 所述單片機(jī)一端與所述電壓檢測模塊相連，另一端連接在所述反饋電路模塊，所述反饋電路模塊耦合至所述待測阻抗電流提取單元，形成一控制鏈路，用于在所述電橋輸出電壓不為零時(shí)，對(duì)所述待測阻抗電流提取單元進(jìn)行電壓反饋，實(shí)現(xiàn)電橋平衡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平衡電橋，其特征在于所述輸入信號(hào)源為數(shù)字合成直接波形發(fā)生器，其與所述單片機(jī)相連，并在所述單片機(jī)控制下，為所述參考阻抗提供輸入電流。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平衡電橋，其特征在于所述待測阻抗的一端連接所述參考阻抗，另一端的連接方式選自接地、懸浮或與其他阻抗串聯(lián)的其中一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平衡電橋，其特征在于所述參考阻抗電流提取單元進(jìn)一步包括一差分放大器和一參考電流提取電阻；所述差分放大器的兩個(gè)輸入端分別連接在所述參考阻抗的兩端，用于獲得所述參考阻抗上的電壓，輸出端與所述參考電流提取電阻相連；所述參考電流提取電阻一端連接在所述差分放大器的輸出端，另一端與所述電橋輸出電壓輸出端口相連，用于獲得所述參考阻抗上的參考電流。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平衡電橋，其特征在于所述待測阻抗電流提取單元進(jìn)一步包括一同相調(diào)制器、一正交相調(diào)制器、一同相電流提取電阻以及一正交相電流提取電容；所述同相調(diào)制器的第一和第二輸入端分別連接在所述待測阻抗的兩端，用于獲得所述待測阻抗上的同相電壓，所述同相調(diào)制器的輸出端通過所述同相電流提取電阻連接在所述電橋輸出電壓輸出端口，所述同相調(diào)制器的第三輸入端連接在所述反饋電路模塊，用于獲得所述反饋電路模塊的第一控制電壓；所述正交相調(diào)制器的第一和第二輸入端分別連接在所述待測阻抗的兩端，用于獲得所述待測阻抗上的正交相電壓，所述正交相調(diào)制器的輸出端通過所述正交相電流提取電容連接在所述電橋輸出電壓輸出端口，所述同相調(diào)制器的第三輸入端連接在所述反饋電路模塊，用于獲得所述反饋電路模塊的第二控制電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的平衡電橋，其特征在于所述差分放大器的差分輸入端與所述同相調(diào)制器和所述正交相調(diào)制器的第一和第二輸入端的連接方式均相反。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平衡電橋，其特征在于所述電壓檢測模塊進(jìn)一步包括依次相連的幅值檢測電路和模數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過幅值檢測方式，檢測電橋是否平衡。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的平衡電橋，其特征在于所述幅值檢測電路進(jìn)一步包括依次相連的一乘法器和一低通濾波器；所述低通濾波器通過所述模數(shù)轉(zhuǎn)換器連接在所述單片機(jī)。
9.根據(jù)權(quán)利要求I所述的平衡電橋，其特征在于所述反饋電路模塊進(jìn)一步為一數(shù)模轉(zhuǎn)換器，通過所述單片機(jī)控制所述數(shù)模轉(zhuǎn)換器，對(duì)所述待測阻抗電流提取單元進(jìn)行電壓反饋。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的平衡電橋，其特征在于所述同相調(diào)制器的第一控制電壓的值對(duì)應(yīng)所述待測阻抗的阻值的實(shí)部，所述正交相調(diào)制器的第二控制電壓的值對(duì)應(yīng)所述待測阻抗的阻值的虛部。
全文摘要
一種平衡電橋，包括一輸入信號(hào)源、一參考阻抗、一待測阻抗、一電橋平衡模塊和一平衡控制模塊；參考阻抗與待測阻抗串聯(lián)并與輸入信號(hào)源相連，用于獲得電流矢量；電橋平衡模塊包括參考阻抗電流提取單元和待測阻抗電流提取單元，用于向所述平衡控制模塊提供電橋輸出電壓；參考阻抗電流提取單元耦合至參考阻抗的兩端，待測阻抗電流提取單元耦合至待測阻抗的兩端，電橋平衡模塊的輸出端口即為電橋輸出電壓輸出端口；平衡控制模塊包括電壓檢測模塊、反饋電路模塊和單片機(jī)；電壓檢測模塊的一端與電橋輸出電壓輸出端口相連，另一端連接在單片機(jī)，單片機(jī)一端與電壓檢測模塊相連，另一端連接在反饋電路模塊，反饋電路模塊耦合至待測阻抗電流提取單元。
文檔編號(hào)G01R17/00GK102662109SQ20121011028
公開日2012年9月12日 申請(qǐng)日期2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年4月16日
發(fā)明者胥飛 申請(qǐng)人:上海電機(jī)學(xué)院