采用任意周期信号激励的阻抗参数测量方法

    1　引　言

    阻抗参数测量在传感器、仪器仪表及印刷电路分布参数分析技术中占据非常重要的地位,目前阻抗测量技术已经从电桥、谐振法等传统方法发展到矢量阻抗法、幅值相位差法等现代数字测量技术[1~3]。然而现有的数字化阻抗测量方法都要求激励信号是低失真度的正弦波信号。频率较高的低失真度正弦信号很难获得,这限制了测量精度的提高和测量范围的扩大。本文利用数字信号处理理论与技术提出了一种新的阻抗参数的高精度测量算法,该算法的主要特点是:(1)激励信号可以是大失真度的正弦波,也可以是方波或三角波等其它任意周期信号(只要保证测量信号的频谱是离散的线谱,便于数字滤波),并且激励信号的信噪比门限可以很低(SNR≤5 dB);(2)采用镜频抑制比很高的数字正交采样滤波算法得到同相序列与正交序列并据此来确定被测阻抗与元件参数;(3)采用具有高选频性能和线性相位特性的数字滤波算法,信号的动态范围进一步提高(特别是当被测阻抗上的信号电压或电流很微弱时,也能取得好的测量精度),阻抗参数测量范围也大大拓展。本文对新的阻抗参数测量算法进行了理论推导、仿真分析和实验验证,证实了新方法在激励信号为低信噪比的非正弦周期信号(方波)的情况下,仍能得到比现有数字阻抗测量方法高的元件参数(RLC参数)测量精度。与文献[4]提出的基于方波信号的阻抗参数测量方法相比,本文的阻抗参数测量方法具备简单易实现、以及更高的测量精度等特点。新方法可作为一种一般的高精度的阻抗测量方法加以推广应用。

    2　测量方法

    2·1　传统的阻抗参数测量原理

    图1的阻抗测量电路中,Z_x为被测阻抗元件(电阻、电容或电感),R₀为已知标准电阻。

    图中u(t)为测量激励信号,在传统的测量电路中该信号为正弦信号,u₁(t)为被测元件上电压信号,A₁和A₂为差动放大器。为使信号的幅度A₁和相位信息φ₁(t)不丢失,采用其解析表达式:u₁(t)=I₁(t)+jQ₁(t),其中I₁(t)=A₁cosφ₁(t)cos(ω₀t)和Q₁(t)=A₁sinφ₁(t)sin(ω0t)分别为信号u₁(t)的同相分量和正交分量。u₂(t)为标准电阻上电压信号,其解析表达式可表示为:u₂(t)=I₂(t)+jQ₂(t),其中I₂(t)=A₂cosφ₂(t)cos(ω₀t)和Q₂(t)=A₂sinφ₁(t)sin(ω₀t)分别为信号u₂(t)的同相分量和正交分量。则阻抗参数可用任意时刻t的电压信号u₁(t)和u₂(t)确定: