【工程师博客】精确测量阻抗所面临的挑战

作者:Gustavo.Castro

需要测量阻抗(电路中电压和电流之间的关系)的应用需求持续增加,因此,ADI开发了多款阻抗测量IC,如AD5933和ADuCM350,这些产品获得了广泛的市场认可。然而,这些器件并不能满足所有应用的需求,设计人员仍然面临着使用标准组件设计这种测量能力的挑战。其中一些人面对这些选择和挑战可能会有点无所适从。

让我们从基础开始,看看现代IC可以做些什么。虽然大多数人都从电压电流比的角度来考虑阻抗,但从电路的角度来说,它可以归结为两个电压信号以及一个已知阻抗和一个未知阻抗之间的关系。例如,要通过未知电阻RU施加电流,我们可以将该电阻放置在具有已知电压vi和第二个已知电阻R的电路中,这会形成一个分压器,输出电压为vo,可针对RU求解:

为了获得精确比率测量,vo相对于vi来说不应太小,也不应几乎相等。在用交流信号操作时,这种非常简单的方法适用于任何阻抗,但随着频率提高,容易产生测量误差和电路寄生效应。

另一个典型的例子是将已知和未知的电路元件放置在惠斯通电桥中,并通过调整可变元件使输出信号为零。在平衡点(信号为零时),可以使用已知的电桥元件值来计算未知阻抗。这种方法得到的结果非常精确,但需要对体积大、价格昂贵的可变电容、电感和电阻进行手动操作,因此在许多应用中都不实用。

与经典方法相比,改进方法包括电桥的自动化和电阻元件的使用。这可以通过插入一个控制元件代替零值检波器来驱动电桥的一个臂。这种方法被称为“自动平衡电桥”,可以通过一个简单的运算放大器来实现。由于这种方法使零点几乎保持恒定,因此降低了测量未知阻抗上电压的CMRR要求。运算放大器虽然简单,但需要在整个频率范围内保持高增益,并且它的输出应该能处理电源输出的电流。一些选择可用于在高达10MHz或以上的频率下测量阻抗,如LTC6268、ADA4817-1、LTC6252和ADA4625-1。AD8250、AD8251、AD8429或AD8421等高速仪表放大器可以使用差分法检测未知电压,从而避免产生寄生效应,并减少因运算放大器零点误差而引起的测量误差。

下一个挑战是寻找已知阻抗和未知阻抗发出的信号之间的幅度和相位关系。18位精度的高速ADC(如AD4003或LTC2387-18)让设计人员能够对这些波形进行数字化处理,以提取他们在数字域的关系。与在模拟域进行同样的操作相比,这种方式有几个优点:获得的结果更精确、PCB面积更小且系统更可靠。最后,使用AD9834等DDS芯片形成测量前端,可以大大简化激励信号的产生过程。

您在设计阻抗测量系统时遇到过类似挑战吗?您正在处理包含这些挑战的项目吗?请告诉我们!

本文转自:【工程师博客】精确测量阻抗所面临的挑战

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