基于数字比例技术的高精度交流电桥研究

发布时间：2021-07-20 05:22

　　提出了一种基于数字比例技术的高精度交流电桥设计,该电桥能在100 Hz～100 kHz频率范围内实现四端对标准电阻、电感及电容的高精度比较测量。提出的新型高隔离度模拟开关电路能在保证电桥测量精度的前提下,提高电桥的测量速度。桥路的负反馈环路能克服数字信号源的有限分辨率对电桥的平衡时间和平衡精度影响,进一步优化测量过程。基于电桥的分布参数模型,分析了电桥在平衡过程中所产生的泄露电流对数字比例的影响,并提出修正方法。该数字交流电桥在1 kHz频率下测量两路矢量电压典型幅值比的标准不确定度可达6μV/V,相位差标准不确定度10μrad,在典型频率与量程范围内的阻抗量值相对测量不确定度优于3×10^-5（k=3）。 

【文章来源】：仪器仪表学报. 2020,41(07)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

数字交流电桥原理

图2所示为测量四端对标准阻抗的单通道数字阻抗电桥改进方案,Zn代表标准阻抗,Zx代表待测阻抗,线路中加入扼流圈确保同轴线芯皮电流等大反向,减小电流泄露造成的影响。A1、A2是功率放大器,提高信号源的驱动能力。放大器A3和注入变压器TR构成自动负反馈辅助平衡环路,其中A3是负反馈环路增益放大环节,注入变压器TR的变比为10∶1。单刀双掷模拟开关(K1、K2、K3和K4)用于切换两个阻抗高低电压端信号。开关挂载的匹配阻抗(Z1、Z2、Z3和Z4)与跟随器(A5和A6)的输入阻抗(Z5、Z6)相等,当模拟开关切换信号时,可以避免平衡桥路的电位的波动,提高测量稳定性。采用单通道A/D采样建立数字比例技术,可避免不同采样器的非线性失真对数字比例的影响。电桥采用NI- 5922作为数字采样设备,其输入端采用全差分模式,且采样器的10 MHz参考时钟与可调信号源DDS的参考时钟相同。受DDS分辨率影响,电桥Wanger平衡条件不完善时,对中高阻测量有较大影响。加入放大器A3和TR构成的负反馈环路能降低不平衡影响,因:

式中:当增益系数a趋于+∞时,中心点电位V n L 必然趋于0。如图3所示,图中V n L 初始电位在1 mV量级,当a为104量级时,V n L 点电位可降至10-6量级,从而使得DDS信号源的有限分辨率的影响降至足够低。传统的阻抗电桥因V n L 与V x L 之间存在引线电阻,需要执行Kelvin平衡,在该电桥中,当开关K1和K3处于导通,K2和K4处于截至时,两个跟随器的输出电压差为V x Η -V x L ,而当K1和K3处于截至状态,K2和K4处于导通时,输出电压差为V n Η -V n L ,虽然V n L -V x L ≠0,电桥也仍旧满足:

【参考文献】：
期刊论文
[1]基于PJVS的交流量子电压比例研究[J]. 周天地,贾正森,杨雁,石照民,徐熙彤.  仪器仪表学报. 2020(02)
[2]基于保角变换的微小电容标准建模与设计[J]. 吴晓媛,杨雁,贺青,迟宗涛.  仪器仪表学报. 2019(09)



本文编号：3292218