【工程師博客】精確測量阻抗所面臨的挑戰(zhàn)

作者：Gustavo.Castro

需要測量阻抗（電路中電壓和電流之間的關系）的應用需求持續(xù)增加，因此，ADI開發(fā)了多款阻抗測量IC，如AD5933和ADuCM350，這些產(chǎn)品獲得了廣泛的市場認可。然而，這些器件并不能滿足所有應用的需求，設計人員仍然面臨著使用標準組件設計這種測量能力的挑戰(zhàn)。其中一些人面對這些選擇和挑戰(zhàn)可能會有點無所適從。

讓我們從基礎開始，看看現(xiàn)代IC可以做些什么。雖然大多數(shù)人都從電壓電流比的角度來考慮阻抗，但從電路的角度來說，它可以歸結為兩個電壓信號以及一個已知阻抗和一個未知阻抗之間的關系。例如，要通過未知電阻RU施加電流，我們可以將該電阻放置在具有已知電壓vi和第二個已知電阻R的電路中，這會形成一個分壓器，輸出電壓為vo，可針對RU求解：

為了獲得精確比率測量，vo相對于vi來說不應太小，也不應幾乎相等。在用交流信號操作時，這種非常簡單的方法適用于任何阻抗，但隨著頻率提高，容易產(chǎn)生測量誤差和電路寄生效應。

另一個典型的例子是將已知和未知的電路元件放置在惠斯通電橋中，并通過調整可變元件使輸出信號為零。在平衡點（信號為零時），可以使用已知的電橋元件值來計算未知阻抗。這種方法得到的結果非常精確，但需要對體積大、價格昂貴的可變電容、電感和電阻進行手動操作，因此在許多應用中都不實用。

與經(jīng)典方法相比，改進方法包括電橋的自動化和電阻元件的使用。這可以通過插入一個控制元件代替零值檢波器來驅動電橋的一個臂。這種方法被稱為“自動平衡電橋”，可以通過一個簡單的運算放大器來實現(xiàn)。由于這種方法使零點幾乎保持恒定，因此降低了測量未知阻抗上電壓的CMRR要求。運算放大器雖然簡單，但需要在整個頻率范圍內(nèi)保持高增益，并且它的輸出應該能處理電源輸出的電流。一些選擇可用于在高達10MHz或以上的頻率下測量阻抗，如LTC6268、ADA4817-1、LTC6252和ADA4625-1。AD8250、AD8251、AD8429或AD8421等高速儀表放大器可以使用差分法檢測未知電壓，從而避免產(chǎn)生寄生效應，并減少因運算放大器零點誤差而引起的測量誤差。

下一個挑戰(zhàn)是尋找已知阻抗和未知阻抗發(fā)出的信號之間的幅度和相位關系。18位精度的高速ADC（如AD4003或LTC2387-18）讓設計人員能夠對這些波形進行數(shù)字化處理，以提取他們在數(shù)字域的關系。與在模擬域進行同樣的操作相比，這種方式有幾個優(yōu)點：獲得的結果更精確、PCB面積更小且系統(tǒng)更可靠。最后，使用AD9834等DDS芯片形成測量前端，可以大大簡化激勵信號的產(chǎn)生過程。

您在設計阻抗測量系統(tǒng)時遇到過類似挑戰(zhàn)嗎？您正在處理包含這些挑戰(zhàn)的項目嗎？請告訴我們！

本文轉自：【工程師博客】精確測量阻抗所面臨的挑戰(zhàn)