[发明专利]一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器

说明书

一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器，都包括频率可调的正弦激励信号源、激励信号调理电路、至少2通道的同步模数转换器(ADC)、单片机、上位机，后者还包括标准电阻。两仪器共同的主要特征是：(1)频率可调的正弦激励信号源可输出低至0.01Hz的正弦激励信号；(2)都采用适宜2‑3个周期甚至更短正弦信号的方法精确估计两正弦信号的幅值和初相位参数。两仪器分别在低频电路的频响测试、生化材料的低频复阻抗特性测试等方面有应用前景。

技术领域

本申请涉及一种频响测试仪器和一种复阻抗测试仪器。

频响图，又叫波德图(Bode)，包括幅频响应和相频响应，是线性系统完整特性的一种表征方法。幅频响应图的横轴为频率，纵轴为频率分量经过系统的增益；相频响应图的横轴为频率，纵轴为频率分量经过系统产生的相移。

复阻抗是反映一段无源电路或无源二端网络电性质的物理量。在交流电路的复数解法中，把电压电流等简谐量都用其对应复数表示，分别称为复电压、复电流，因此电压和电流的比值也同为复数，称之为复阻抗，单位为欧(Ω)。

复阻抗的代数式表为Z＝R+jX，其实部R称为有功电阻或简称电阻，虚部X称为电抗。纯电阻的复阻抗Z＝R，纯电感元件的复阻抗Z＝jωL，其量值XL＝ωL，称为感抗，纯电容元件的复阻抗Z＝1/jωC＝-j1/ωC，其量值Xc＝1/ωC称为容抗。一个复阻抗的量值是随频率而变化的，因此又有阻抗谱的概念，全称电阻抗谱(EIS)，包括电阻谱和电抗谱；电阻谱的横轴为频率，纵轴为复阻抗的电阻部分，电抗谱横轴也为频率，纵轴为复阻抗的电抗部分。

测试电路频响的仪器，通常又叫网络分析仪，如果给网络分析仪外接一个附件，它也可以用于测试复阻抗或阻抗谱，如Keysight公司的网络分析仪E5061B，它既可以测试电路频响，也可以用于测试复阻抗或阻抗谱。

现在的问题是：目前主流的频响测试仪器或复阻抗测试仪器，都不能覆盖低频频段，如Keysight公司的E5061B，它只能测试≥5Hz频率下的频响或复阻抗。

背景技术

一个典型的频响测试仪器，包括：频率可调整的正弦激励信号源，激励信号调理电路，至少2通道的同步模数转换器(ADC)，单片机，上位机等。信号源输出的一正弦激励信号，经调理电路调理后，通过三通器一方面将其连接到被测电路的输入端作为被测电路的输入，另一方面将其连接到ADC作为ADC的一个输入；同时，将被测电路输出的正弦波也连接到ADC，作为ADC的输入。ADC同步采集被测电路的一对输入输出正弦信号，然后依次送入单片机和上位机，在单片机或上位机上对同步采集的一对输入输出正弦信号进行锁相放大处理，从而得到被测电路在当前频率下的增益G和相移进一步，通过扫频，可得到完整的频响图。

一个典型的复阻抗测试仪器，包括：频率可调整的正弦激励信号源，激励信号调理电路，至少2通道的同步模数转换器(ADC)，单片机，上位机，标准电阻等。信号源输出的一正弦激励信号，经调理电路调理后，作为一个电压加到标准电阻r与被测复阻抗R+jX之串联电路的两端，形成一个回路，在标准电阻和被测复阻抗上产生电流和电压；标准电阻两端产生的电压信号和被测复阻抗两端产生的电压信号，理想情况都为正弦信号，将它们送给ADC进行检测，ADC同步采集这两路正弦波信号，依次送入单片机和上位机，在单片机或上位机上对同步采集的两正弦波信号进行锁相放大处理，从而计算得到当前频率下的被测复阻抗R+jX；进一步，通过扫频，可得到完整的复阻抗谱图。

可以看出，以上频响测试仪器和复阻抗测试仪器的核心技术基本相同，都是对同步采集的两正弦信号通过锁相放大处理，以得到被测电路频响或被测复阻抗阻值的结果。现在的频响和复阻抗主流仪器不能覆盖低频频段的原因在于：实际中同步采集的一频率下的两正弦信号总是有一定噪声，这些仪器的锁相放大处理技术要求所采集正弦波信号的长度至少有4个周期才能保证估计结果的稳定性和准确性；如此以来，它们对低频信号的分析等待时间或者叫时间延迟就太长了，以0.01Hz为例，4个周期意味着400秒，即须等待至少6.7分钟才能算出一个频率点的频响或复阻抗值，所以这些仪器索性不覆盖低频段。