作者：Gustavo.Castro

需要測(cè)量阻抗（電路中電壓和電流之間的關(guān)系）的應(yīng)用需求持續(xù)增加，因此，ADI開(kāi)發(fā)了多款阻抗測(cè)量IC，如AD5933和ADuCM350，這些產(chǎn)品獲得了廣泛的市場(chǎng)認(rèn)可。然而，這些器件并不能滿足所有應(yīng)用的需求，設(shè)計(jì)人員仍然面臨著使用標(biāo)準(zhǔn)組件設(shè)計(jì)這種測(cè)量能力的挑戰(zhàn)。其中一些人面對(duì)這些選擇和挑戰(zhàn)可能會(huì)有點(diǎn)無(wú)所適從。

讓我們從基礎(chǔ)開(kāi)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(lái)考慮阻抗，但從電路的角度來(lái)說(shuō)，它可以歸結(jié)為兩個(gè)電壓信號(hào)以及一個(gè)已知阻抗和一個(gè)未知阻抗之間的關(guān)系。例如，要通過(guò)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(gè)已知電阻R的電路中，這會(huì)形成一個(gè)分壓器，輸出電壓為vo，可針對(duì)RU求解：

為了獲得精確比率測(cè)量，vo相對(duì)于vi來(lái)說(shuō)不應(yīng)太小，也不應(yīng)幾乎相等。在用交流信號(hào)操作時(shí)，這種非常簡(jiǎn)單的方法適用于任何阻抗，但隨著頻率提高，容易產(chǎn)生測(cè)量誤差和電路寄生效應(yīng)。

另一個(gè)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(guò)調(diào)整可變?cè)馆敵鲂盘?hào)為零。在平衡點(diǎn)（信號(hào)為零時(shí)），可以使用已知的電橋元件值來(lái)計(jì)算未知阻抗。這種方法得到的結(jié)果非常精確，但需要對(duì)體積大、價(jià)格昂貴的可變電容、電感和電阻進(jìn)行手動(dòng)操作，因此在許多應(yīng)用中都不實(shí)用。

與經(jīng)典方法相比，改進(jìn)方法包括電橋的自動(dòng)化和電阻元件的使用。這可以通過(guò)插入一個(gè)控制元件代替零值檢波器來(lái)驅(qū)動(dòng)電橋的一個(gè)臂。這種方法被稱為“自動(dòng)平衡電橋”，可以通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的運(yùn)算放大器來(lái)實(shí)現(xiàn)。由于這種方法使零點(diǎn)幾乎保持恒定，因此降低了測(cè)量未知阻抗上電壓的CMRR要求。運(yùn)算放大器雖然簡(jiǎn)單，但需要在整個(gè)頻率范圍內(nèi)保持高增益，并且它的輸出應(yīng)該能處理電源輸出的電流。一些選擇可用于在高達(dá)10MHz或以上的頻率下測(cè)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(cè)未知電壓，從而避免產(chǎn)生寄生效應(yīng)，并減少因運(yùn)算放大器零點(diǎn)誤差而引起的測(cè)量誤差。

下一個(gè)挑戰(zhàn)是尋找已知阻抗和未知阻抗發(fā)出的信號(hào)之間的幅度和相位關(guān)系。18位精度的高速ADC（如AD4003或LTC2387-18）讓設(shè)計(jì)人員能夠?qū)@些波形進(jìn)行數(shù)字化處理，以提取他們?cè)跀?shù)字域的關(guān)系。與在模擬域進(jìn)行同樣的操作相比，這種方式有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：獲得的結(jié)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(cè)量前端，可以大大簡(jiǎn)化激勵(lì)信號(hào)的產(chǎn)生過(guò)程。

您在設(shè)計(jì)阻抗測(cè)量系統(tǒng)時(shí)遇到過(guò)類似挑戰(zhàn)嗎？您正在處理包含這些挑戰(zhàn)的項(xiàng)目嗎？請(qǐng)告訴我們！

本文轉(zhuǎn)自：【工程師博客】精確測(cè)量阻抗所面臨的挑戰(zhàn)
審核編輯：何安