精確測量阻抗的挑戰(zhàn)

為了應(yīng)對要求阻抗測量的應(yīng)用（電路中流動的電壓和電流之間的關(guān)系）的上升趨勢，ADI開發(fā)了AD5933和ADuCM350等阻抗測量IC，這些產(chǎn)品已獲得廣泛的市場認可。然而， 這些 部分 并 不能 滿足 每 個 應(yīng)用 的 要求， 設(shè)計 人員 仍然 面臨 使用 標準 組 件 設(shè)計 這種 測量 能力 的 挑戰(zhàn)。對某些人來說，選擇和挑戰(zhàn)可能有點壓倒性。

讓我們從基礎(chǔ)開始，看看現(xiàn)代IC可以做什么。盡管大多數(shù)人從電壓電流比的角度考慮阻抗，但在電路術(shù)語中，它歸結(jié)為兩個電壓信號以及已知阻抗和未知阻抗之間的關(guān)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。這形成了一個輸出電壓 vo 的分壓器，可以針對 RU 求解：

為了獲得準確的比率測量值，vo 相對于 vi 不應(yīng)太小，也不應(yīng)幾乎相等。當使用交流信號工作時，這種看似簡單的方法適用于任何阻抗，但隨著頻率的增加，容易產(chǎn)生測量誤差和電路寄生效應(yīng)。

另一個經(jīng)典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(diào)整可變元件來調(diào)零輸出信號。在平衡點（信號為零的地方），可以使用已知的橋元件值計算未知阻抗。這種方法產(chǎn)生非常準確的結(jié)果，但需要手動操作笨重且昂貴的可變電容器、電感器和電阻器，這使得它在許多應(yīng)用中不切實際。

對經(jīng)典方法的改進包括自動化電橋和使用電阻元件。這可以通過插入控制元件代替零點檢測器來驅(qū)動橋的一條腿來實現(xiàn)。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)。由于它將零點幾乎保持在恒定值，因此降低了測量未知阻抗兩端電壓的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，其輸出應(yīng)處理來自電源的電流。LTC6268、ADA4817-1、LTC6252 和 ADA4625-1 等少數(shù)選擇可用于頻率高達 10MHz 或更高的阻抗測量。AD8250、AD8251、AD8429或AD8421等高速儀表放大器可以差分檢測未知電壓，避免寄生效應(yīng)并減輕運算放大器零誤差引起的誤差。

下一個挑戰(zhàn)是找到來自已知阻抗和未知阻抗的信號之間的幅度和相位關(guān)系。AD18 或 LTC4003-2387 等高速、18 位精密 ADC 使設(shè)計人員能夠?qū)Σㄐ芜M行數(shù)字化處理，以提取它們在數(shù)字域中的關(guān)系。與在模擬域中執(zhí)行相同的操作相比，這有幾個優(yōu)點，可以產(chǎn)生更準確的結(jié)果、更小的PCB面積和更強大的系統(tǒng)。最后，通過使用AD9834等DDS芯片完成測量前端，可以大大簡化激勵信號的生成。

在設(shè)計阻抗測量系統(tǒng)時，您是否遇到過類似的挑戰(zhàn)？您是否正在完成一個面臨這些挑戰(zhàn)的項目？讓我們知道！

審核編輯：郭婷