CN111707869A - 能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种结构简单、测量效率高且精密高的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置。本发明微处理器控制板（1）、信号处理板（2）和通道切换电路板（3），微处理器控制板（1）与信号处理板（2）之间通过隔离耦合的方式连接，微处理器控制板（1）设置有信号源（11）、MCU（12）和系统电源（13），系统电源（13）为整个装置供电，信号处理板（2）上装置有DC信号源转换模块（22）、信号匹配通道切换模块（23）、信号增益调整放大电路（24）和ADC模数转换模块（25），从外围的信号源隔离耦合进入的AC激励信号以及DC信号源转换模块均与信号匹配通道切换模块连接。本发明可应用于测试领域。

Description

能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置

技术领域

本发明涉及测试领域，尤其涉及一种用于测量具备低耐压（工作电压＜5V）特性且阻抗范围达到50MΩ到100TΩ（50×10⁶～100×10¹²欧姆）的精密器件的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置。

背景技术

现有技术中，阻抗测量基本都是采用静电计、SMU、皮安计+电压源、高阻计等方法。静电计的测量方式需要配置电压源或电流源，所以高阻的精密测试都是使用外接一台电压源（源表）加静电计或是皮安计的方法实现，从而获得测量电压或电流，使用欧姆定律最终计算出阻值。目前在测量超高电阻，采用较多的方法是图1、图2，使用源表（电压源、电流源）和静电计的仪表测试方法，可以直接获得测试值。以图1、图2 所示测试方法为通用的静电计(静电电压表)、高阻计仪器仪表实现的高电阻测量，它们的特点是静电计(静电电压表)和激励源(电压源或电流源)是分开的两部分。另外市面上较为流行的高阻测量仪器，型号为B2985A等仪器设备，将源表和静电计综合在一台仪器中，然后通过仪表专用配套适配器连接测量高阻，直接可以在仪表面板上读取测试值，不用再另外计算。

但现有技术的缺点是，测量＞GΩ的高阻时，因为噪声和干扰等因素的存在，仪器要求的稳定时间比较长，当测量未知阻抗器件时，就会存在信号源（电压源、电流源）档位参数设置调整，档位的每一次切换都会伴随很长的稳定时间，这样就会降低测量的效率，尤其是在批量生产的自动化装备中，这个劣势会更加明显；另外仪表固有的标准化特征降低了测试的灵活性，很难实现测量设备的嵌入式开发应用；使得应用成本增高局限性增大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种结构简单、测量效率高且精密高的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置。

本发明所采用的技术方案是，该装置包括微处理器控制板、信号处理板和通道切换电路板，所述微处理器控制板与所述信号处理板之间通过隔离耦合的方式连接，所述微处理器控制板设置有信号源、MCU和系统电源，所述系统电源为整个装置供电，所述信号处理板上装置有DC信号源转换模块、信号匹配通道切换模块、信号增益调整放大电路和ADC模数转换模块，所述DC信号源转换模块与所述信号匹配通道切换模块连接，所述信号匹配通道切换模块输出信号到所述通道切换电路板，所述信号增益调整放大电路和所述ADC模数转换模块依次连接，所述信号增益调整放大电路对通道切换电路板输出的取样信号进行增益调整放大，所述ADC模数转换模块将信号通过隔离耦合的方式输出到所述微处理器控制板上，所述通道切换电路板包括含有多档位的分流取样电阻、多档电阻选择开关和第二仪表运放器，待测产品设置在所述通道切换电路板上并通过所述多档电阻选择开关与所述分流取样电阻相连接。

所述微处理器控制板与所述信号处理板之间通过正弦信号隔离装置、SPI隔离装置和端口隔离装置分别实现模拟信号隔离、数字信号隔离和控制信号隔离。

所述DC信号源转换模块采用DAC数模转换模块对直流输出进行设定，所述DC信号源转换模块还包括基准电源、高精分压器及通道切换器，所述基准电源与所述高精分压器连接，所述高精分压器的输出端与所述通道切换器连接，所述通道切换器输出两路，一路为直流正电压输出，一路为直流负电压输出，该两路输出通过第四继电器切换后输入到所述通道切换电路板。

所述信号匹配通道切换模块包括第三继电器、第四继电器以及设置在所述通道切换电路板上的第一电子开关和第二电子开关，所述第一电子开关和所述第二电子开关对输入的交流信号、直流正压信号和直流负压信号进行选择切换。

所述信号增益调整放大电路包括由第十一仪表放大器和第十三仪表放大器组成的取样信号增益放大电路和由第十七仪表放大器和电压比较器组成的放大增益比较判断电路。

所述ADC模数转换模块为采集器。

所述分流取样电阻分为四个档位，分别为Rs1=100MΩ，Rs2=1GΩ，Rs3=100GΩ，Rs4=1TΩ。

在所述第二仪表运放器的负输入极与所述待测产品的非接低端之间还设置有保护环，所述待测产品的外围设置有电磁屏蔽盒。

所述系统电源由UD1～UD6六块电源芯片组成。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明能够自动设置测量50MΩ～100TΩ以内的高阻抗、低耐压的部件、材料。与现有技术相比，可以使用低电压源测量获得精度更高、测量速度更快、抗干扰能力更强的优势。并且本发明方法的硬件实现体积小、成本低，所以本发明测量方法设计做出来的设备，体积小，易于实现此类高阻材料在量化生产时的高精度准确测试，也适用于产品研发阶段的验证测试。

附图说明

图1是现有技术中采用静电计和外部电压源进行高阻测量的简易原理图；

图2是现有技术中采用静电计和外部电流源进行高阻测量的简易原理图；

图3是本发明的简易系统结构框图；

图4是本发明的等效电路原理简图；

图5是图3的系统结构框图的电路原理图；

图6是所述正弦信号隔离装置的电路原理图；

图7是所述SPI隔离装置的电路原理图；

图8是所述端口隔离装置的电路原理图；

图9是所述ADC模数转换模块的电路原理图；

图10是所述DC信号源转换模块的电路原理图；

图11是所述基准电源和高精分压器的电路原理图；

图12是所述通道切换器的电路原理图；

图13是所述第一电子开关的电路原理图；

图14是所述第二电子开关的电路原理图；

图15是所述信号增益调整放大电路的电路原理图；

图16是所述通道切换电路板的电路原理图；

图17是所述系统电源第一部分的电路原理图；

图18是所述系统电源第二部分的电路原理图；

图19是所述系统电源第三部分的电路原理图；

图20是所述系统电源第四部分的电路原理图；

图21是所述系统电源第五部分的电路原理图；

图22是所述系统电源第六部分的电路原理图；

图23是所述电磁屏蔽盒的电路原理图。

具体实施方式

如图3-5所示，本发明所述装置包括微处理器控制板1、信号处理板2和通道切换电路板3，所述微处理器控制板1与所述信号处理板2之间通过隔离耦合的方式连接，所述微处理器控制板1设置有信号源11、MCU12和系统电源13，所述系统电源13为整个装置供电。在本实施例中，MCU12的型号为STM32F103ZET6。所述信号处理板2上装置有DC信号源转换模块22、信号匹配通道切换模块23、信号增益调整放大电路24和ADC模数转换模块25，所述DC信号源转换模块22与所述信号匹配通道切换模块23连接，从外围的信号源11隔离耦合进入的AC激励信号21也与所述信号匹配通道切换模块23连接，所述信号匹配通道切换模块23输出信号到所述通道切换电路板3，所述信号增益调整放大电路24和所述ADC模数转换模块25依次连接，为了滤波，在所述信号增益调整放大电路24和所述ADC模数转换模块25之间还设置有带通滤波器26，该带通滤波器的芯片型号为AD8422BRMZ。所述信号增益调整放大电路24对通道切换电路板3输出的取样信号进行增益调整放大，所述ADC模数转换模块25将信号通过隔离耦合的方式输出到所述微处理器控制板1上，所述通道切换电路板3包括跨导分流器32、含有多档位的分流取样电阻Rs、多档电阻选择开关UK1和第二仪表运放器U2，待测产品Rx设置在所述通道切换电路板3上并通过所述跨导分流器32分别与所述多档电阻选择开关UK1及所述分流取样电阻Rs相连接。在本实施例中，跨导分流器选自型号为ADA4530-1的飞安级输入偏置电流静电计。

所述微处理器控制板1与所述信号处理板2之间通过正弦信号隔离装置U18、SPI隔离装置U9和端口隔离装置U16分别实现模拟信号隔离、数字信号隔离和控制信号隔离。所述DC信号源转换模块22采用DAC数模转换模块U10对直流输出进行设定，所述DC信号源转换模块22还包括基准电源U22、高精分压器U21及通道切换器U15，所述基准电源U22与所述高精分压器U21连接，所述高精分压器U21的输出端与所述通道切换器U15连接，所述通道切换器U15输出两路，一路为直流正电压输出，一路为直流负电压输出，该两路输出通过第四继电器K4切换后输入到所述通道切换电路板3。

所述信号匹配通道切换模块23包括第三继电器K3、第四继电器K4以及设置在所述通道切换电路板3上的第一电子开关AD1和第二电子开关AD2，所述第一电子开关AD1和所述第二电子开关AD2对输入的交流信号、直流正压信号和直流负压信号进行选择切换。所述信号增益调整放大电路24包括由第十一仪表放大器U11和第十三仪表放大器U13组成的取样信号增益放大电路和由第十七仪表放大器U17和电压比较器U19组成的放大增益比较判断电路。所述ADC模数转换模块25为采集器U7。所述分流取样电阻Rs分为四个档位，分别为Rs1=100MΩ，Rs2=1GΩ，Rs3=100GΩ，Rs4=1TΩ。在所述第二仪表运放器U2的负输入极与所述待测产品Rx的非接低端之间还设置有保护环SA，所述待测产品Rx的外围设置有电磁屏蔽盒31。所述系统电源13由UD1～UD6六块电源芯片组成。

如图4所示，图中的OP2相当于图5中的U11。其示出了图3所示装置的等效原理图，经过换算得到

I=I_RS=V₀/R_S，R_X=V₁/I，V₁=V_REF。

由上述可得，本发明通过设置改变VREF的电压幅值和改变Rs电阻值的大小，就能够改变被测部件Rx的阻值取值范围，也就是通过设置Rs和V_REF参数就可以调整高阻的测量范围。

如图4所示，当Rs设定一个电阻值后，Rx的变化引起OP1取样的电信号V_AB的变化，图中被测电阻Rx如果增大，输入OP2的V_AB将会减小，当V_AB减小到V_REF的1%～0.5%时，V_AB将会容易受到热噪声、电磁波、共模干扰等影响，从而直接影响到Vo（同后面描述的Vout）以及最终的测量精度；这时就需要放大V_AB的增益，放大后的信号再送到ADC进行数据采集，为了实现增益的可编程调整，本发明OP2选型增益可以控制的仪表放大器，如表2仪表运放的增益控制表，可实现增益可编程控制范围是1到1000倍（G=1～1000）。

如图5至图8所示，其中的信号源11为直接数字合成器（DDS）。因为测试设备系统结构化的需要，把DDS电路和微处理器芯片隔离放入到微处理器控制板中，这样ADC通信的数据流和AC交流正弦激励信号源就要通过隔离芯片耦合输入进来，避免低频共模噪声的传导干扰。如图所示，其中U18是模拟信号的隔离设计，U9是数字信号的隔离设计，U16是控制信号的隔离设计，这种设计方法极大的降低了微处理器等数字芯片带来的开关噪声（数字噪声）干扰；同理，图20中的U4电源模块也是起到隔离高阻测量电路以外，未知的多频谱范围的噪声。

如图17至图22所示，考虑到抗干扰以及传导骚扰引起的噪声，本发明选用单电源输入，双电源±12V，500mA输出的隔离电源模块。本发明设计电路中的运放直流工作区域的电压抑制比表现非常出色，但本发明还要考虑到交流信号因为频率的升高性能降低的特点，为降低电源轨的噪声，本发明选择了共模抑制比表现优秀的LDO芯片LT3042和LT3094作为双电源的稳压输出，用来抑制从隔离电源端产生的开关噪声。

如图9所示，ADC模数转换模块25的选型中，本发明综合考虑到信号采集精度和所需独立信号通道数量，本发明选择AD7175作为数据采集器，24位、250KSPS数据采样率，集成的Σ-Δ型模数转换器适合低带宽的高阻测量信号输入，且内置的数字滤波器能以27.27SPS输出数据速率对50 Hz/60 Hz以及工频的倍频（100Hz/120Hz）进行同步抑制，其抑制能力达到86dB，这样就很好的降低了本发明受到工频噪声的辐射影响。图9中，AIN0和AIN1设为CH1（通道1）差分信号输入，直流DC阻抗测量的信号是从这个通道读取的，AIN2和AIN3设为CH2（通道2）差分信号输入，交流AC阻抗测量的信号是从这个通道读取的，设置的V_REF直流电平和交流正弦波幅值信号都是从AIN4读取，本发明设为CH3（通道3）。

如图10所示，所述DC信号源转换模块采用DAC数模转换器实现，其型号选自AD5663，它是16位、0～5V轨到轨250uA设定、双通道输出。V_REF的测试电压源就是通过这颗芯片的模拟输出通道A进行0～5V的设定，由于芯片输出电流只有250uA，比较小，所以V_REF一路经过U14缓冲器进行阻抗匹配后送入高阻测量回路，另外一路经U12形成保护环电路。U10模拟输出通道B用来设定自动增益控制的比较电平，自动增益翻转控制的实现是由U10的B通道电平和U17输出的取样电平进行逻辑比较。

如图4、图11和图12所示，V_REF的直流电压源有两种供给方式，一种是DAC设定值，可以很方便的满足自控测量的参数设定需求。另外一种较容易实现手动测量控制，U22基准电源芯片ADR4520输出一个2.048V的高精准电压，然后再通U21进行高精分压产生一个1.024V的输出，采用固定1.024V作为源的优点是精度高、温漂小、信噪比高的特点，可以在多台设备的测试数据一致性中反映出来。至于是选择1.024V作为测量信号源还是通过设置DAC的电平参数来作为测量信号源可以根据实际应用通过程序自行设定，如果被测部件的阻抗值是在一个固定的范围内，使用1.024V会更简洁迅速。本发明满足正负阻抗的测量，反相器电路是在测量反相阻抗时用来提供负激励信号源的电路。

如图16所示，在通道切换电路板3上，其中U1为电子开关，其为Rs的通道控制电路，U1、U2两个芯片都采用相同电源轨，±7.5V双电源供电模式，确保直流阻抗可以实现正向阻抗和反相阻抗的测量。为保证电路的高精以及可靠，防止电路环路过长产生的噪声或电磁干扰等因素对核心电路的影响，本发明将核心部分电路单独剥离出来，做成一个完全屏蔽的模组，然后通过连接器连接到测量主板上。

本发明中，在通道切换电路板上，直流阻抗测试和交流阻抗测试需要通过切换继电器的信号通道来实现，直流阻抗测试的V_REF正负电压和交流阻抗测试的V_REF电压都是由图13和图14中的电子开关AD1和AD2来实现切换，然后再经过U14进行信号阻抗匹配后获得满足测量需求的V_REF。

如图3、图4、图5和图15所示，在信号处理板2上，所述信号增益调整放大电路24包括由第十一仪表放大器U11与第十三仪表放大器U13组成的取样信号增益放大电路和由第十七仪表放大器U17与电压比较器U19组成的放大增益比较判断电路。测量通道的取样信号增益调整放大电路U11选用可编程仪表运放（这里选型ADI公司的AD8253，也可以选型其他增益可编程仪放芯片），用来实现1倍、10倍、100倍、1000倍（G=1～1000）四个档位的增益放大。另外，当测量AC交流阻抗的时候，通过切换K2断开RC网络，减少网络对交流信号相位的影响。

本发明有手动和自动两种工作模式，手动时V_REF可以选择使用图11和图12中U21输出的固定值1.024V的电压。如果是自动测量，首先设定好DAC（如图10）U10的电压（默认设置1V±1%），程控仪放U11设置增益为1（G=1），通过继电器控制将设定好的V_REF输入到图16的U2运放同相端。这样就完成了V_REF的正压建立。利用U2运放虚短特性1、2脚的IN+\IN-两端的共模电平都是保持在设定V_REF（或1.024V）不变，所以待测产品Rx两端的电平也保持在设定V_REF上不变，这样被测部件（Rx）、（Rs）、U2运放、V_REF、AGND网络形成一个串联闭合回路，被测量电阻Rx的变化必然会导致图15中U11取样输入电压的变化，当被测量电阻过小，V_out电压会超过5V共模电压，这样U11的输出会被钳位，将不会再继续增大，后端的数据采集ADC会判断为溢出，通过MCU将会调整图16中的U1可编程端口，增大Rs一个档位。反之，如果当被测量电阻过大，V_out电压会是毫伏，可以通过设置DAC电路模拟输出通道B的电平V_{OUT_B}作为程控的判断条件，根据被测阻抗的线性特征，可以实现从10mV到1000mV判断比较参数。从被测部件Rx分流获得的电平由U11的输出差分电平经过U17精密仪放输出后就可以和DAC设定的V_{OUT_B}电平进行比较，也就是Rx的变化会引起Vcomp的电平变化，Vout=Vcomp，正常测量范围内Vcomp＞V_{OUT_B}，只有被测部件阻值增加到Vcomp＜V_{OUT_B}时，U19输出电平翻转，变化的电平会换给到MCU做判断，然后通过MCU调整图15中的U11可编程端口GAIN_A0和GAIN_A1增益控制地址，达到控制U11电压信号的增益放大目的。

综上所述，本发明可以解决50MΩ到100TΩ范围内的自动量程调整测试，达到迅速完成测量的目的。本发明与市场现有的测试技术有较大的区别，采用本发明测量方法设计的设备能够快速准确的完成被测部件的高精度测量，工作性能优越；本发明测试方法极具科学性，按此方法设计做出来的设备，体积小，易于实现此类高阻抗测量需求在量化生产时的高精度准确测试，也适用于产品研发阶段的验证测试和科研攻关等等。

本发明适用于低耐压绝缘材料的表面电阻和体积电阻测试，并且被测器件（材料）的绝缘直流阻抗和交流阻抗这些特征参数都超过G欧姆，甚至达到T欧姆。可以应用于分析类仪器仪表和测量设备，在材料研发过程中的测量、生物医药的阻抗测试、半导体器件的检验、电子产品测试。该技术具有非常易于量化生产测试应用的特点，有利于在实验室或加工厂，获得精准的被测材料阻抗数据，对被测材料进行特性分析和质量监控。

Claims (9)

1.一种能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置，其特征在于：该装置包括微处理器控制板（1）、信号处理板（2）和通道切换电路板（3），所述微处理器控制板（1）与所述信号处理板（2）之间通过隔离耦合的方式连接，所述微处理器控制板（1）设置有信号源（11）、MCU（12）和系统电源（13），所述系统电源（13）为整个装置供电，所述信号处理板（2）上装置有DC信号源转换模块（22）、信号匹配通道切换模块（23）、信号增益调整放大电路（24）和ADC模数转换模块（25），所述DC信号源转换模块（22）与所述信号匹配通道切换模块（23）连接，所述信号匹配通道切换模块（23）输出信号到所述通道切换电路板（3），所述信号增益调整放大电路（24）和所述ADC模数转换模块（25）依次连接，所述信号增益调整放大电路（24）对通道切换电路板（3）输出的取样信号进行增益调整放大，所述ADC模数转换模块（25）将信号通过隔离耦合的方式输出到所述微处理器控制板（1）上，所述通道切换电路板（3）包括含有多档位的分流取样电阻（Rs）、多档电阻选择开关（UK1）和第二仪表运放器（U2），待测产品（Rx）设置在所述通道切换电路板（3）上并通过所述多档电阻选择开关（UK1）与所述分流取样电阻（Rs）相连接。

2.根据权利要求1所述的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置，其特征在于：所述微处理器控制板（1）与所述信号处理板（2）之间通过正弦信号隔离装置（U18）、SPI隔离装置（U9）和端口隔离装置（U16）分别实现模拟信号隔离、数字信号隔离和控制信号隔离。

3.根据权利要求1所述的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置，其特征在于：所述DC信号源转换模块（22）采用DAC数模转换模块（U10）对直流输出进行设定，所述DC信号源转换模块（22）还包括基准电源（U22）、高精分压器（U21）及通道切换器（U15），所述基准电源（U22）与所述高精分压器（U21）连接，所述高精分压器（U21）的输出端与所述通道切换器（U15）连接，所述通道切换器（U15）输出两路，一路为直流正电压输出，一路为直流负电压输出，该两路输出通过第四继电器（K4）切换后输入到所述通道切换电路板（3）。

4.根据权利要求3所述的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置，其特征在于：所述信号匹配通道切换模块（23）包括第三继电器（K3）、第四继电器（K4）以及设置在所述通道切换电路板（3）上的第一电子开关（AD1）和第二电子开关（AD2），所述第一电子开关（AD1）和所述第二电子开关（AD2）对输入的交流信号、直流正压信号和直流负压信号进行选择切换。

5.根据权利要求1所述的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置，其特征在于：所述信号增益调整放大电路（24）包括由第十一仪表放大器（U11）和第十三仪表放大器（U13）组成的取样信号增益放大电路和由第十七仪表放大器（U17）和电压比较器（U19）组成的放大增益比较判断电路。

6.根据权利要求1所述的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置，其特征在于：所述ADC模数转换模块（25）为采集器（U7）。

7.根据权利要求1所述的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置，其特征在于：所述分流取样电阻（Rs）分为四个档位，分别为Rs1=100MΩ，Rs2=1GΩ，Rs3=100GΩ，Rs4=1TΩ。

8.根据权利要求1所述的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置，其特征在于：在所述第二仪表运放器（U2）的负输入极与所述待测产品（Rx）的非接低端之间还设置有保护环（SA），所述待测产品（Rx）的外围设置有电磁屏蔽盒（31）。

9.根据权利要求1所述的能实现自动调整宽测量范围的高阻测量装置，其特征在于：所述系统电源（13）由UD1～UD6六块电源芯片组成。

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