TWI724909B - 具有校正功能之交流阻抗測量電路 - Google Patents

Abstract

本發明係揭露一種具有校正功能之交流阻抗測量電路，其特徵在於只需要一個校正阻抗，再搭配開關電路，依據兩種校正模式的測量結果，即可計算開關電路的等效阻抗、電路的增益以及相位偏移量。依據上述結果，測量模式的測量結果扣掉開關電路的等效阻抗值，即可精確計算待測阻抗之交流電導數值以及交流電導相位值。另外藉由調整輸入弦波信號以及取樣時脈信號的相位差，即可分別取得同相位阻抗數值，以及正交相位的阻抗數值，並計算待測阻抗的交流阻抗值與相位角。

Description

具有校正功能之交流阻抗測量電路

本發明關於一種交流阻抗測量電路，且特別是一種具有校正功能， 並且計算開關電路的等效阻抗，進而補償測量結果，提高測量精密度的測量電路。

交流阻抗測量電路廣泛應用在人體阻抗測量中，讓使用者關注自 身人體脂肪的含量，進而更準確的把握自身的健康狀況。和直流阻抗測量電路相比，雖然直流阻抗測量電路較簡單，但缺點是測量結果包含人體皮膚阻抗，讓人體總阻抗測量結果的準確度變差。交流阻抗測量電路可以降低皮膚阻抗對測量結果的影響，並且準確分析人體等效交流阻抗以及相位特徵。

中國專利第105662411號發明專利中，揭露了一種交流阻抗測 量電路，其中利用正弦電流發生器產生正弦激勵電流，用於施加在待測人體兩端，待測人體兩端產生一正弦電壓信號，經由整流濾波電路的輸出判斷人體等效阻抗。

美國專利第US10,551,469號發明專利中，揭露一種交流阻抗 測量電路以及校正電路，設計兩個校正阻抗和待測物並聯，並且可以用開關切換選擇測量校正阻抗或者待測物的阻抗，又利用校正阻抗的測量結果進行校正，校正測量結果後可提高交流阻抗測量的精確度。

上述之現有技術，交流阻抗測量電路進行校正時，都需要外接2 個校正阻抗，實際應用上並不方便。此外，和待測物串聯之開關本身也具有阻抗，會影響到測量結果的精確度。因此需要更便利的校正電路與校正方法，並且補償開關電路的等效阻抗值，提升實際應用的便利性以及測量的精確度。

本發明揭露一種具有校正功能之交流阻抗測量電路，包含一波形 產生電路，包含一弦波信號輸出端用來輸出一弦波信號，以及一時脈信號輸出端用來輸出一時脈信號；一第一放大器，該第一放大器之正輸入端連接至該弦波信號輸出端；一開關電路，與該第一放大器之負輸入端以及該第一放大器之輸出端相連接；一待測阻抗及一校正阻抗，連接至該開關電路；一第二放大器，該第二放大器之正輸入端連接至一參考電壓，該第二放大器之負輸入端連接至該待測阻抗或該校正阻抗；一參考阻抗，連接於該第二放大器之負輸入端以及該第二放大器之輸出端之間；以及一取樣電路，接收該波形產生電路之該時脈信號，並且連接至該參考阻抗之兩端；其中該開關電路包含複數個開關，藉由控制該些開關，使得該第一放大器和該第二放大器之間連接該待測阻抗或該校正阻抗，或者使該校正阻抗多連接一開關。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路包含：一第一開關， 連接於該第一放大器之負輸入端以及該校正阻抗之間；一第二開關，連接於該第一放大器之負輸入端以及該第一放大器之輸出端之間；一第三開關，連接於該第一放大器之輸出端以及該待測阻抗之間；以及一第四開關，連接於該第一放大器之輸出端以及該校正阻抗之間。

本發明揭露另一種交流阻抗測量電路架構，包含一波形產生電 路，包含一弦波信號輸出端，用來輸出一弦波信號，以及一時脈信號輸出端，用來輸出一時脈信號；一參考阻抗，直接連接至該弦波信號輸出端，或者透過一第一放大器和該弦波信號輸出端連接，其中該第一放大器之正輸入端連接至該弦波信號輸出端，該第一放大器之負輸入端以及該第一放大器之輸出端都連接至該參考阻抗；一第二放大器，該第二放大器之正輸入端連接至一參考電壓，該第二放大器之負輸入端連接至該參考阻抗；一開關電路、一待測阻抗以及一校正阻抗，連接於該第二放大器之負輸入端以及輸出端之間；以及一取樣電路，接收該波形產生電路產生之時脈信號，並且連接至該第二放大器之輸出端，該第二放大器之負輸入端或者該開關電路之內部端點；其中該開關電路包含複數個開關，藉由控制該些開關，使得該第二放大器之負輸入端和該第二放大器之輸出端之間連接該待測阻抗或該校正阻抗，或者使該校正阻抗多連接一開關。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路包含：一第一開關， 其中一端連接至該第二放大器之負輸入端或輸出端，另一端連接至該校正阻抗；一第二開關，其中一端連接至該第二放大器之負輸入端或輸出端；一第三開關，連接於該待測阻抗與該第二開關的另一端之間；以及一第四開關，其中一端連接至該校正阻抗，另一端連接至該第二開關與該第三開關之共同接點。

本發明揭露另一種交流阻抗測量電路架構，包含一波形產生電 路，包含一弦波信號輸出端，用來輸出一弦波信號，以及一時脈信號輸出端，用來輸出一時脈信號；一參考阻抗，直接連接至該弦波信號輸出端，或者透過一第一放大器和該弦波信號輸出端連接，其中該第一放大器之正輸入端連接至該弦波信號輸出端，該第一放大器之負輸入端以及該第一放大器之輸出端都連接至該參考阻抗；一第二放大器，該第二放大器之正輸入端連接至一參考電壓，該第二放大器之負輸入端連接至該參考阻抗；一待測阻抗及一校正阻抗，連接至該第二放大器之負輸入端；一開關電路，連接於該待測阻抗或該校正阻抗以及該第二放大器之輸出端之間；以及一取樣電路，接收該波形產生電路之該時脈信號，並且連接至該第二放大器之負輸入端，又連接至該第二放大器之輸出端或者該開關電路之內部端點；其中該開關電路包含複數個開關，藉由控制該些開關，使得該第二放大器之負輸入端和該第二放大器之輸出端之間連接該待測阻抗或該校正阻抗，或者使該校正阻抗多連接一開關。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路包含：一第一開關， 連接於該第二放大器之輸出端以及該校正阻抗之間；一第二開關，其中一端連接至該第二放大器之輸出端；一第三開關，連接於該待測阻抗與該第二開關的另一端之間；以及一第四開關，其中一端連接至該校正阻抗，另一端連接至該第二開關與該第三開關之共同接點。

本發明之各種交流阻抗測量電路，其中該開關電路包含一第一 校正模式，導通該第二開關以及該第四開關；一第二校正模式，導通該第一開關以及該第四開關；以及一測量模式，導通該第二開關以及該第三開關；另外對於該取樣電路連接至該第二放大器之負輸入端以及輸出端之架構，該第二校正模式可以不用導通該第四開關。

本發明之各種交流阻抗測量電路，其中該波形產生電路包含：一 數位波形合成電路，用來輸出一數位形式弦波信號，以及一數位類比轉換電路，把該數位形式弦波信號轉換成類比形式的該弦波信號。

本發明之各種交流阻抗測量電路，其中該取樣電路包含一數位量 化電路，把類比形式的取樣信號轉換成數位形式的信號。

本發明之各種交流阻抗測量電路，其中藉由調整該弦波信號以及 該時脈信號之相位差，控制該取樣電路之取樣時間點，進而針對該第二放大器之輸出端之信號，取得無相位差異之同相位取樣或積分結果，稱為同相位數值，並且取得相位差90度之正交相位取樣或積分結果，稱為正交相位數值；其中上述之積分結果，可以是針對該時脈信號的一個週期進行積分的結果，或者是針對該時脈信號的前半週期積分數值，再減去針對該時脈信號的後半週期積分數值的結果；並且計算交流電導數值的方式為同相位數值以及正交相位數值之平方和的二分之一次方，以及計算交流電導相位值的方式為正交相位數值除以同相位數值，再代入反正切函數之計算結果。

本發明之各種交流阻抗測量電路，其中藉由調整該弦波信號以及 該時脈信號之相位差，調整該取樣電路之取樣時間點，進而針對該第二放大器之輸出端之信號，取得無相位差異以及相位差180度的取樣或積分結果，兩個積分結果相減取得同相位取樣或積分結果，稱為同相位數值，並且另外取得相位差90度以及相位差270度的取樣或積分結果，兩個積分結果相減取得正交相位取樣或積分結果，稱為正交相位數值；其中上述之積分結果，可以是針對該弦波信號的一個週期進行積分的結果，或者是針對該弦波信號的前半週期積分數值，再減去針對該弦波信號的後半週期積分數值的結果；並且計算交流電導數值的方式為同相位數值以及正交相位數值之平方和的二分之一次方，以及計算交流電導相位值的方式為正交相位數值除以同相位數值，再代入反正切函數之計算結果。

本發明之各種交流阻抗測量電路，更包含利用該第一校正模式以 及該第二校正模式分別取得之交流電導數值的數值差異，以及該校正阻抗之阻抗值，計算該第四開關之等效阻抗值；或者利用該校正阻抗之阻抗值或者該第四開關之等效阻抗值與交流電導數值的比例推算增益；或者該交流阻抗測量電路之相位延遲，即為該第一校正模式取得之交流電導相位值或者該第二校正模式之交流電導相位值；另外該測量模式之交流阻抗測量結果，可以扣掉和該待測阻抗串聯之開關之等效阻抗值，推算精確之該待測阻抗之阻抗值。

本發明之各種交流阻抗測量電路，其中該第四開關之等效阻抗， 其計算方式為該第二校正模式之交流電導數值除以該第一校正模式之交流電導數值，減去1之後再乘以該校正阻抗之電阻值，或者該交流阻抗測量電路之增益為該第二校正模式之電導測量結果乘以該校正阻抗之電阻值；另外對於該取樣電路連接至該第二放大器之負輸入端以及輸出端之架構，該第四開關之等效阻抗之計算方式，為「該第二校正模式之交流電導數值減去該第一校正模式之交流電導數值」，除以「該第一校正模式之交流電導數值乘以2再減去該第二校正模式之交流電導數值」，再乘以該校正阻抗之電阻值，或者該交流阻抗測量電路之增益為該第二校正模式之電導測量結果乘以「該校正阻抗之電阻值加上該第四開關之等效阻抗值」。

本發明之交流阻抗測量電路，如果該第三開關的等效阻抗值和該 第三開關的等效阻抗值越匹配，校正效果越精準。

本段文字提取和編譯本發明的部分特色；其他特色將被描述 於後續段落裏。它的目的是涵蓋包含於其後專利範圍的精神與範圍中，不同的潤飾與相似的安排方式。

本發明將參照下述實施例而更明確地描述。請注意本發明的實 施例的以下描述，僅止於描述用途；這不意味為本發明已詳盡的描述或限制於該揭露之形式。

本發明之第一實施例請參閱第1圖，其顯示一種交流阻抗測量 電路，包含一波形產生電路10，包含一弦波信號輸出端用來輸出一弦波信號，以及一時脈信號輸出端用來輸出一時脈信號；一第一放大器20，該第一放大器20之正輸入端連接至該弦波信號輸出端；一開關電路30，與該第一放大器20之負輸入端以及該第一放大器20之輸出端相連接；一待測阻抗401以及一校正阻抗402，連接至該開關電路30；一第二放大器50，該第二放大器50之正輸入端連接至一參考電壓，該第二放大器50之負輸入端連接至該待測阻抗401以及該校正阻抗402；一參考阻抗403，連接於該第二放大器50之負輸入端以及該第二放大器50之輸出端之間；以及一類比數位轉換電路60，連接至該波形產生電路10之時脈信號輸出端以及該參考阻抗403之兩端。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路30包含：一第一開關 SW1，連接於該第一放大器20之負輸入端以及該校正阻抗402之間；一第二開關SW2，連接於該第一放大器20之負輸入端以及該第一放大器20之輸出端之間；一第三開關SW3，連接於該第一放大器20之輸出端以及該待測阻抗401之間；以及一第四開關SW4，連接於該第一放大器20之輸出端以及該校正阻抗402之間。藉由控制該些開關(SW1~SW4)，使得該第一放大器20和該第二放大器50之間連接該待測阻抗401或該校正阻抗402，或者使該校正阻抗多連接一開關(SW1~SW4)。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路30包含一第一校正模 式，導通該第二開關SW2以及該第四開關SW4；一第二校正模式，導通該第一開關SW1以及該第四開關SW4；以及一測量模式，導通該第二開關SW2以及該第三開關SW3。

上述之該第一校正模式，請參閱第2圖，導通該第二開關SW2以 及該第四開關SW4，讓該第一放大器20之負輸入端透過該第二開關SW2連接至該第一放大器20之輸出端，並且讓該校正阻抗402透過該第四開關SW4連接至該第一放大器20之輸出端。在該第一校正模式中，該第一放大器20之輸出端和該第二放大器50之負輸入端連接該第四開關SW4以及該校正阻抗402，讓該交流阻抗測量電路針對該第四開關SW4之等效阻抗和該校正阻抗402串聯之阻抗值進行測量。

上述之該第二校正模式，請參閱第3圖，導通該第一開關SW1以 及該第四開關SW4，讓該第一放大器20之負輸入端透過該第一開關SW1以及該第四開關SW4連接至該第一放大器20之輸出端，並且讓該校正阻抗402透過該第四開關SW4連接至該第一放大器20之輸出端。在該第二校正模式中，該第一開關SW1以及該第四開關SW4可以視為該第一放大器20的開關電路，因此讓該交流阻抗測量電路針對該校正阻抗402之阻抗值進行測量。

上述之該測量模式，請參閱第4圖，導通該第二開關SW2以及該 第三開關SW3，讓該第一放大器20之負輸入端透過該第二開關SW2連接至該第一放大器20之輸出端，並且讓該待測阻抗401透過該第三開關SW3連接至該第一放大器20之輸出端。在該測量模式中，該交流阻抗測量電路針對該第三開關SW3之等效阻抗和該待測阻抗401串聯之阻抗值進行測量。

上述之交流阻抗測量電路，藉由調整該波形產生電路10之該弦波 信號以及該時脈信號之相位差，控制該類比數位轉換器60的取樣電路601之取樣時間點，進而針對該第二放大器50之輸出端之信號，取得無相位差異之同相位取樣或積分結果，稱為同相位數值，並且取得相位差90度之正交相位取樣或積分結果，稱為正交相位數值。該波形產生電路10產生的弦波信號經過該第一放大器20、該開關電路30、該待測阻抗401或該校正阻抗402、該參考阻抗403以及該第二放大器20之後，該取樣電路601接收信號時會有相位延遲假設為Θ，如果該波形產生電路10輸出的該弦波信號和該時脈信號沒有相位差，則該取樣電路601之取樣時間點和該弦波信號同步，並且和該第二放大器50之輸出端的信號存在相位延遲Θ。該取樣電路601可以在該時間點取樣或者進行一個完整弦波信號周期的積分，如圖5A所示，在無相位差異的狀況下取得之同相位取樣或積分結果，在此稱為ADC1。

上述之交流阻抗測量電路，如果該波形產生電路10的該弦波信號 和該時脈信號存在90度之相位差，則該取樣電路601和該弦波信號相比，取樣時間點會延遲90度的相位，並且和該第二放大器50之輸出端的信號存在相位延遲為Θ+90度。該取樣電路601可以在該時間點取樣或者進行一個完整弦波信號周期的積分，如圖5B所示，在相位差90度的狀況下取得之正交相位取樣或積分結果，在此稱為ADC2。

上述之交流阻抗測量電路，在計算同相位的取樣或積分結果時， 另外可以讓該波形產生電路10輸出的該弦波信號和該時脈信號存在180度之相位差，則該取樣電路601和該弦波信號相比，時序上會延遲180度操作，並且和該第二放大器50之輸出端的信號存在相位延遲Θ+180度。讓該取樣電路601瞬間取樣或者進行一個完整周期的積分，如圖5C所示，該取樣或積分的結果簡稱為ADC3，可以利用「(ADC1-ADC3)/2」之算式計算同相位的取樣或積分結果；同理也可以讓該波形產生電路10輸出的該弦波信號和該時脈信號存在270度之相位差，並且和該第二放大器50之輸出端的信號存在相位延遲Θ+270度。讓該取樣電路601瞬間取樣或者進行一個完整周期的積分，如圖5D所示，該取樣或積分的結果簡稱為ADC4，可以利用「(ADC2-ADC4)/2」之算式計算正交相位的取樣或積分結果。

上述之同相位的取樣或積分結果簡稱為「同相位數值(I)」，正交 相位的取樣或積分結果簡稱為「正交相位數值(Q)」，則計算交流電導數值(Y)的方式為同相位數值I以及正交相位數值Q之平方和的二分之一次方，數學式為「Y=(I ²+Q ²) ^0.5」；並且計算交流電導相位值(Θ)的方式為正交相位數值除以同相位數值，再代入反正切函數之計算結果，數學式為「Θ=tan ^-1(Q/I)」。

上述之積分結果，係針對該弦波信號的一個週期進行積分的結果， 也可以是針對該弦波信號的前半週期積分數值，再減去針對該弦波信號的後半週期積分數值的結果。

上述之交流阻抗測量電路，該第一校正模式的計算結果命名為Y1 以及Θ1，對應於該校正阻抗402以及該第四開關SW4之等效阻抗(簡稱為Rs)並聯的等效電導數值以及電導相位值；該第二校正模式的計算結果命名為Y2以及Θ2，對應於該校正阻抗402的等效電導數值以及電導相位值。該實施例中設該校正阻抗402之阻抗值為5.1K歐姆，則推算該第四開關SW4之等效阻抗Rs之數學式為「Rs=5.1K*((Y2/Y1)-1)」。並且增益G之數學式為「G=5.1K*Y2」。

上述之交流阻抗測量電路，該測量模式的計算結果命名為Y3以及 Θ3，對應於該待測阻抗401以及該第三開關SW3之等效阻抗(簡稱為Rs)並聯的等效電導數值以及電導相位值。在該第三開關SW3和該第四開關SW4的等效阻抗值匹配的情況下，該測量模式的測量結果只要扣掉Rs的阻抗值，就能精確計算該待測阻抗401之阻抗值。因此該待測阻抗之等效阻抗之同相位數值為「I3=Y3*cos(Θ3-Θ1)-Rs」，其中cos()函數代表三角函數中的餘弦函數，至於正交相位數值為「Q3=Y3*sin(Θ3)」，其中sin()函數代表三角函數中的正弦函數；該待測阻抗401之等效串聯電阻值之數學式為「R3=I3=Y3*cos(Θ3)-Rs」，該待測阻抗401之等效串聯電容值之數學式為「C3=1/(2*π*fs*Q3)」，其中fs代表該波形產生電路10輸出的該弦波信號之頻率。

上述之交流阻抗測量電路，也可推算該待測阻抗401之等效並聯 電阻值和電容值，其等效電導值為「Y4=(I3 ²+Q3 ²) ^0.5」，其等效阻抗相位值為「Θ4= tan-1(Q3/I3)」，其同相位數值為「I4=Y4*cos(Θ4)」，其正交相位數值為「Q4=Y4*sin(Θ4)」。該待測阻抗401之等效串聯電容值為「C4=Q4/(2*π*fs)」，等效串聯電阻值為「R4=1/I4」。

本發明之第二實施例請參閱第6圖，其顯示另一種交流阻抗測 量電路，包含一波形產生電路10，用來輸出一弦波信號以及一時脈信號；一第一放大器20，該第一放大器20之正輸入端連接至該波形產生電路10之弦波信號輸出端，該第一放大器20之負輸入端以及該第一放大器20之輸出端皆連接至一參考阻抗403；該參考阻抗403之另一端連接至一開關電路30以及一第二放大器50之負輸入端；該第二放大器50之正輸入端連接至一參考電壓；一待測阻抗以及一校正阻抗，連接於該開關電路30以及該第二放大器50之輸出端之間；以及一類比數位轉換器60，接收該波形產生電路10之時脈信號、該第二放大器50之輸出端以及該第二放大器50之負輸入端之電壓。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路30包含：一第一開關 SW1，連接於該第二放大器50之負輸入端以及該校正阻抗402之間；一第二開關SW2，一端連接於該第二放大器50之負輸入端，另一端和一第三開關SW3以及一第四開關SW4相連接；該第三開關SW3之另一端連接於該待測阻抗401；以及該第四開關SW4之另一端連接於該校正阻抗402。藉由控制該些開關(SW1~SW4)，使得該第二放大器50之負輸入端和該第二放大器50之輸出端之間連接該待測阻抗401或該校正阻抗402，或者使該校正阻抗多連接一開關(SW1~SW4)。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路30包含一第一校正模 式，導通該第二開關SW2以及該第四開關SW4；一第二校正模式，導通該第一開關SW1；以及一測量模式，導通該第二開關SW2以及該第三開關SW3。

上述之該第一校正模式，導通該第二開關SW2以及該第四開關 SW4，讓該第二放大器50之負輸入端透過該第二開關SW2以及該第四開關SW4連接至該校正阻抗402。在該第一校正模式中，該第二放大器50之輸出端和該第二放大器50之負輸入端連接該第二開關SW2、該第四開關SW4以及該校正阻抗402，讓該交流阻抗測量電路針對該第二開關SW2和該第四開關SW4之等效阻抗以及該校正阻抗402串聯之阻抗值進行測量。

上述之該第二校正模式，只需導通該第一開關SW1，讓該第二放 大器50之負輸入端透過該第一開關SW1連接至該校正阻抗402。在該第二校正模式中，該交流阻抗測量電路針對該第一開關SW1之等效阻抗以及該校正阻抗402串聯之阻抗值進行測量。

上述之該測量模式，導通該第二開關SW2以及該第三開關SW3， 讓該第二放大器50之負輸入端透過該第二開關SW2以及該第三開關SW3連接至該待測阻抗401。在該測量模式中，該交流阻抗測量電路針對該第二開關SW2和該第三開關SW3之等效阻抗以及該校正阻抗402串聯之阻抗值進行測量。

上述之交流阻抗測量電路，計算同相位以及正交相位的取樣或積 分結果的方法和第一實施例的描述相同。計算交流電導數值(Y)以及交流電導相位值(Θ)的方式也和第一實施例的描述相同。

上述之交流阻抗測量電路，該第一校正模式的計算結果命名為Y1 以及Θ1，對應於該校正阻抗402、該第二開關SW2以及該第四開關SW4之等效阻抗並聯的等效電導數值以及電導相位值；該第二校正模式的計算結果命名為Y2以及Θ2，對應於該校正阻抗402以及該第一開關SW1之等效阻抗並聯的等效電導數值以及電導相位值。和第一實施例相比，該第一校正模式和該第二校正模式在測量該校正電阻402時，皆多串聯了一個開關(SW1或SW2)，因此計算式調整如下。該第二實施例中，設該校正阻抗402之阻抗值為5.1K歐姆，並假設該第二開關SW2以及該第四開關SW4之等效阻抗皆為Rs，則數學式為「Rs=5.1K*(Y2-Y1)/(2Y1-Y2)」。並且增益G之數學式為「G=(5.1K+Rs)*Y2」。

第二實施例中，該測量模式的計算結果Y3以及Θ3，對應於該待測 阻抗401、該第二開關SW2以及該第三開關SW3之等效阻抗並聯的等效電導數值以及電導相位值。在該些開關(SW1~SW4)的等效阻抗值匹配的情況下(皆簡稱為Rs)，該測量模式的測量結果只要扣掉2*Rs，就能精確計算該待測阻抗401之阻抗值。因此該待測阻抗之等效阻抗之同相位數值為「I3=Y3*cos(Θ3-Θ1)-2*Rs」，至於正交相位數值為「Q3=Y3*sin(Θ3)」；該待測阻抗401之等效串聯電阻值之數學式為「R3=I3=Y3*cos(Θ3)-2*Rs」，該待測阻抗401之等效串聯電容值之數學式為「C3=1/(2*π*fs*Q3)」。

第二實施例中也可推算該待測阻抗401之等效並聯電阻值和電 容值，以及等效串聯電阻值和電容值，數學式和第一實施例相同。

本發明之第三實施例請參閱第7圖，其顯示另一種交流阻抗測 量電路，包含一波形產生電路10，用來輸出一弦波信號以及一時脈信號；一參考阻抗403，其中一端連接至該波形產生電路10之弦波信號輸出端，另一端連接至一開關電路30以及一第二放大器50之負輸入端；該第二放大器50之正輸入端連接至一參考電壓；一待測阻抗以及一校正阻抗，連接於該開關電路30以及該第二放大器50之輸出端之間；以及一類比數位轉換器60，接收該波形產生電路10之時脈信號、該第二放大器50之輸出端以及該開關電路30之一內部端點之電壓。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路30包含：一第一開關 SW1，連接於該第二放大器50之負輸入端以及該校正阻抗402之間；一第二開關SW2，一端連接於該第二放大器50之負輸入端，另一端和一第三開關SW3以及一第四開關SW4相連接；該第三開關SW3之另一端連接於該待測阻抗401；以及該第四開關SW4之另一端連接於該校正阻抗402。其中該類比數位轉換器60和該第二開關SW2、該第三開關SW3以及該第四開關SW4之共同接點相連接。藉由控制該些開關(SW1~SW4)，使得該第二放大器50之負輸入端和該第二放大器50之輸出端之間連接該待測阻抗401或該校正阻抗402，或者使該校正阻抗多連接一開關(SW1~SW4)。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路30包含一第一校正模 式，導通該第二開關SW2以及該第四開關SW4；一第二校正模式，導通該第一開關SW1；以及一測量模式，導通該第二開關SW2以及該第三開關SW3。

上述之該第一校正模式，導通該第二開關SW2以及該第四開關 SW4，讓該第二放大器50之負輸入端透過該第二開關SW2以及該第四開關SW4連接至該校正阻抗402。在該第一校正模式中，該交流阻抗測量電路針對該第四開關SW4之等效阻抗和該校正阻抗402串聯之阻抗值進行測量。

上述之該第二校正模式，導通該第一開關SW1以及該第四開關 SW4，讓該第二放大器50之負輸入端透過該第一開關SW1連接至該校正阻抗402。在該第二校正模式中，該交流阻抗測量電路針對該第一開關SW1之等效阻抗以及該校正阻抗402串聯之阻抗值進行測量，至於該第四開關SW4只是一個讓該類比數位轉換器60接收電壓的路徑，其本身的等效阻抗理論上不會影響測量結果。

上述之該測量模式，導通該第二開關SW2以及該第三開關SW3， 讓該第二放大器50之負輸入端透過該第二開關SW2以及該第三開關SW3連接至該待測阻抗401。在該測量模式中，該交流阻抗測量電路針對該第三開關SW3之等效阻抗和該校正阻抗402串聯之阻抗值進行測量。

第三實施例中，計算同相位數值(I)、正交相位數值(Q)、交流電導 數值(Y)、交流電導相位值(Θ)、等效阻抗Rs、增益G，以及該待測阻抗401之等效阻抗的同相位數值(I3)、正交相位數值(Q3)、等效串聯電阻值(R3)、等效串聯電容值(C3)、等效並聯電阻值(R4)、等效並聯電容值(C4)的數學式皆和第一實施例相同。

本發明之第四實施例請參閱第8圖，其顯示另一種交流阻抗測 量電路，包含一波形產生電路10，用來輸出一弦波信號以及一時脈信號；一參考阻抗403，其中一端連接至該波形產生電路10之弦波信號輸出端，另一端連接至一第二放大器50之負輸入端，並且和一待測阻抗401以及一校正阻抗402相連接；該第二放大器50之正輸入端連接至一參考電壓；該待測阻抗401以及該校正阻抗402之另一端分別連接於一開關電路30；該開關電路30也和該第二放大器50之輸出端相連接；以及一類比數位轉換器60，接收該波形產生電路10之時脈信號、該第二放大器50之輸出端以及該第二放大器50之負輸入端之電壓。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路30包含：一第一開關 SW1，連接於該第二放大器50之輸出端以及該校正阻抗402之間；一第二開關SW2，一端連接於該第二放大器50之輸出端，另一端和一第三開關SW3以及一第四開關SW4相連接；該第三開關SW3之另一端連接於該待測阻抗401；以及該第四開關SW4之另一端連接於該校正阻抗402。藉由控制該些開關(SW1~SW4)，使得該第二放大器50之負輸入端和該第二放大器50之輸出端之間連接該待測阻抗401或該校正阻抗402，或者更包含至少一開關(SW1~SW4)。

上述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路30包含一第一校正模 式，導通該第二開關SW2以及該第四開關SW4；一第二校正模式，導通該第一開關SW1；以及一測量模式，導通該第二開關SW2以及該第三開關SW3。

上述之該第一校正模式，導通該第二開關SW2以及該第四開關 SW4，讓該第二放大器50之輸出端透過該第二開關SW2以及該第四開關SW4連接至該校正阻抗402。在該第一校正模式中，該交流阻抗測量電路針對該第二開關SW2之等效阻抗、該第四開關SW4之等效阻抗和該校正阻抗402串聯之阻抗值進行測量。

上述之該第二校正模式，導通該第一開關SW1，讓該第二放大器 50之輸出端透過該第一開關SW1連接至該校正阻抗402。在該第二校正模式中，該交流阻抗測量電路針對該第一開關SW1之等效阻抗以及該校正阻抗402串聯之阻抗值進行測量。

上述之該測量模式，導通該第二開關SW2以及該第三開關SW3， 讓該第二放大器50之輸出端透過該第二開關SW2以及該第三開關SW3連接至該待測阻抗401。在該測量模式中，該交流阻抗測量電路針對該第二開關SW3之等效阻抗、該第三開關SW3之等效阻抗和該校正阻抗402串聯之阻抗值進行測量。

第四實施例中，計算同相位數值(I)、正交相位數值(Q)、交流電導 數值(Y)、交流電導相位值(Θ)、等效阻抗Rs、增益G，以及該待測阻抗401之等效阻抗的同相位數值(I3)、正交相位數值(Q3)、等效串聯電阻值(R3)、等效串聯電容值(C3)、等效並聯電阻值(R4)、等效並聯電容值(C4)的數學式皆和第二實施例相同。

本發明之第五實施例請參閱第9圖，其顯示另一種交流阻抗測 量電路，該電路架構和第四實施例近似，差別在於第四實施例中該第二放大器50之輸出端連接至該類比數位轉換器60，第五實施例中改為該開關電路30中，該第二開關SW2、該第三開關SW3以及該第四開關SW4之共同接點連接至該類比數位轉換器60。至於計算同相位數值(I)、正交相位數值(Q)等數值的計算方式皆和第三實施例相同。

上述之各種交流阻抗測量電路，其中該波形產生電路10包含一數 位波形合成電路101，用來輸出一數位形式弦波信號；以及一數位類比轉換電路102，把該數位形式弦波信號轉換成一類比形式弦波信號。

上述之各種交流阻抗測量電路，其中該類比數位轉換器60更包含 一數位量化電路602，把類比形式的取樣或積分結果轉換成數位信號，用來進行上述各數學式之計算。

上述之各種交流阻抗測量電路，其中該第二放大器50之負輸入端 連接的該參考電壓，其電壓值和該波形產生電路之該弦波信號的平均電壓值相同。例如該弦波信號是介於0V到5V之間的交流信號，則該參考電壓的電壓值為2.5V。

雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明， 任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

10:波形產生電路

101:數位弦波產生器

102:數位類比轉換器

20:第一放大器

30:開關電路

SW1:第一開關

SW2:第二開關

SW3:第三開關

SW4:第四開關

401:待測阻抗

402:校正阻抗

403:參考阻抗

50:第二放大器

60:類比數位轉換器

601:取樣電路

602:數位量化電路

第1圖繪示一交流阻抗測量電路之架構。 第2圖繪示第1圖之交流阻抗測量電路之第一校正模式的開關導通方式。 第3圖繪示第1圖之交流阻抗測量電路之第二校正模式的開關導通方式。 第4圖繪示第1圖之交流阻抗測量電路之測量模式的開關導通方式。 第5圖繪示交流阻抗測量電路中，藉由控制該時脈信號調整該取樣電路之 取樣時間點之示意圖。 第6圖繪示第二種交流阻抗測量電路之架構。 第7圖繪示第三種交流阻抗測量電路之架構。 第8圖繪示第四種交流阻抗測量電路之架構。 第9圖繪示第五種交流阻抗測量電路之架構。

10:波形產生電路

101:數位弦波產生器

102:數位類比轉換器

20:第一放大器

30:開關電路

401:待測阻抗

402:校正阻抗

403:參考阻抗

50:第二放大器

60:類比數位轉換器

601:取樣電路

602:數位量化電路

Claims (11)

1. 一種交流阻抗測量電路，包含： 一波形產生電路，包含一弦波信號輸出端用來輸出一弦波信號，以及一 時脈信號輸出端用來輸出一時脈信號； 一第一放大器，該第一放大器之正輸入端連接至該弦波信號輸出端； 一開關電路，與該第一放大器之負輸入端以及該第一放大器之輸出端相 連接； 一待測阻抗及一校正阻抗，連接至該開關電路； 一第二放大器，該第二放大器之正輸入端連接至一參考電壓，該第二放 大器之負輸入端連接至該待測阻抗或該校正阻抗； 一參考阻抗，連接於該第二放大器之負輸入端以及該第二放大器之輸出 端之間；以及 一取樣電路，接收該波形產生電路產生之該時脈信號，並且連接至該參 考阻抗之兩端；其中該開關電路包含複數個開關，藉由控制該些開關，使得該第一放大器和該第二放大器之間連接該待測阻抗或該校正阻抗，或者使該校正阻抗多連接一開關。
2. 如申請專利範圍第1項所述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路包含： 一第一開關，連接於該第一放大器之負輸入端以及該校正阻抗之間； 一第二開關，連接於該第一放大器之負輸入端以及該第一放大器之輸出端之 間； 一第三開關，連接於該第一放大器之輸出端以及該待測阻抗之間；以及 一第四開關，連接於該第一放大器之輸出端以及該校正阻抗之間。
3. 一種交流阻抗測量電路，包含： 一波形產生電路，包含一弦波信號輸出端，用來輸出一弦波信號，以及 一時脈信號輸出端，用來輸出一時脈信號； 一參考阻抗，直接連接至該弦波信號輸出端，或者透過一第一放大器連 接至該弦波信號輸出端連，其中該第一放大器之正輸入端連接至該弦波信號輸出端，該第一放大器之負輸入端以及該第一放大器之輸出端都連接至該參考阻抗； 一第二放大器，該第二放大器之正輸入端連接至一參考電壓，該第二放 大器之負輸入端連接至該參考阻抗； 一開關電路、一待測阻抗以及一校正阻抗，連接於該第二放大器之負輸 入端以及輸出端之間；以及 一取樣電路，接收該波形產生電路產生之時脈信號，並且連接至該第二 放大器之輸出端，該第二放大器之負輸入端或者該開關電路之內部端點；其中該開關電路包含複數個開關，藉由控制該些開關，使得該第二放大器之負輸入端和輸出端之間連接該待測阻抗或該校正阻抗，或者使該校正阻抗多連接一開關。
4. 如申請專利範圍第3項所述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路內部包含： 一第一開關，其中一端連接至該第二放大器之負輸入端或輸出端，另一端連 接至該校正阻抗； 一第二開關，其中一端連接至該第二放大器之負輸入端或輸出端； 一第三開關，連接於該待測阻抗與該第二開關的另一端之間；以及 一第四開關，其中一端連接至該校正阻抗，另一端連接至該第二開關與該第 三開關之共同接點。
5. 如申請專利範圍第2項或第4項所述之交流阻抗測量電路，其中該開關電路包含： 一第一校正模式，導通該第二開關以及該第四開關； 一第二校正模式，導通該第一開關以及該第四開關；以及 一測量模式，導通該第二開關以及該第三開關；另外對於該取樣電路連接至 該第二放大器之負輸入端以及輸出端之架構，該第二校正模式可以不用導通該第四開關。
6. 如申請專利範圍第1項、第2項、第3項或第4項所述之交流阻抗測量電路，其中該波形產生電路包含： 一數位波形合成電路，用來輸出一數位形式弦波信號；以及 一數位類比轉換電路，把該數位形式弦波信號轉換成類比形式的該弦波信 號。
7. 如申請專利範圍第1項、第2項、第3項或第4項所述之交流阻抗測量電路，其中該取樣電路包含一數位量化電路，把類比形式的取樣信號轉換成數位形式的信號。
8. 如申請專利範圍第1項、第2項、第3項或第4項所述之交流阻抗測量電路，其中藉由調整該弦波信號以及該時脈信號之相位差，控制該取樣電路之取樣時間點，進而針對該第二放大器之輸出端之信號，取得無相位差異之同相位取樣或積分結果，稱為同相位數值，並且取得相位差90度之正交相位取樣或積分結果，稱為正交相位數值；其中上述之積分結果，可以是針對該弦波信號的一個週期進行積分的結果，或者是針對該弦波信號的前半週期積分數值，再減去針對該弦波信號的後半週期積分數值的結果；並且計算交流電導數值的方式為同相位數值以及正交相位數值之平方和的二分之一次方，以及計算交流電導相位值的方式為正交相位數值除以同相位數值，再代入反正切函數之計算結果。
9. 如申請專利範圍第1項、第2項、第3項或第4項所述之交流阻抗測量電路，其中藉由調整該弦波信號以及該時脈信號之相位差，調整該取樣電路之取樣時間點，進而針對該第二放大器之輸出端之信號，取得無相位差異以及相位差180度的取樣或積分結果，兩個積分結果相減取得同相位取樣或積分結果，稱為同相位數值，並且另外取得相位差90度以及相位差270度的取樣或積分結果，兩個積分結果相減取得正交相位取樣或積分結果，稱為正交相位數值；其中上述之積分結果，可以是針對該弦波信號的一個週期進行積分的結果，或者是針對該弦波信號的前半週期積分數值，再減去針對該弦波信號的後半週期積分數值的結果；並且計算交流電導數值的方式為同相位數值以及正交相位數值之平方和的二分之一次方，以及計算交流電導相位值的方式為正交相位數值除以同相位數值，再代入反正切函數之計算結果。
10. 如申請專利範圍第5項所述之交流阻抗測量電路，更包含利用該第一校正模式以及該第二校正模式分別取得之交流電導數值的數值差異，以及該校正阻抗之阻抗值，計算該第四開關之等效阻抗值；或者利用該校正阻抗之阻抗值或者該第四開關之等效阻抗值與交流電導數值的比例推算增益；或者該交流阻抗測量電路之相位延遲，即為該第一校正模式取得之交流電導相位值或者該第二校正模式之交流電導相位值；另外該測量模式之交流阻抗測量結果，可以扣掉和該待測阻抗串聯之開關之等效阻抗值，推算精確之該待測阻抗之阻抗值。
11. 如申請專利範圍第10項所述之交流阻抗測量電路，其中該第四開關之等效阻抗，其計算方式為該第二校正模式之交流電導數值除以該第一校正模式之交流電導數值，減去1之後再乘以該校正阻抗之電阻值，或者該交流阻抗測量電路之增益為該第二校正模式之電導測量結果乘以該校正阻抗之電阻值；另外對於該取樣電路連接至該第二放大器之負輸入端以及輸出端之架構，該第四開關之等效阻抗之計算方式，為「該第二校正模式之交流電導數值減去該第一校正模式之交流電導數值」，除以「該第一校正模式之交流電導數值乘以2再減去該第二校正模式之交流電導數值」，再乘以該校正阻抗之電阻值，或者該交流阻抗測量電路之增益為該第二校正模式之電導測量結果乘以「該校正阻抗之電阻值加上該第四開關之等效阻抗值」。

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