精确测量阻抗的挑战

为了应对要求阻抗测量的应用（电路中流动的电压和电流之间的关系）的上升趋势，ADI开发了AD5933和ADuCM350等阻抗测量IC，这些产品已获得广泛的市场认可。然而， 这些 部分 并 不能 满足 每 个 应用 的 要求， 设计 人员 仍然 面临 使用 标准 组 件 设计 这种 测量 能力 的 挑战。对某些人来说，选择和挑战可能有点压倒性。

让我们从基础开始，看看现代IC可以做什么。尽管大多数人从电压电流比的角度考虑阻抗，但在电路术语中，它归结为两个电压信号以及已知阻抗和未知阻抗之间的关系。例如，要通过未知电阻RU施加电流，我们可以将该电阻放置在具有已知电压vi和第二个已知电阻R的电路中。这形成了一个输出电压 vo 的分压器，可以针对 RU 求解：

为了获得准确的比率测量值，vo 相对于 vi 不应太小，也不应几乎相等。当使用交流信号工作时，这种看似简单的方法适用于任何阻抗，但随着频率的增加，容易产生测量误差和电路寄生效应。

另一个经典的例子是将已知和未知的电路元件放置在惠斯通电桥中，并通过调整可变元件来调零输出信号。在平衡点（信号为零的地方），可以使用已知的桥元件值计算未知阻抗。这种方法产生非常准确的结果，但需要手动操作笨重且昂贵的可变电容器、电感器和电阻器，这使得它在许多应用中不切实际。

对经典方法的改进包括自动化电桥和使用电阻元件。这可以通过插入控制元件代替零点检测器来驱动桥的一条腿来实现。这种方法被称为“自动平衡电桥”，可以通过一个简单的运算放大器来实现。由于它将零点几乎保持在恒定值，因此降低了测量未知阻抗两端电压的CMRR要求。运算放大器虽然简单，但需要在整个频率范围内保持高增益，其输出应处理来自电源的电流。LTC6268、ADA4817-1、LTC6252 和 ADA4625-1 等少数选择可用于频率高达 10MHz 或更高的阻抗测量。AD8250、AD8251、AD8429或AD8421等高速仪表放大器可以差分检测未知电压，避免寄生效应并减轻运算放大器零误差引起的误差。

下一个挑战是找到来自已知阻抗和未知阻抗的信号之间的幅度和相位关系。AD18 或 LTC4003-2387 等高速、18 位精密 ADC 使设计人员能够对波形进行数字化处理，以提取它们在数字域中的关系。与在模拟域中执行相同的操作相比，这有几个优点，可以产生更准确的结果、更小的PCB面积和更强大的系统。最后，通过使用AD9834等DDS芯片完成测量前端，可以大大简化激励信号的生成。

在设计阻抗测量系统时，您是否遇到过类似的挑战？您是否正在完成一个面临这些挑战的项目？让我们知道！

审核编辑：郭婷