一种单端口阻抗检测装置、方法及电子设备

技术领域

本发明属于阻抗检测技术领域，具体涉及一种单端口阻抗检测装置、方法及电子设备。

背景技术

阻抗对于电路性能来说举足轻重。阻抗的定义是对于特定的频率信号，电子电路或元件对信号电流所呈现的阻碍现象，可以用Z进行表示，Z通常是复数。阻抗Z包含实部跟虚部两部分，一般用R+jX进行描述，R表示阻抗，X表示电抗。

现有的阻抗检测方法有平衡电桥法、谐振法、伏安法。

平衡电桥法是一种模拟测量的方式，常用的电桥分为直流电桥与交流电桥两种，直流电桥主要应用在测量纯电阻方面，依据其不同的电路结构，又细分成两种单、双臂电桥。单臂电桥或双臂电桥一般用来测量阻值，只是擅长测量阻值的范围不同。平衡电桥法的优点是测量精度高，通过增加不同频段范围的电桥可以扩展测量频宽，成本低廉；劣势是操作非常繁琐，要求反复人为调整，并且测量频段较窄。

谐振法也是釆用模拟测量阻抗的一种方式，其是根据ＬＣ回路谐振时呈现的高阻或低阻特性来进行计算。它的实现电路简便，技术难度比高频电桥略小，其电路元件可以被当作调谐回路的元件，可采用谐振法测量阻抗。谐振法的优点是测量电路的Ｑ值可以很高，缺点是每次测量需要重新调谐，测量的精度较电桥法低，可测的频段也较窄。此外，谐振法要求有较高频率的激励信号，一般不容易满足高精度测量的要求，且由于测试频率不固定，测试速度也很难提高。

伏安法测阻抗是利用待测负载上的电压与电流关系，并通过参考负载的电压电流关系计算阻抗。伏安法利用数字处理方法，快速便捷，避免采用繁琐的模拟电路，提高了抗干扰性，一般是在使用探头测量的场景下，工作频宽主要受制于探头端的变压器。伏安法主要用于低频范围和接地器件。

综上，现有的阻抗检测技术难以实现对测试件的在线测量，也难以兼顾宽频段、高测试速度、高精度测量，基于此，为了解决现有技术中所存在的上述问题，本发明提供了一种单端口阻抗检测装置及方法。

发明内容

本发明为了解决现有的阻抗检测技术难以实现对测试件的在线测量，难以兼顾宽频段、高测试速度和高精度测量的问题，提出了一种单端口阻抗检测装置、方法及电子设备。

本发明的技术方案是：一种单端口阻抗检测装置包括信号源、信号分离器、发射信号采集模块、发射信号处理模块和数据处理模块；

信号分离器的信号输入端和信号源的输出端连接；信号分离器的测试件测试端口和测试件连接；信号分离器的发射信号采集端口和发射信号采集模块的输入端连接；信号分离器的反射信号采集端口和反射信号采集模块的输入端连接；发射信号采集模块的信号输出端和反射信号采集模块的信号输出端分别与数据处理模块的第一输入端和第二输入端连接。

进一步地，信号源的工作频率范围的下限值小于单端口阻抗检测装置的工作频率范围的下限值，信号源的工作频率范围的上限值大于单端口阻抗检测装置的工作频率范围的上限值。

进一步地，数据处理模块用于对发射信号采集模块采集的发射信号数据以及反射信号采集模块采集的反射信号数据分别进行数据处理，获取对应的IQ信号，并根据IQ信号获取发射信号的幅度和相位以及反射信号的幅度和相位，并根据射信号的幅度和相位、反射信号的幅度和相位以及预校准系数确定测试件的复阻抗值。

进一步地，数据处理模块包括发射信号处理模块、反射信号处理模块、阻抗解算模块和结果上报模块；

发射信号采集模块的输出端和发射信号处理模块的输入端连接；反射信号采集模块的输出端和反射信号处理模块的输入端连接；发射信号处理模块的输出端和阻抗解算模块的第一输入端连接；反射信号处理模块的输出端和阻抗解算模块的第二输入端连接；阻抗解算模块的输出端和结果上报模块连接。

进一步地，发射信号处理模块用于将发射信号采集模块输出的第一数字信号转换为第一IQ信号，并根据第一IQ信号确定发射信号的幅度和相位；

反射信号处理模块用于将反射信号采集模块输出的第二数字信号转换为第二IQ信号，并根据第二IQ信号确定反射信号的幅度和相位；

阻抗解算模块用于根据发射信号的幅度和相位、反射信号的幅度和相位以及预校准系数，确定测试件的复阻抗值。

本发明的有益效果是：

（1）本发明采用同一脉冲来发出采样和DAC输出命令来实现同步，从而实现同步采样，以保证测量结果不受不同步时的截断误差影响。同时具有高的频率稳定性；

（2）本发明具有宽的工作频率范围，可覆盖直流到几十GHz的频率范围，从而使得阻抗的测量可在其实际工作频率上进行测量变得十分方便；

（3）现有的两端口或多端口阻抗检测设计，要检测工作中的电学器件，通常要将其停止工作后拆卸以便于测量，本发明阻抗检测装置采用单端口设计，更便于实现测试件的无拆卸在线检测。

基于以上装置，本发明还提出一种单端口阻抗检测方法，包括以下步骤：

S1、采集信号源发出的发射信号，并将发射信号转换为第一数字信号；采集测试件反射的反射信号，并将反射信号转换为第二数字信号；

S2、根据第一数字信号获取第一IQ信号，并根据第一IQ信号确定发射信号的幅度和相位；根据第二数字信号获取第二IQ信号，并根据第二IQ信号确定反射信号的幅度和相位；

S3、根据发射信号的幅度和相位以及反射信号的幅度和相位，确定发射信号以及反射信号；并根据发射信号以及反射信号，计算测试件的反射系数；

S4、根据测试件的反射系数和预校准系数，计算测试件的复阻抗值。

进一步地，S4中，测试件的复阻抗值

；

；

式中，

进一步地，预校准系数包括第一预校准系数

第一预校准系数

；

第二预校准系数

；

第三预校准系数

；

式中，

进一步地，预校准系数包括第一预校准系数

第一预校准系数

；

第二预校准系数

；

第三预校准系数

；

式中，

本发明的有益效果是：

（1）本发明所建立的阻抗检测误差修正模型简洁且精度高，校准过程花费时间短，阻抗检测装置一经校准，可实现长时间自动在线高精度工作。

（2）本发明从器件工作参数范围和算法等多角度考虑，实现了兼顾宽频段、高测试速度、高测量精度以及实时在线的阻抗检测。

为实现上述目的，本发明还提供了一种电子设备，电子设备包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的单端口阻抗检测程序，单端口阻抗检测程序被处理器执行时实现上述单端口阻抗检测方法的部分或全部步骤。

附图说明

图1为单端口阻抗检测装置的结构示意图；

图2为数据处理模块的结构示意图；

图3为分立器件构成的四端口信号分离器的结构示意图；

图4为发射信号处理模块的结构示意图；

图5为单端口阻抗检测方法的流程图；

图6为电子设备的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作进一步的说明。

实施例一：

如图1所示，本发明提供了一种单端口阻抗检测装置，包括信号源、信号分离器、发射信号采集模块、发射信号处理模块和数据处理模块；

信号分离器的信号输入端和信号源的输出端连接；信号分离器的测试件测试端口和测试件连接；信号分离器的发射信号采集端口和发射信号采集模块的输入端连接；信号分离器的反射信号采集端口和反射信号采集模块的输入端连接；发射信号采集模块的信号输出端和反射信号采集模块的信号输出端分别与数据处理模块的第一输入端和第二输入端连接。

信号源，可提供频率和持续时间可控的扫频信号，单端口阻抗检测装置可根据需要工作在扫频状态，也可以工作在单频点状态，此处不做具体限制。

信号源的输出频率范围下限小于单端口阻抗检测装置实际工作频率范围下限，信号源的输出频率范围上限大于单端口阻抗检测装置实际工作频率范围上限；换言之，信号源具有可完全覆盖单端口阻抗检测装置实际工作频率范围的更宽输出频率范围。本领域技术人员可根据实际应用场景来选择合适的信号源输出频率范围，此处不做具体限定。例如，单端口阻抗检测装置实际工作频率范围为2MHz-20GHz，信号源的输出频率则选择为1MHz-20.1GHz，如此设置，在不增加硬件成本的同时可以减少算法设计难度、减少程序开发调试难度以及减少程序运行时间，进而提高阻抗检测装置的测试速度和测试精度。

具体而言，阻抗检测装置通常需要进行实际工作频率范围内的各工作频点的校准，而实际校准时，通常会选择性地挑一定数量的工作频点，剩余工作频点采用插值的方式获取其预校准系数，通常来说，内插的精度会高于外插，且外插的算法设计复杂度高于内插。因此，若信号源的工作频率范围与单端口阻抗检测装置实际工作频率范围一致，那么在2MHz-20GHz内（不含端点值），可以选择内插的方法，而在2MHz和20GHz的两个端点频点处，则需要采用外插的方法，其预校准系数的精度将降低，进而影响最终阻抗解算值的精度，并且在算法设计和程序开发调试时，需要进行内插和外插的作用时刻判断，增加了算法设计和程序开发调试难度，也增加了程序运行时间，要知道，对于几十GHz的工作频率范围和100Hz的频率分辨率，对每个工作频点调用预校准系数前都作内插和外插的判断，所花费的总时长是难以容忍的；若信号源的工作频率范围具有可完全覆盖单端口阻抗检测装置实际工作频率范围的更宽工作频率范围，校准频点范围可拓宽至1MHz-20.1GHz，那么在校准频点范围内的2MHz-20GHz都可以采用内插方法，不需要再进行端点频点判断，从而使得算法设计得以优化、程序开发调试难度降低、程序运行时长缩短，进而提高阻抗检测装置的测试速度和测试精度。

数据处理模块用于对发射信号采集模块采集的发射信号数据以及反射信号采集模块采集的反射信号数据分别进行数据处理，获取对应的IQ信号，并根据IQ信号获取发射信号的幅度和相位以及反射信号的幅度和相位，并根据射信号的幅度和相位、反射信号的幅度和相位以及预校准系数确定测试件的复阻抗值。

IQ信号中，I（In-phase）表示同相信号，Q（Quadrature）表示正交信号，即与I信号相位差90°。

单端口表示阻抗检测装置与测试件之间只通过一个端口进行电性连接，从阻抗检测装置传输到测试件的发射信号和从测试件传输到阻抗检测装置的反射信号都通过该端口进行传输。

阻抗检测装置工作流程如下，上电后先进行初始化，初始化过程包括参数配置、自检等常规操作，初始化完成后，获取预校准系数，预校准系数包括校准面分别接开路负载、短路负载和匹配负载各种情况下所获得的用于解算阻抗所必需的预校准系数，在完成预校准系数获取后，阻抗检测装置外部端口开始连接测试件，同时采集发射信号数据和测试件的反射信号测试数据，之后对发射信号数据、反射信号数据分别进行数据处理，获取相应的IQ信号，并根据IQ信号获取发射信号的幅度和相位；再根据反射信号、发射信号的幅度和相位结合预校准系数解算测试件的复阻抗值；最终将复阻抗值上报给后端使用。

实施例二：

在实施例一的基础上，如图2所示，数据处理模块包括发射信号处理模块、反射信号处理模块、阻抗解算模块和结果上报模块；

发射信号采集模块的输出端和发射信号处理模块的输入端连接；反射信号采集模块的输出端和反射信号处理模块的输入端连接；发射信号处理模块的输出端和阻抗解算模块的第一输入端连接；反射信号处理模块的输出端和阻抗解算模块的第二输入端连接；阻抗解算模块的输出端和结果上报模块连接。

阻抗检测装置工作流程如下，上电后先进行初始化，初始化过程包括参数配置、自检等常规操作，初始化完成后，获取预校准系数，预校准系数包括校准面分别接开路负载、短路负载和匹配负载各种情况下所获得的用于解算阻抗所必需的预校准系数，在完成预校准系数获取后，阻抗检测装置外部端口开始连接测试件，同时采集发射信号数据和测试件的反射信号测试数据，之后对发射信号数据、反射信号数据分别进行数据处理，获取相应的IQ信号，并根据IQ信号获取发射信号的幅度和相位；阻抗解算模块再根据反射信号、发射信号的幅度和相位结合预校准系数解算测试件的复阻抗值。

预校准系数包括第一预校准系数、第二预校准系数和第三预校准系数，第一预校准系数、第二预校准系数和第三预校准系数可在单端口阻抗检测装置的参考面处分别连接标准开路负载、标准短路负载和标准匹配负载而得到。

IQ信号中，I（In-phase）表示同相信号，Q（Quadrature）表示正交信号，即与I信号相位差90°。

单端口表示阻抗检测装置与测试件之间只通过一个端口进行电性连接，从阻抗检测装置传输到测试件的发射信号和从测试件传输到阻抗检测装置的反射信号都通过该端口进行传输。

如图3所示，信号分离器可选择四端口定向耦合器，也可以选择由分立器件构成的四端口信号分离器，如采用一3dB分路器与一三端口定向耦合器组合而成。3dB分路器的输入端连接信号源的输出端，3dB分路器的一个输出端连接发射信号采集模块，3dB分路器的另一个输出端连接三端口定向耦合器，定向耦合器的端口一连接3dB分路器的一个输出端，端口二作为整个阻抗检测装置外部端口，此处与测试件连接，端口三与反射信号采集模块连接，将测试件的反射信号传输到反射信号采集模块中。

作为优选实施方式，信号源包括依次连接的数模转换单元、第一运算放大器和第一滤波器；需要说明的是，信号源也可以是任何可实现其功能的其他构成，此处不应视为对其构成的限制。

作为优选实施方式，发射信号采集模块包括依次连接的第二滤波器、第二运算放大器和第一模数转换单元；需要说明的是，发射信号采集模块也可以是任何可实现其功能的其他构成，此处不应视为对其构成的限制。

作为优选实施方式，反射信号采集模块包括依次连接的第三滤波器、第三运算放大器和第二模数转换单元。需要说明的是，反射信号采集模块也可以是任何可实现其功能的其他构成，此处不应视为对其构成的限制。

信号源用于输出扫频信号；

发射信号处理模块用于将发射信号采集模块输出的第一数字信号转换为第一IQ信号，并根据第一IQ信号确定发射信号的幅度和相位；

反射信号处理模块用于将反射信号采集模块输出的第二数字信号转换为第二IQ信号，并根据第二IQ信号确定反射信号的幅度和相位；

阻抗解算模块用于根据发射信号的幅度和相位、反射信号的幅度和相位以及预校准系数，确定测试件的复阻抗值。

作为优选实施方式，如图4所示，发射信号处理模块包括本振源、混频器、低通滤波器和若干个第一下采样器；反射信号处理模块包括本振源、混频器、低通滤波器以及若干个下采样器。

本振源用于产生两路幅度相等的正交信号；下采样器用于对低通滤波后的信号进行若干次抽取从而降低采样率。在理想情况下，只要能使得本振源能产生两路幅度相等的正交信号，那经过本振后产生的两路信号，也会是理想的幅度相同，相位正交的两路信号。

在其他优选实施例中，数据处理模块还包括结果上报模块，阻抗解算模块的信号输出端和结果上报模块连接；结果上报模块用于将阻抗解算模块提供的复阻抗值上报给用户或上级设备。

在其他优选实施例中，单端口阻抗检测装置还包括时钟模块；时钟模块用于为信号源、发射信号采集模块、反射信号采集模块、发射信号处理模块、反射信号处理模块、阻抗解算模块和结果上报模块提供时钟基准。由于采用时钟模块提供的同一脉冲来发出采样和DAC输出命令来实现同步，从而实现同步采样，以保证测量结果不受不同步时的截断误差影响。同时具有高的频率稳定性。

实施例三：

基于实施例一或实施例二的单端口阻抗检测装置，本发明还提出一种单端口阻抗检测方法，如图5所示，包括以下步骤：

S1、采集信号源发出的发射信号，并将发射信号转换为第一数字信号；采集测试件反射的反射信号，并将反射信号转换为第二数字信号；

S2、根据第一数字信号获取第一IQ信号，并根据第一IQ信号确定发射信号的幅度和相位；根据第二数字信号获取第二IQ信号，并根据第二IQ信号确定反射信号的幅度和相位；

S3、根据发射信号的幅度和相位以及反射信号的幅度和相位，确定发射信号以及反射信号；并根据发射信号以及反射信号，计算测试件的反射系数；

S4、根据测试件的反射系数和预校准系数，计算测试件的复阻抗值。

作为优选实施方式，S3中，发射信号

；

式中，

作为优选实施方式，S3中，反射信号

；

式中，

作为优选实施方式，S3中，测试件的反射系数

；

式中，

在理想情况下，只要能使得本振源能产生两路幅度相等的正交信号，那经过本振后产生的两路信号，也会是理想的幅度相同，相位正交的两路信号，标准信号公式为

作为优选实施方式，获取第一预校准系数、第二预校准系数和第三预校准系数的具体方法为：将单端口阻抗检测装置分别与标准开路负载、标准短路负载和标准匹配负载连接，得到标准开路负载对应的参考面反射系数、标准短路负载对应的参考面反射系数以及标准匹配负载对应的参考面反射系数，并根据标准开路负载对应的参考面反射系数、标准短路负载对应的参考面反射系数以及标准匹配负载对应的参考面反射系数，计算第一预校准系数、第二预校准系数和第三预校准系数。

作为优选实施方式，S4中，测试件的复阻抗值

；

；

式中，

作为优选实施方式，预校准系数包括第一预校准系数

第一预校准系数

；

第二预校准系数

；

第三预校准系数

；

式中，

作为优选实施方式，预校准系数包括第一预校准系数

第一预校准系数

；

第二预校准系数

；

第三预校准系数

；

式中，

、

以下对三个预校准系数的误差修正模型及获取方式进行说明。

任何测试系统都会存在测试误差，该误差来源众多，好的硬件设计和器件选型能在一定程度上减少测试误差以及提高检测准确度，但不能消除误差，因此，为了进一步提高测试系统的检测准确度，有必要对阻抗检测装置的测试误差进行修正。

具体误差修正过程如下：首先分别进行开路、短路和匹配负载进行测量，依据阻抗检测装置的误差修正模型，计算预校准系数；之后测试被测件，阻抗检测装置可对被测件的阻抗误差进行自动修正，消除误差部分，得到被测件的阻抗真实值。

第一预校准系数

假定阻抗检测装置连接测试件后，阻抗检测装置中发射信号处理模块输出的信号为a，反射信号处理模块输出的信号为b，均为频率的复函数。由此可知，在参考面处的反射系数Γ为：

为了获得第一预校准系数

实施例四：

本实施例是在实施例三的基础上对误差修正模型进行的替换。

第一预校准系数

假定阻抗检测装置连接测试件后，阻抗检测装置中发射信号处理模块输出的信号为a，反射信号处理模块输出的信号为b，均为频率的复函数。

由此可知，在参考面处的反射系数Γ为：

为了获得第一预校准系数

在获得第一预校准系数

实施例四与实施例三的主要区别在于第三预校准系数

实施例五：

本申请实施例中还提供一种电子设备，该电子设备可以是服务器，其内部结构可以如图6所示。该计算机设备包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口和数据库。其中，该计算机设计的处理器用于提供计算和控制能力。该计算机设备的存储器包括非易失性存储介质、内存储器。该非易失性存储介质存储有操作系统、计算机程序和数据库。该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的数据库用于用药提示程序。该计算机设备的网络接口用于与外部的终端通过网络连接通信。该计算机程序被处理器执行时以实现一种单端口阻抗检测方法。系统总线包括数据总线、地址总线和控制总线。内存储器可以包括易失性存储器，例如随机存取存储器(RAM)和/或高速缓存存储器，还可以进一步包括只读存储器(ROM)。

还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。此外，需要指出的是，本申请实施方式中的方法和装置的范围不限按示出或讨论的顺序来执行功能，还可包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序来执行功能，例如，可以按不同于所描述的次序来执行所描述的方法，并且还可以添加、省去、或组合各种步骤。另外，参照某些示例所描述的特征可在其他示例中被组合。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本申请的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以计算机软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质(如ROM/RAM、磁碟、光盘)中，包括若干指令用以使得一台终端(可以是手机，计算机，服务器，或者网络设备等)执行本申请各个实施例所述的方法。

上面结合附图对本申请的实施例进行了描述，但是本申请并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本申请的启示下，在不脱离本申请宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本申请的保护之内。