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基于DLIA的交流阻抗谱测量系统关键技术研究

胡宾鑫  
【摘要】:阻抗是电子领域广为使用的一个概念,是表征电子材料、元件和电路的重要参数。通过对被测件进行交流阻抗谱测量与分析,可以获得更有价值的频率特性信息。目前,以数字信号处理算法为核心的交流阻抗谱测量系统成为阻抗测量领域的研究热点和发展趋势。由于其涉及学科多、技术门槛高、应用前景广,衍生技术也具有良好的可扩展性和可复用性,因而开展数字化交流阻抗谱测量系统关键技术的研究工作具有重要的学术价值和现实意义。 首先,研究了自动平衡电桥的数字化实现方法,提出用具有优异噪声抑制能力的数字锁相放大器与超线性收敛的布伦特法相结合来实现桥路平衡控制,从本质上克服了模拟式自动平衡电桥的诸多缺点。针对常规布伦特法中用于边界定位的二分法不能在复数域中使用的问题,提出一种经过适应性改进的拟布伦特法,该方法兼具外推法的收敛确定性与迭代法收敛速度快、精度高的优点。与常用的正割法相比,其响应速度和稳定性均有明显改善。 接着,利用同步相干检测原理,提出一种具有矢量分析功能的数字正交相干检波算法,与传统DFT分析法相比,算法简单,易于实现,且可以方便地与数字化自动平衡电桥结合起来使用。在此基础上,设计了一种新型的正交矢量型数字锁相放大器,实现了不平衡电流以及矢量电压比的精确快速检测。钊对工频干扰会导致信噪比大幅降低的问题,设计了一种多重反馈型工频陷波器,不仅有效抑制了工频干扰,而且中心频率可调,具有良好的灵活性和适应性。 然后,在深入分析带限信号采样原理的基础上,提出一种变采样率混合采样方法,实现了宽频、精密、高效的阻抗测量。与固定采样率方式相比,上限频率和测量效率都有显著提高。进一步地,对数字正交相干检波算法进行了优化处理,在不牺牲性能的情况下,大大节省了运算时间和存储空间,解决了因输出不连续而导致的结果不稳定问题。此外,针对时钟抖动会严重影响ADC性能的状况,设计了一种DDS低抖动采样时钟发生器,充分利用高压摆率时抖动小和整数分频不增加抖动的特性,解决了普通DDS时钟因存在较大抖动而无法用于精密数据采集的问题。 最后,针对目前可用于表征PTCR的市售阻抗测量仪器存在的不足,在数字化阻抗测量关键技术研究成果的基础上,研制了一种高性能、低成本的数字化交流阻抗谱测量系统。测试结果表明,样机主要技术指标达到或接近国内外同类仪器的主流水平,并在扫频测量、PC连通性以及小型化等方面具有一定优势。此外,通过样机在PTCR阻温-频率特性测试中的应用实例,验证了PTCR晶界电容效应的影响。随着频率的升高,PTCR将失去正温度特性,因此只适合于直流或工频应用。


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