專利名稱：確定復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性以便于其阻抗的表征的測(cè)量電路和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及確定復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性，以便于其阻抗的表征的測(cè)量電路，特別涉及(但不限于)確定阻抗型傳感器的阻抗的特性，以便易于測(cè)量由于外部效應(yīng)的結(jié)果這種傳感器的阻抗的變化的測(cè)量電路。本發(fā)明還涉及確定復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性，以便于其阻抗的表征的方法，特別涉及(但不限于)確定阻抗型傳感器的阻抗的特性，以便易于測(cè)量由于外部效應(yīng)的結(jié)果這種傳感器的阻抗的變化的方法。
背景技術(shù)：
阻抗型傳感器眾所周知，一般用于在傳感器的阻抗對(duì)被測(cè)量的特定變量敏感的地方測(cè)量諸如溫度、壓力、體積、密度、粘度之類的變量。這種阻抗型傳感器還用在金屬探測(cè)器，鄰近探測(cè)器中，用于確定一件物品與另一件物品的接近度等。但是，許多這樣的傳感器的阻抗是復(fù)合的，傳感器包括來(lái)自電容元件或電感元件的大量電抗。在這種傳感器中，復(fù)合阻抗包含電阻元件，以及電抗元件。電抗元件使通過(guò)傳感器的電流前移或遲延電壓。通常由字母Z表示的復(fù)合阻抗從而可由等式Z＝R+jX表示，R代表阻抗的電阻元件，X是電抗元件。復(fù)合阻抗一般作為頻率的函數(shù)而變化，因此，為了確定正被測(cè)量的變量，必須確定將進(jìn)行變量的測(cè)量的頻率范圍。
其中阻抗是復(fù)合阻抗的阻抗型傳感器的例子是壓電諧振器，比如彎條器(bar bender)，盤(pán)彎曲器(disc bender)，懸臂，音叉，微型機(jī)械加工膜和扭轉(zhuǎn)諧振器。這樣的傳感器適合用于測(cè)量液體的粘度和密度，例如參見(jiàn)L.F.Matsiev的論文“Application of flexural mechanical resonatorsto high throughput liquid characterization”，Proceedings of 2000 IEEEInternational Ultrasonics Symposium，2000年10月22-25，第427-434頁(yè)。Matsiev說(shuō)明了這種阻抗型傳感器在各種液體的密度和粘度的測(cè)量中的應(yīng)用。這種傳感器的阻抗隨液體，正被測(cè)量的密度或粘度而變化。
這種阻抗型傳感器還可用于測(cè)量氣體的密度和粘度，測(cè)量上面已說(shuō)明的其它許多變量。一般來(lái)說(shuō)，這種阻抗型傳感器要求向傳感器不斷施加激勵(lì)頻率信號(hào)，以便分析來(lái)自傳感器的響應(yīng)信號(hào)。此外，一般來(lái)說(shuō)，必須能夠在頻率范圍內(nèi)掃描激勵(lì)信號(hào)。所有這種阻抗型傳感器的應(yīng)用要求提供許多獨(dú)立的元件，以允許利用這樣的傳感器測(cè)量待測(cè)液體的密度或粘度。
首先，需要信號(hào)發(fā)生器，用于產(chǎn)生施加于阻抗型傳感器的激勵(lì)頻率信號(hào)。另外，信號(hào)發(fā)生器必須能夠在適合于進(jìn)行所需測(cè)量的頻率范圍內(nèi)掃描激勵(lì)信號(hào)。其次，一般需要一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)調(diào)節(jié)電路，用于在把激勵(lì)信號(hào)應(yīng)用到阻抗型電路之前，調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)。第三，需要一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)分析電路，用于分析響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)來(lái)自于傳感器的響應(yīng)信號(hào)。第四，一般來(lái)說(shuō)，需要一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)調(diào)節(jié)電路，用于在分析電路中分析響應(yīng)信號(hào)之前，調(diào)節(jié)響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)從傳感器接收的響應(yīng)信號(hào)。在響應(yīng)信號(hào)的分析之后，隨后在獨(dú)立的電路中確定待測(cè)量的變量的測(cè)量值。這導(dǎo)致許多問(wèn)題，尤其是每個(gè)這樣的電路，即，信號(hào)發(fā)生器，信號(hào)調(diào)節(jié)電路和信號(hào)分析電路均在各信號(hào)中引入誤差。用于使失配誤差最小化的各個(gè)獨(dú)立電路的組件的匹配也存在問(wèn)題。此外，每個(gè)獨(dú)立電路引入信號(hào)中的誤差是累積的。這種方案的另一問(wèn)題在于必須設(shè)立信號(hào)發(fā)生器，以便在特定頻率下不斷提供激勵(lì)信號(hào)，另外，信號(hào)發(fā)生器必須能夠精確地掃過(guò)(sweep)適當(dāng)?shù)念l率范圍，取決于正被測(cè)量的變量和液體。
另外，在電路，例如具有復(fù)合阻抗的電路的測(cè)試中，以及在傳輸線路，例如在局域網(wǎng)、遠(yuǎn)程通信等中使用的傳輸線路的測(cè)試中(所述電路和傳輸線路均包括復(fù)合阻抗)，必須確定這種電路和傳輸線路的阻抗的特性。這也需要不斷向被測(cè)試的阻抗電路或者傳輸線路施加可變頻率的激勵(lì)信號(hào)，同時(shí)分析響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)從阻抗電路或傳輸線路收到的響應(yīng)信號(hào)。這種阻抗電路和傳輸線路的測(cè)試也要求提供一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)發(fā)生器來(lái)產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，一個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)電路，用于在激勵(lì)信號(hào)被應(yīng)用于待測(cè)試電路之前，調(diào)節(jié)激勵(lì)信號(hào)，一個(gè)獨(dú)立的調(diào)節(jié)電路，用于調(diào)節(jié)響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)接收的信號(hào)，和一個(gè)獨(dú)立的分析電路，用于分析響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)接收的響應(yīng)信號(hào)。由于必須使用獨(dú)立的電路來(lái)確定這種阻抗電路和傳輸線路的阻抗特性，如同已關(guān)于阻抗型傳感器說(shuō)明的那樣，在阻抗特性的測(cè)量中出現(xiàn)類似的問(wèn)題。
于是，需要一種克服這些問(wèn)題的，確定復(fù)合阻抗元件，例如阻抗型傳感器，具有復(fù)合阻抗的電路或傳輸線路的阻抗的特性，以便于其阻抗的表征的測(cè)量電路和方法。
本發(fā)明的目的在于提供這樣的測(cè)量電路和方法。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種確定復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性，以便于(facilitate)復(fù)合阻抗元件的阻抗的表征的測(cè)量電路，所述測(cè)量電路在單一芯片上實(shí)現(xiàn)，并且包括信號(hào)發(fā)生電路，用于產(chǎn)生可選頻率的模擬激勵(lì)信號(hào)，以便施加到復(fù)合阻抗元件，第一接收電路，用于接收響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)，來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)，并輸出表示復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性的第一輸出信號(hào)，用于復(fù)合阻抗元件的阻抗的表征。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一接收電路可輸出表示由復(fù)合阻抗元件引起的激勵(lì)信號(hào)的相移和幅度變化之一的第一輸出信號(hào)。最好，第一接收電路可有選擇并且交替地輸出表示由復(fù)合阻抗元件引起的激勵(lì)信號(hào)的相移和幅度變化之一的第一輸出信號(hào)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第一接收電路包含可選擇的第一轉(zhuǎn)換電路，用于把來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于與激勵(lì)信號(hào)比較的電壓信號(hào)。最好，第一轉(zhuǎn)換電路包含可選擇的第一均方根(RMS)-DC電壓轉(zhuǎn)換器，用于把來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與模擬響應(yīng)信號(hào)的RMS電壓值對(duì)應(yīng)的DC電壓電平。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第一接收電路包含電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，用于把模擬響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。
最好，第一接收電路包含第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于把來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便以數(shù)字信號(hào)的形式提供第一輸出信號(hào)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一接收電路包含第一存儲(chǔ)裝置，用于保存數(shù)字形式的第一輸出信號(hào)。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，校準(zhǔn)電路在所述芯片上，用于確定校準(zhǔn)系數(shù)以便校準(zhǔn)第一接收電路，所述校準(zhǔn)電路包括保存校準(zhǔn)系數(shù)的系數(shù)存儲(chǔ)裝置。最好，在所述芯片上設(shè)置補(bǔ)償電路，用于有選擇地把校準(zhǔn)系數(shù)應(yīng)用于第一輸出信號(hào)，以便關(guān)于由第一接收電路引入響應(yīng)信號(hào)中的誤差校正第一輸出信號(hào)。有利的是，在所述芯片上設(shè)置第一耦合電路，用于有選擇地把激勵(lì)信號(hào)施加到第一接收電路，以便校準(zhǔn)第一接收電路。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述芯片上設(shè)置第二接收電路，用于接收模擬激勵(lì)信號(hào)，輸出代表激勵(lì)信號(hào)的第二輸出信號(hào)，以便與第一輸出信號(hào)比較，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性的確定。最好，第二接收電路包含把模擬激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而以數(shù)字信號(hào)的形式提供第二輸出信號(hào)的第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第二接收電路包含保存數(shù)字形式的第二輸出信號(hào)的第二存儲(chǔ)裝置。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第二接收電路包含可選擇的第二RMS-DC電壓轉(zhuǎn)換器，用于把模擬激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與模擬激勵(lì)信號(hào)的RMS值對(duì)應(yīng)的電壓電平的DC信號(hào)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第二接收電路包含輸入信號(hào)開(kāi)關(guān)電路，用于有選擇并且交替地把模擬激勵(lì)信號(hào)和來(lái)自溫度傳感器的信號(hào)之一施加到第二接收電路。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，溫度傳感器設(shè)置在所述芯片上。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，在所述芯片上設(shè)置第二耦合電路，用于有選擇地把模擬激勵(lì)信號(hào)施加到第二接收電路。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，在所述芯片上設(shè)置信號(hào)處理電路，用于處理第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)之一或者兩者，輸出由第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)之一或者兩者的處理產(chǎn)生的第三輸出信號(hào)。
最好，信號(hào)發(fā)生電路包含設(shè)置激勵(lì)信號(hào)的電壓電平和電流電平之一的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生電路包含產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器包含相位累積器，它包括響應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)的每個(gè)周期，把其計(jì)數(shù)遞增頻率確定數(shù)字字直到預(yù)定的最大計(jì)數(shù)值為止，或者從預(yù)定的最大計(jì)數(shù)值開(kāi)始把其計(jì)數(shù)遞減頻率確定數(shù)字字，相位-幅度轉(zhuǎn)換器，用于把來(lái)自相位累積器的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成代表激勵(lì)信號(hào)的幅度值的數(shù)字字，和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器，用于把來(lái)自相位-幅度轉(zhuǎn)換器的數(shù)字字轉(zhuǎn)換成激勵(lì)信號(hào)。
最好，相位-幅度轉(zhuǎn)換器包含查尋表，代表激勵(lì)信號(hào)的幅度值的數(shù)字字與相位累積器輸出的從0到預(yù)定最大計(jì)數(shù)值的計(jì)數(shù)值被交叉引用(cross-reference)。
有利的是，信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)是正弦波形。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，設(shè)置第一旁路電路，以便把來(lái)自相位累積器的計(jì)數(shù)值直接施加到數(shù)-模轉(zhuǎn)換器，從而從數(shù)-模轉(zhuǎn)換器提供的激勵(lì)信號(hào)是三角波形。
在本發(fā)明的另一實(shí)施例中，第二旁路電路給數(shù)-模轉(zhuǎn)換器設(shè)旁路，以便把來(lái)自相位累積器的計(jì)數(shù)值施加到比較器，比較計(jì)數(shù)值的最高有效位與參考值，從而以矩形波形的形式提供激勵(lì)信號(hào)。
在本發(fā)明的又一實(shí)施例中，直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器包含加法器，用于把相位偏移數(shù)字字與相位累積器輸出的每個(gè)計(jì)數(shù)值相加，從而使激勵(lì)信號(hào)的相位偏移預(yù)定的偏移量。最好，相位偏移數(shù)字字是可選擇的，以便選擇激勵(lì)信號(hào)的相位偏移。有利的是，頻率確定數(shù)字字是可選的，以便選擇激勵(lì)信號(hào)的頻率。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，測(cè)量電路被實(shí)現(xiàn)成集成電路。
另外，本發(fā)明提供一種確定復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性以便于復(fù)合阻抗元件的阻抗的表征的方法，所述方法包括下述步驟在單一芯片上設(shè)置信號(hào)發(fā)生電路，用于產(chǎn)生可選頻率的模擬激勵(lì)信號(hào)，以便施加到復(fù)合阻抗元件，在所述單一芯片上設(shè)置第一接收電路，用于接收響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)，來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)，并輸出表示復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性的第一輸出信號(hào)，用于復(fù)合阻抗元件的阻抗的表征，操作信號(hào)發(fā)生電路，以便把激勵(lì)信號(hào)施加到復(fù)合阻抗元件，把響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)，來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)施加到第一接收電路，和操作第一接收電路，輸出表示復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性的第一輸出信號(hào)。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)很多。由于測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)在單一芯片上，因此測(cè)量電路輸出的第一輸出信號(hào)中的誤差被降至最小。這是因?yàn)樵谛盘?hào)發(fā)生電路和第一接收電路之間幾乎不存在信號(hào)誤差的累積。另外，由于測(cè)量電路實(shí)現(xiàn)在單一芯片上，信號(hào)發(fā)生電路和第一接收電路的相應(yīng)組件能夠相當(dāng)精確地被匹配。此外，當(dāng)測(cè)量電路設(shè)有第二接收電路時(shí)，可類似地使第二接收電路中的組件相當(dāng)精確地與信號(hào)發(fā)生電路和第一接收電路中的組件匹配。從而，由測(cè)量電路的參比(ratiometric)操作引起的測(cè)量電路的相應(yīng)電路的失配被降至最小。另外，可使測(cè)量電路中的任何漂移降至最小。當(dāng)測(cè)量電路被實(shí)現(xiàn)成集成電路時(shí)，信號(hào)發(fā)生電路及第一和第二接收電路的組件的匹配被進(jìn)一步簡(jiǎn)化。
根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量電路尤其便于迅速并且容易地確定來(lái)自復(fù)合阻抗元件的對(duì)施加到復(fù)合阻抗元件的激勵(lì)信號(hào)起反應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)中的相移和幅度變化。另外，還能夠迅速并且容易地確定復(fù)合阻抗元件的頻率響應(yīng)。
另外，在單一芯片上設(shè)置測(cè)量電路便于整個(gè)測(cè)量電路的同步計(jì)時(shí)。此外，在根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量電路中，基本消除了R-C計(jì)時(shí)分量，比如在使用離散元件的情況下出現(xiàn)的低頻瞬態(tài)干擾和高頻干擾?，F(xiàn)有電路中的這種R-C計(jì)時(shí)分量起因于上面安裝離散元件的印刷電路板的跡線(track)的跡線電阻和跡線的相關(guān)電容及電感。在較高的頻率下，這種R-C分量特別成問(wèn)題，導(dǎo)致相位誤差以及其它誤差。因此，通過(guò)以單一芯片上的集成電路的形式提供根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量電路，能夠有效地消除這種R-C計(jì)時(shí)(timing)分量。
此外，通過(guò)在單一芯片上設(shè)置測(cè)量電路，其上設(shè)置測(cè)量電路的印刷電路板的板面積需求明顯低于在印刷電路板上安裝離散組件的現(xiàn)有方案的板面積需求。
通過(guò)把信號(hào)發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)成直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器，根據(jù)本發(fā)明的測(cè)量電路的性能被顯著提高。另外，測(cè)量電路適合于確定各種各樣的復(fù)合阻抗元件，例如各種各樣的復(fù)合阻抗傳感器，和復(fù)合阻抗電路的頻率響應(yīng)，尤其是，直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器的提供允許測(cè)量電路以一系列的頻率分辨率產(chǎn)生頻率范圍寬大的激勵(lì)信號(hào)。另外，把信號(hào)發(fā)生電路實(shí)現(xiàn)成直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器允許快速、容易地以數(shù)字方式選擇激勵(lì)信號(hào)的頻率范圍，同樣可以迅速、容易地以數(shù)字方式選擇將要掃過(guò)激勵(lì)信號(hào)的頻率階躍的分辨率。在頻率發(fā)生器中提供把相位偏移數(shù)字字與來(lái)自相位累積器的計(jì)數(shù)相加的加法器得到另一優(yōu)點(diǎn)，即，能夠迅速且容易地使激勵(lì)信號(hào)的相位偏移所需的可選量。
通過(guò)恰當(dāng)?shù)剡x擇相位累積器的計(jì)數(shù)器的位大小，以及信號(hào)發(fā)生器的數(shù)-模轉(zhuǎn)換器的位大小，能夠獲得相當(dāng)高的頻率分辨率。
參考附圖，根據(jù)只是作為非限制性例子給出的本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的下述說(shuō)明，將更清楚地理解本發(fā)明及其優(yōu)點(diǎn)。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的用于確定復(fù)合阻抗電路的阻抗的特性，以便于其阻抗的表征的測(cè)量電路的方框圖，圖2是更詳細(xì)地表示圖1的測(cè)量電路的一部分的方框圖，
圖3是更詳細(xì)地表示圖1的測(cè)量電路的另一部分的方框圖。
具體實(shí)施例方式
參見(jiàn)附圖，圖中圖解說(shuō)明了根據(jù)本發(fā)明的用于確定復(fù)合阻抗元件，即復(fù)合阻抗電路2的阻抗的特性，以便于復(fù)合阻抗電路2的阻抗的表征的測(cè)量電路1。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，測(cè)量電路1對(duì)復(fù)合阻抗電路2應(yīng)用下面說(shuō)明的可選頻率的模擬電壓激勵(lì)信號(hào)，并且可有選擇地工作，以便輸出第一輸出信號(hào)，所述第一輸出信號(hào)表示在各個(gè)不同頻率下，由電路2的復(fù)合阻抗導(dǎo)致的激勵(lì)信號(hào)中的相移和幅度變化。復(fù)合阻抗電路2可以是其中阻抗是復(fù)合阻抗的任何阻抗電路或元件，例如其阻抗的特性將被確定的具有復(fù)合阻抗的電路，或者傳輸線路。另外，復(fù)合阻抗電路2可以是阻抗型傳感器，尤其是可以是測(cè)量液體或氣體的粘度或密度的那種阻抗型傳感器，例如壓電諧振器，包括彎條器，盤(pán)彎曲器，懸臂，音叉，微型機(jī)械加工膜和扭轉(zhuǎn)諧振器。這種阻抗型傳感器為本領(lǐng)域的技術(shù)人員公知，不打算更詳細(xì)地描述這樣的傳感器。在上面提及的L.F.Matsiev的文章“Application of flexural mechanical resonators to high throughputliquid characterization”中給出了這種阻抗型傳感器及其應(yīng)用的描述。
利用CMOS技術(shù)，測(cè)量電路1被實(shí)現(xiàn)成單一芯片5上的集成電路，包括用于產(chǎn)生通過(guò)輸入端8應(yīng)用于復(fù)合阻抗電路2的可變頻率的三種不同電壓激勵(lì)信號(hào)的信號(hào)發(fā)生電路7。信號(hào)發(fā)生電路7產(chǎn)生的三種不同激勵(lì)信號(hào)是可變頻率的正弦波，可變頻率的方波和可變頻率的三角波。
第一接收電路10通過(guò)輸入端11，接收響應(yīng)每個(gè)激勵(lì)信號(hào)，來(lái)自復(fù)合阻抗電路2的模擬響應(yīng)信號(hào)。如下所述，第一接收電路10調(diào)節(jié)并把每個(gè)模擬響應(yīng)信號(hào)變換成數(shù)字形式，使得以數(shù)字形式提供第一輸出信號(hào)。通過(guò)第一數(shù)字輸出端口14，從第一接收電路10讀出第一輸出信號(hào)。第一數(shù)字輸出端口14包含第一串行數(shù)據(jù)輸出端15，第一時(shí)鐘信號(hào)端16和第一允許讀出端17。
提供第二接收電路20，用于通過(guò)第二輸入端21接收模擬激勵(lì)信號(hào)。如下所述，第二接收電路20調(diào)節(jié)并把模擬響應(yīng)信號(hào)變換成數(shù)字形式的第二輸出信號(hào)，在第二數(shù)字輸出端口22，從第二接收電路20讀出數(shù)字形式的第二輸出信號(hào)。第二數(shù)字輸出端口22包含第二串行數(shù)據(jù)輸出端23，第二時(shí)鐘信號(hào)端24和第二允許讀出端25。
通過(guò)分別在第一和第二數(shù)字輸出端口14和22同時(shí)提供數(shù)字形式的響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)，能夠容易地相互比較響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)，以便確定由復(fù)合阻抗電路2引起的響應(yīng)信號(hào)相移。另外，在第一輸出端口14的數(shù)字形式的響應(yīng)信號(hào)的提供允許由要確定的激勵(lì)信號(hào)的頻率方面的變化產(chǎn)生的來(lái)自復(fù)合阻抗電路2的響應(yīng)信號(hào)的電壓方面的變化。此外，通過(guò)分別在第一和第二數(shù)字輸出端口14和22同時(shí)提供激勵(lì)信號(hào)和對(duì)應(yīng)的響應(yīng)信號(hào)，便于將在激勵(lì)信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)之間進(jìn)行的其它比較，以便確定復(fù)合阻抗電路2的阻抗的特性，從而進(jìn)一步便于復(fù)合阻抗電路2的阻抗的表征。
數(shù)字接口和控制邏輯電路28控制測(cè)量電路1，尤其是信號(hào)發(fā)生電路7的操作，如下所述。數(shù)字輸入端口29便于把數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)輸入接口和控制邏輯電路28，以便選擇要產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)的種類，激勵(lì)信號(hào)將被掃過(guò)的頻率范圍，以及激勵(lì)信號(hào)將被掃過(guò)的頻率階躍之間的頻率階躍大小，以及選擇將在其下產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的相位偏移(如果有的話)。將以其產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的所需最大幅度值也通過(guò)數(shù)字輸入端口被輸入控制電路28。下面更詳細(xì)地討論測(cè)量電路的這些方面。數(shù)字輸入端口29包含串行數(shù)據(jù)輸入端30，串行時(shí)鐘端子31和幀同步端子32，適合于按照I2C、SPI或者任何其它通信協(xié)議通信。但是，如果需要，可以并行端口的形式提供數(shù)字輸入端口，這將取決于接口和控制電路28。
模擬和數(shù)字接地端子34和35分別為電路的模擬部分和測(cè)量電路1的數(shù)字部分提供外部接地。設(shè)置第一電源電壓端子36，以便接收向測(cè)量電路1模擬部分供電的5伏直流電源。設(shè)置第二電源電壓端子37，以便接收向測(cè)量電路1的數(shù)字部分供電的約2.7伏的電源電壓。電壓調(diào)節(jié)器38調(diào)節(jié)在第二端子37收到的電源電壓，以便為測(cè)量電路1的數(shù)字部分輸出2.5伏的穩(wěn)定電源。但是，在電源電壓端子36和37提供的電壓將取決于測(cè)量電路的數(shù)字和模擬部分。設(shè)置一個(gè)主時(shí)鐘端子40，用于接收信號(hào)發(fā)生電路7的外部主時(shí)鐘信號(hào)，根據(jù)外部主時(shí)鐘信號(hào)可得到激勵(lì)信號(hào)的頻率。施加于主時(shí)鐘端子40的外部主時(shí)鐘信號(hào)可以是任何適當(dāng)?shù)念l率，但是，在本發(fā)明的該實(shí)施例中，50MHz的外部時(shí)鐘信號(hào)被施加于主時(shí)鐘端子40。如本領(lǐng)域的技術(shù)人員所理解的那樣，對(duì)測(cè)量電路1的數(shù)字部分提供時(shí)鐘的時(shí)鐘信號(hào)由接口和控制電路28從主時(shí)鐘信號(hào)得到。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖2，信號(hào)發(fā)生電路7包含一個(gè)信號(hào)發(fā)生器43，在本發(fā)明的該實(shí)施例中，信號(hào)發(fā)生器43被實(shí)現(xiàn)成直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器，用于根據(jù)主時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生三種可變頻率的激勵(lì)信號(hào)。信號(hào)發(fā)生器43包含相位累積器(accumulator)45，在本發(fā)明的該實(shí)施例中，相位累積器45被實(shí)現(xiàn)成一個(gè)32位計(jì)數(shù)器，在主時(shí)鐘信號(hào)的每個(gè)周期，所述32位計(jì)數(shù)器把其計(jì)數(shù)遞增一個(gè)頻率確定數(shù)字字。一對(duì)第一存儲(chǔ)寄存器47和48保存兩個(gè)頻率確定數(shù)字字，以便載入相位累積器45中，從而確定激勵(lì)信號(hào)的頻率。頻率確定數(shù)字字由控制電路28順序?qū)懭氲谝淮鎯?chǔ)寄存器47和48，從第一存儲(chǔ)寄存器47和48交替載入頻率確定數(shù)字字，以通過(guò)頻率階躍使激勵(lì)信號(hào)的頻率順序步進(jìn)(step)。換句話說(shuō)，激勵(lì)信號(hào)的當(dāng)前頻率的頻率確定數(shù)字字從第一寄存器47和48之一被載入，而激勵(lì)信號(hào)的下一頻率值的頻率確定數(shù)字字從第一寄存器47和48中的另一個(gè)被載入。從而，這避免了當(dāng)激勵(lì)信號(hào)的頻率被從一個(gè)頻率值變到下一頻率值時(shí)的遲延。受控制電路28控制的第一多路復(fù)用器49把第一寄存器47和48中的恰當(dāng)一個(gè)寄存器切換到相位累積器45。
只讀存儲(chǔ)器(ROM)50保存查尋表，查尋表交叉引用相位累積器45從0到其最大計(jì)數(shù)值輸出的計(jì)數(shù)值與對(duì)應(yīng)的10位數(shù)字字，所述10位數(shù)字字代表從其得到正弦波形式的激勵(lì)信號(hào)的正弦波的幅度值。在主時(shí)鐘的每個(gè)時(shí)鐘周期，代表與相位累積器45輸出的計(jì)數(shù)值對(duì)應(yīng)的幅度值的數(shù)字字讀取自ROM50，并在控制電路28的控制下通過(guò)第二多路復(fù)用器52被載入數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC)51，DAC51再輸出對(duì)應(yīng)幅度值的模擬電壓。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，DAC51是10位DAC，來(lái)自相位累積器45的32位輸出計(jì)數(shù)值被截短為12個(gè)最高有效位，因?yàn)槭褂孟辔焕鄯e器45的全部32位不切實(shí)際且不必要，并且會(huì)需要ROM50中具有232個(gè)條目的查尋表。本發(fā)明的該實(shí)施例中的ROM50保存代表正弦波的一個(gè)象限的幅度值，根據(jù)相位累積器45輸出的計(jì)數(shù)值的前兩位最高有效位確定正弦波的象限。
第一旁路電路53旁路ROM50，以便通過(guò)第二多路復(fù)用器52，把數(shù)字計(jì)數(shù)值的10個(gè)最高有效位直接從相位累積器45載入DAC51，再用于以三角波的形式產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)。三角波的頻率與如果ROM50未被旁路，由DAC51產(chǎn)生的正弦波的頻率相似。
第二旁路電路54旁路ROM50和DAC51，以便把計(jì)數(shù)值的最高有效位從相位累積器45施加于比較器55的正輸入端。約為來(lái)自電壓調(diào)節(jié)器38的調(diào)節(jié)電源電壓的一半的參考電壓Vref被施加于比較器55的負(fù)輸入端，響應(yīng)來(lái)自相位累積器45的計(jì)數(shù)值的最高有效位，比較器55以方波的形式輸出激勵(lì)信號(hào)，所述方波通過(guò)第三多路復(fù)用器57被施加在信號(hào)發(fā)生電路7的輸出線路56上。方波電壓信號(hào)的頻率與如果ROM不被旁路，那么理應(yīng)由DAC51產(chǎn)生的正弦波的頻率相似。
響應(yīng)選擇的激勵(lì)信號(hào)的種類，第二和第三多路復(fù)用器52和57在接口和控制電路28的控制下工作。在需要正弦波形的激勵(lì)信號(hào)的情況下，第二多路復(fù)用器52被起動(dòng)，以便把代表正弦波的幅度的數(shù)字字施加于DAC51，第三多路復(fù)用器57被起動(dòng)，以便把DAC51的輸出電壓施加于輸出線路56。為了提供三角波形的激勵(lì)信號(hào)，第二多路復(fù)用器52被起動(dòng)，以便通過(guò)第一旁路電路53把來(lái)自相位累積器45的計(jì)數(shù)值直接施加于DAC51，第三多路復(fù)用器57被起動(dòng)，以便把DAC51的輸出電壓施加于輸出線路56。為了提供矩形波形的激勵(lì)信號(hào)，第三多路復(fù)用器57被起動(dòng)，以便把來(lái)自比較器55的輸出施加于輸出線路56。
位于相位累積器45之后的加法器58把偏移確定數(shù)字字與相位累積器45的每個(gè)輸出計(jì)數(shù)相加，以便產(chǎn)生具有相位偏移的激勵(lì)信號(hào)。一對(duì)14位的第二存儲(chǔ)寄存器59和60保存相應(yīng)的偏移確定數(shù)字字，受控制電路28控制的第四多路復(fù)用器61有選擇地把第二寄存器59和60切換到加法器58。響應(yīng)通過(guò)數(shù)字輸入端口29輸入控制電路28的所需相位偏移，偏移確定數(shù)字字由控制電路28寫(xiě)入相應(yīng)的第二寄存器59和60。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，第二寄存器59和60交替保存所需的當(dāng)前相位偏移，和所需的下一相位偏移的偏移數(shù)字字。
輸出線路56上，由信號(hào)發(fā)生器43輸出的頻率信號(hào)被施加到信號(hào)調(diào)節(jié)電路63，信號(hào)調(diào)節(jié)電路63設(shè)置將通過(guò)輸出端8被應(yīng)用于復(fù)合阻抗電路2的激勵(lì)信號(hào)的最大電壓幅度。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，信號(hào)調(diào)節(jié)電路63由可編程增益元件提供，并在控制電路28的控制下工作，提供所需最大電壓幅度值的激勵(lì)信號(hào)。
現(xiàn)在參見(jiàn)圖1和3，第一接收電路10包含模擬電流-電壓轉(zhuǎn)換器64，用于把來(lái)自復(fù)合阻抗電路2的響應(yīng)信號(hào)(它一般是模擬電流信號(hào))轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。在本發(fā)明的該實(shí)施例中，電流-電壓變換器64由運(yùn)算放大器(op-amp)65實(shí)現(xiàn)。模擬響應(yīng)電壓信號(hào)通過(guò)第五多路復(fù)用器67被有選擇地施加到第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68，第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68把響應(yīng)電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字值，從而提供數(shù)字形式的第一輸出信號(hào)。第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68是一個(gè)12位的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，第一輸出信號(hào)的數(shù)字值通過(guò)多路分解器69和第一數(shù)字輸出端口14，從第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68被讀取。第一均方根(RMS)-DC電壓轉(zhuǎn)換電路70把響應(yīng)電壓信號(hào)成與響應(yīng)電壓信號(hào)的RMS電壓對(duì)應(yīng)的DC電壓電平信號(hào)，來(lái)自第一轉(zhuǎn)換電路70的DC電壓電平通過(guò)第五多路復(fù)用67被選擇地施加到第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68。第五多路復(fù)用器67在控制電路28的控制下工作，用于有選擇地把來(lái)自電流-電壓轉(zhuǎn)換器64的模擬電壓響應(yīng)信號(hào)和來(lái)自第一RMS-DC電壓轉(zhuǎn)換電路70的DC電壓電平信號(hào)中的一個(gè)或另一個(gè)施加到第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68。
在期望通過(guò)第一數(shù)字輸出端口14讀取的第一輸出信號(hào)表示由復(fù)合阻抗電路2引起的響應(yīng)信號(hào)跟激勵(lì)信號(hào)的相移的情況下，第五多路復(fù)用器67被起動(dòng)，以便把來(lái)自電流-電壓轉(zhuǎn)換器64的響應(yīng)電壓信號(hào)施加到第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68。另一方面，在期望通過(guò)第一數(shù)字輸出端口14讀取的第一輸出信號(hào)表示出由復(fù)合阻抗電路2引起的激勵(lì)信號(hào)的幅度變化的情況下，在接口和控制電路28的控制下起動(dòng)第五多路復(fù)用器67，以便把來(lái)自第一RMS-DC電壓轉(zhuǎn)換電路70的DC電壓電平信號(hào)施加到第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68。
包含第一RAM71的第一存儲(chǔ)裝置保存來(lái)自第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68的第一輸出信號(hào)的數(shù)字值，以便于第一輸出信號(hào)的后續(xù)讀出。通過(guò)第一數(shù)字輸出端口14，從第一RAM71讀取第一輸出信號(hào)的保存數(shù)字值。
再次參見(jiàn)圖1，第二接收電路20包含第二RMS-DC電壓轉(zhuǎn)換器72，第二RMS-DC電壓轉(zhuǎn)換器72把激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與激勵(lì)信號(hào)的RMS電壓對(duì)應(yīng)的DC電壓電平信號(hào)。受控制電路28控制的第六多路復(fù)用器73有選擇地把來(lái)自第二RMS-DC電壓轉(zhuǎn)換器72的DC電壓信號(hào)，或者把激勵(lì)信號(hào)直接施加到第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75，第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75再提供數(shù)字形式的第二輸出信號(hào)。第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75是一個(gè)12位的模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，通過(guò)第二數(shù)字輸出端口22，從第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75讀取第二數(shù)字輸出信號(hào)。
第六多路復(fù)用器73在控制電路28的控制下被操作，以便把激勵(lì)信號(hào)直接施加到第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75，當(dāng)?shù)谝唤邮针娐?0的第五多路復(fù)用器67被起動(dòng)，以便把來(lái)自電流-電壓轉(zhuǎn)換器64的響應(yīng)電壓信號(hào)施加到第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68，以便于響應(yīng)信號(hào)跟激勵(lì)信號(hào)的相移的比較。當(dāng)?shù)谖宥嗦窂?fù)用器67被操作，以便把來(lái)自第一RMS-DC電壓轉(zhuǎn)換電路70的DC電壓信號(hào)施加到第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68時(shí)，如果希望比較第一和第二輸出信號(hào)的DC電壓電平，那么第六多路復(fù)用器73在控制電路28的控制下被操作，以便把來(lái)自第二RMS-DC電壓轉(zhuǎn)換器72的DC電壓信號(hào)施加到第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75。
第六多路復(fù)用器73還在控制電路28的控制下有選擇地把來(lái)自片上溫度傳感器77的模擬溫度信號(hào)施加到第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75，第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75把溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式，以便于通過(guò)第二數(shù)字輸出端口22的芯片5的溫度的讀取。通過(guò)第二數(shù)字輸出端口22讀取的溫度信號(hào)隨后可被用于校正第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)的溫度偏移。溫度傳感器77可以是任何所需的結(jié)構(gòu)，一般可由采取Brokaw(布羅考)電池的形式，在不同的電流強(qiáng)度下工作的一對(duì)二極管連接的雙極晶體管提供。還可設(shè)置向Brokaw電池提供電流的恰當(dāng)電源。另一方面，溫度傳感器77可用從位于外部的溫度傳感器接收模擬溫度信號(hào)的輸入端代替，所述位于外部的溫度傳感器可位于復(fù)合阻抗電路2中，以便于通過(guò)第一數(shù)字輸出端口14讀出的第一數(shù)字輸出信號(hào)的隨后溫度偏移校正。
包含第二RAM78的第二存儲(chǔ)裝置保存來(lái)自第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75的第二數(shù)字輸出信號(hào)的數(shù)字值，以便于隨后通過(guò)第二數(shù)字輸出端口22從第二接收電路20讀出第二數(shù)字輸出信號(hào)。
在芯片5中形成的第一耦合電路80有選擇地使信號(hào)發(fā)生電路7的第一輸出端8通過(guò)第一CMOS開(kāi)關(guān)81與第一接收電路10的第一輸入端11耦接。同樣在芯片5中形成的第二耦合電路82有選擇地使信號(hào)發(fā)生電路7的輸出端8通過(guò)第二CMOS開(kāi)關(guān)83與第二接收電路20的第二輸入端21耦接。在控制電路28的控制下，有選擇地操作第一和第二CMOS開(kāi)關(guān)81和83，以便直接向第一和第二接收電路10和20施加激勵(lì)信號(hào)。
在芯片5中形成的校準(zhǔn)電路85分別通過(guò)第三和第四CMOS開(kāi)關(guān)86和87，分別與第一和第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68和75的數(shù)字輸出端耦接。第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68通過(guò)多路分解器69與校準(zhǔn)電路85耦接。在第一接收電路10的校正期間，在控制電路28的控制下，第三和第四開(kāi)關(guān)86和87與第一和第二開(kāi)關(guān)81和83一起被操作。為了校準(zhǔn)第一接收電路10，第一和第二CMOS開(kāi)關(guān)81和83被閉合，第三和第四CMOS開(kāi)關(guān)86和87也一樣。激勵(lì)信號(hào)由信號(hào)發(fā)生電路7產(chǎn)生，并通過(guò)第一和第二耦合電路80和82被施加到第一和第二接收電路10和20。激勵(lì)信號(hào)通過(guò)電流和電壓轉(zhuǎn)換器64被施加到第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68，并被直接施加到第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75。在校準(zhǔn)電路85中確定第一和第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68和75的輸出的數(shù)字值的差，以便向第一接收電路提供校準(zhǔn)系數(shù)，用于補(bǔ)償由電流-電壓轉(zhuǎn)換器64和第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68引入的誤差。校準(zhǔn)系數(shù)被保存在校準(zhǔn)系數(shù)存儲(chǔ)寄存器88中。
提供在芯片5上形成的補(bǔ)償電路89，以便把保存在寄存器88中的校準(zhǔn)系數(shù)加入到來(lái)自第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68的輸出中，補(bǔ)償由第一接收電路10引入響應(yīng)信號(hào)中的誤差。當(dāng)希望補(bǔ)償引入響應(yīng)信號(hào)中的誤差時(shí)，在控制電路28的控制下操作多路分解器69，使得通過(guò)補(bǔ)償電路89讀取來(lái)自第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68的第一數(shù)字輸出信號(hào)。因此，通過(guò)經(jīng)數(shù)字輸入端口29對(duì)控制電路28恰當(dāng)編程，以便控制多路分解器69的操作，可在無(wú)誤差補(bǔ)償?shù)那闆r下直接從第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68讀取第一數(shù)字輸出信號(hào)，或者在進(jìn)行誤差補(bǔ)償?shù)那闆r下，通過(guò)補(bǔ)償電路89讀取第一數(shù)字輸出信號(hào)。類似地，在補(bǔ)償或不補(bǔ)償由第一接收電路10引入的誤差的情況下，第一數(shù)字輸出信號(hào)的數(shù)字值可被寫(xiě)入第一RAM71。
出于比較或其它目的，可通過(guò)接口和控制電路28編程的信號(hào)處理電路90對(duì)第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)之一或者兩者進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算。例如，信號(hào)處理電路可被編程，以便對(duì)第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)任意之一或者兩者進(jìn)行快速傅里葉變換。在信號(hào)處理電路90中第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)之一或者兩者的處理產(chǎn)生的第三數(shù)字輸出信號(hào)可通過(guò)第一數(shù)字輸出端口14或者第二數(shù)字輸出端口22被讀取，并可被寫(xiě)入第一RAM71或者第二RAM78，以便隨后通過(guò)第一或第二數(shù)字輸出端口14或22讀出。
雖然未示出，本領(lǐng)域的技術(shù)人員了解，測(cè)量電路1的各個(gè)組件可由控制電路28適當(dāng)?shù)靥峁r(shí)鐘(clock)。
使用中，通過(guò)數(shù)字輸入端口29把頻率范圍和以其激勵(lì)信號(hào)步進(jìn)的頻率階躍輸入控制電路28。另外，激勵(lì)信號(hào)的所需最大電壓幅度也通過(guò)數(shù)字輸入端口29被輸入控制電路28?？刂齐娐?8也通過(guò)數(shù)字輸入端口29被編程，以便操作第二和第三多路復(fù)用器52和57，取決于是將以正弦波、三角波還是方波的形式提供激勵(lì)信號(hào)。如果將以一個(gè)或多個(gè)相位偏移在不同的頻率下產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)，那么所需的相位偏移也通過(guò)數(shù)字輸入端口29被輸入控制電路28。控制電路28還通過(guò)數(shù)字輸入端口29被編程，以便操作第五和第六多路復(fù)用器67和73，用于提供表示出響應(yīng)信號(hào)中由復(fù)合阻抗電路2引起的相移或幅度變化的第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)?？刂齐娐?8還被編程，以便根據(jù)第一數(shù)字輸出信號(hào)是否要被補(bǔ)償由第一接收電路10引入的誤差，操作多路分解器69?？刂齐娐愤€被編程為把第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)的數(shù)字值保存在第一和第二RAM71和78中，或者從第一和第二RAM71和78讀出所述數(shù)字值。如果第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)中的任意之一或者兩者將在信號(hào)處理電路90中被處理，那么通過(guò)接口和控制電路28對(duì)信號(hào)處理電路90恰當(dāng)編程。
假定測(cè)量電路1已被校準(zhǔn)，測(cè)量電路1隨時(shí)可以使用，并且第一、第三和第四開(kāi)關(guān)81、86和87工作在開(kāi)路狀態(tài)下。第二開(kāi)關(guān)83工作在閉路狀態(tài)下，以便通過(guò)第二耦合電路82把激勵(lì)信號(hào)施加到第二接收電路20。復(fù)合阻抗電路2與測(cè)量電路1連接，使得激勵(lì)信號(hào)通過(guò)輸出端8被施加到復(fù)合阻抗電路2，來(lái)自復(fù)合阻抗電路2的響應(yīng)信號(hào)被施加到第一輸入端11。如果需要，代替通過(guò)第二耦合電路82直接把激勵(lì)信號(hào)施加到第二接收電路20，可通過(guò)耦合復(fù)合阻抗電路2的輸入端與第二輸入端21的外部線路，例如通過(guò)圖1中用虛線表示的外部線路92，把激勵(lì)信號(hào)施加到第二輸入端21。之后，根據(jù)第五和第六多路復(fù)用器67和73的設(shè)置，來(lái)自電流-電壓轉(zhuǎn)換器64的響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)被分別直接施加到第一和第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68和75，并且分別從第一和第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68和75讀取第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)。根據(jù)多路分解器69的設(shè)置，可直接地或者通過(guò)補(bǔ)償電路89，從第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68讀取第一數(shù)字輸出信號(hào)。另一方面，第五和第六多路復(fù)用器67和73可被設(shè)置成把響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)的DC電壓電平施加到第一和第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68和75。
隨后可在任何適當(dāng)?shù)谋容^電路中比較從測(cè)量電路1讀出的響應(yīng)信號(hào)和激勵(lì)信號(hào)。另一方面，如果第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)的數(shù)字值被保存在第一和第二RAM71和78中，那么分別通過(guò)第一和第二數(shù)字輸出端口14和22，可從相應(yīng)的第一和第二RAM71和78讀取第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)。另一方面，如果第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)之一或者兩者在信號(hào)處理電路90中被處理，那么由第一和第二數(shù)字輸出信號(hào)之一或者兩者的信號(hào)處理產(chǎn)生的第三數(shù)字輸出信號(hào)可被寫(xiě)入第一RAM71中或者被讀取，以便隨后通過(guò)第一數(shù)字輸出端口14讀取，或者可通過(guò)第一數(shù)字輸出端口14直接從信號(hào)處理電路90讀取。
一般來(lái)說(shuō)，考慮第六多路復(fù)用器73只在最初被操作，或者在最初以及在測(cè)量電路1的工作期間定期被操作，以便于從溫度傳感器77讀出溫度，所述溫度由第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式。
在測(cè)量電路1的操作之前，如前所述，關(guān)于電流-電壓轉(zhuǎn)換器64和第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器68引入的誤差，校準(zhǔn)測(cè)量電路1。
考慮通過(guò)從接口和控制電路28提供適當(dāng)?shù)拇谢虿⑿休敵龆丝?，可通過(guò)接口和控制電路28讀出保存在第一和第二RAM71和78中的第一、第二或第三數(shù)字輸出信號(hào)。
雖然信號(hào)發(fā)生器被描述成直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器，不過(guò)可以使用任何適當(dāng)?shù)男盘?hào)發(fā)生器。
通過(guò)在相同芯片上提供信號(hào)處理電路、第一接收電路和第二接收電路(在提供第二接收電路的情況下)，相同的主時(shí)鐘信號(hào)可被用于這三個(gè)電路，在信號(hào)發(fā)生電路和第一及第二接收電路之間確保同步，此外，實(shí)現(xiàn)了信號(hào)發(fā)生電路和第一及第二接收電路的匹配，避免了各個(gè)電路造成的誤差的累加。
雖然測(cè)量電路被描述成包含第二接收電路，不過(guò)在一些情況下，考慮第二接收電路可被省略。
不必說(shuō)，雖然描述了直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生電路的一種特定實(shí)現(xiàn)，不過(guò)可以使用直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生電路的其它適當(dāng)實(shí)現(xiàn)。
雖然測(cè)量電路被描述成包含位于芯片中的溫度傳感器，雖然這是更可取的并且確實(shí)有利，不過(guò)它不是必需的，此外，第六多路復(fù)用器73不是必需適合于把溫度信號(hào)切換到第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器75。
雖然直接數(shù)字合成器的相位累積器、ROM和DAC被描述成為特定的位大小，不過(guò)可以提供為任意適當(dāng)位大小的相位累積器、ROM和DAC。還可以理解也可提供任意適當(dāng)或所需位大小的第一和第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器。
雖然信號(hào)發(fā)生電路被描述成適合于產(chǎn)生特定波形的激勵(lì)信號(hào)，不過(guò)應(yīng)當(dāng)理解可以產(chǎn)生其它波形的激勵(lì)信號(hào)。此外，雖然激勵(lì)信號(hào)被描述成為電壓信號(hào)，不過(guò)激勵(lì)信號(hào)可以是電流信號(hào)，這種情況下，信號(hào)調(diào)節(jié)電路63將適于設(shè)置激勵(lì)信號(hào)的電流電平。
權(quán)利要求
1.一種確定復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性以便于復(fù)合阻抗元件的阻抗的表征的測(cè)量電路，其特征在于所述測(cè)量電路在單一芯片上實(shí)現(xiàn)，并且包括信號(hào)發(fā)生電路，用于產(chǎn)生可選頻率的模擬激勵(lì)信號(hào)，以施加到復(fù)合阻抗元件；第一接收電路，用于接收響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)，并輸出表示復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性的第一輸出信號(hào)用于復(fù)合阻抗元件的阻抗的表征。
2.按照權(quán)利要求1所述的測(cè)量電路，其特征在于第一接收電路輸出表示出由復(fù)合阻抗元件引起的激勵(lì)信號(hào)的相移和幅度變化之一的第一輸出信號(hào)。
3.按照權(quán)利要求2所述的測(cè)量電路，其特征在于第一接收電路有選擇并且交替地輸出表示由復(fù)合阻抗元件引起的激勵(lì)信號(hào)的相移和幅度變化之一的第一輸出信號(hào)。
4.按照權(quán)利要求2或3所述的測(cè)量電路，其特征在于第一接收電路包含可選擇的第一轉(zhuǎn)換電路，用于把來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成適合于與激勵(lì)信號(hào)比較的電壓信號(hào)。
5.按照權(quán)利要求4所述的測(cè)量電路，其特征在于第一轉(zhuǎn)換電路包含可選擇的第一均方根(RMS)-DC電壓轉(zhuǎn)換器，用于把來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與模擬響應(yīng)信號(hào)的RMS電壓值對(duì)應(yīng)的DC電壓電平。
6.按照任意前述權(quán)利要求所述的測(cè)量電路，其特征在于第一接收電路包含電流-電壓轉(zhuǎn)換電路，用于把模擬響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號(hào)。
7.按照任意前述權(quán)利要求所述的測(cè)量電路，其特征在于第一接收電路包含第一模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于把來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便以數(shù)字信號(hào)的形式提供第一輸出信號(hào)。
8.按照權(quán)利要求7所述的測(cè)量電路，其特征在于第一接收電路包含第一存儲(chǔ)裝置，用于保存數(shù)字形式的第一輸出信號(hào)。
9.按照任意前述權(quán)利要求所述的測(cè)量電路，其特征在于在所述芯片上設(shè)置校準(zhǔn)電路，用于確定校準(zhǔn)系數(shù)以便校準(zhǔn)第一接收電路，所述校準(zhǔn)電路包括保存校準(zhǔn)系數(shù)的系數(shù)存儲(chǔ)裝置。
10.按照權(quán)利要求9所述的測(cè)量電路，其特征在于在所述芯片上設(shè)置補(bǔ)償電路，用于有選擇地把校準(zhǔn)系數(shù)應(yīng)用于第一輸出信號(hào)，以便關(guān)于由第一接收電路引入響應(yīng)信號(hào)中的誤差校正第一輸出信號(hào)。
11.按照權(quán)利要求9或10所述的測(cè)量電路，其特征在于在所述芯片上設(shè)置第一耦合電路，用于有選擇地把激勵(lì)信號(hào)施加到第一接收電路，以便校準(zhǔn)第一接收電路。
12.按照任意前述權(quán)利要求所述的測(cè)量電路，其特征在于在所述芯片上設(shè)置第二接收電路，用于接收模擬激勵(lì)信號(hào)，輸出代表激勵(lì)信號(hào)的第二輸出信號(hào)，以便與第一輸出信號(hào)比較，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性的確定。
13.按照權(quán)利要求12所述的測(cè)量電路，其特征在于第二接收電路包含第二模-數(shù)轉(zhuǎn)換器，用于把模擬激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而以數(shù)字信號(hào)的形式提供第二輸出信號(hào)。
14.按照權(quán)利要求13所述的測(cè)量電路，其特征在于第二接收電路包含保存數(shù)字形式的第二輸出信號(hào)的第二存儲(chǔ)裝置。
15.按照權(quán)利要求12-14任意之一所述的測(cè)量電路，其特征在于第二接收電路包含可選擇的第二RMS-DC電壓轉(zhuǎn)換器，用于把模擬激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成與模擬激勵(lì)信號(hào)的RMS值對(duì)應(yīng)的電壓電平的DC信號(hào)。
16.按照權(quán)利要求12-15任意之一所述的測(cè)量電路，其特征在于第二接收電路包含輸入信號(hào)開(kāi)關(guān)電路，用于有選擇并且交替地把模擬激勵(lì)信號(hào)和來(lái)自溫度傳感器的信號(hào)之一施加到第二接收電路。
17.按照權(quán)利要求16所述的測(cè)量電路，其特征在于溫度傳感器設(shè)置在所述芯片上。
18.按照權(quán)利要求12-17任意之一所述的測(cè)量電路，其特征在于在所述芯片上設(shè)置第二耦合電路，用于有選擇地把模擬激勵(lì)信號(hào)施加到第二接收電路。
19.按照權(quán)利要求12-18任意之一所述的測(cè)量電路，其特征在于在所述芯片上設(shè)置信號(hào)處理電路，用于處理第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)之一或者兩者，輸出由第一輸出信號(hào)和第二輸出信號(hào)之一或者兩者的處理產(chǎn)生的第三輸出信號(hào)。
20.按照任意前述權(quán)利要求所述的測(cè)量電路，其特征在于信號(hào)發(fā)生電路包含設(shè)置激勵(lì)信號(hào)的電壓電平和電流電平之一的信號(hào)調(diào)節(jié)電路。
21.按照任意前述權(quán)利要求所述的測(cè)量電路，其特征在于信號(hào)發(fā)生電路包含用于產(chǎn)生激勵(lì)信號(hào)的直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器。
22.按照權(quán)利要求21所述的測(cè)量電路，其特征在于直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器包含相位累積器，所述相位累積器包括計(jì)數(shù)器，所述計(jì)數(shù)器響應(yīng)時(shí)鐘信號(hào)的每個(gè)周期，把其計(jì)數(shù)遞增頻率確定數(shù)字字直到預(yù)定的最大計(jì)數(shù)值為止，或者從預(yù)定的最大計(jì)數(shù)值開(kāi)始把其計(jì)數(shù)遞減頻率確定數(shù)字字；相位-幅度轉(zhuǎn)換器，用于把來(lái)自相位累積器的計(jì)數(shù)值轉(zhuǎn)換成代表激勵(lì)信號(hào)的幅度值的數(shù)字字；和數(shù)-模轉(zhuǎn)換器，用于把來(lái)自相位-幅度轉(zhuǎn)換器的數(shù)字字轉(zhuǎn)換成激勵(lì)信號(hào)。
23.按照權(quán)利要求22所述的測(cè)量電路，其特征在于相位-幅度轉(zhuǎn)換器包含查尋表，代表激勵(lì)信號(hào)的幅度值的數(shù)字字與相位累積器輸出的從0到預(yù)定最大計(jì)數(shù)值的計(jì)數(shù)值被交叉引用。
24.按照權(quán)利要求22或23所述的測(cè)量電路，其特征在于信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)是正弦波形。
25.按照權(quán)利要求22-24任意之一所述的測(cè)量電路，其特征在于設(shè)置第一旁路電路，以便把來(lái)自相位累積器的計(jì)數(shù)值直接施加到數(shù)-模轉(zhuǎn)換器，從而從數(shù)-模轉(zhuǎn)換器提供的激勵(lì)信號(hào)是三角波形。
26.按照權(quán)利要求22-25任意之一所述的測(cè)量電路，其特征在于第二旁路電路旁路數(shù)-模轉(zhuǎn)換器，以便把來(lái)自相位累積器的計(jì)數(shù)值施加到比較器，比較計(jì)數(shù)值的最高有效位與參考值，從而以矩形波形的形式提供激勵(lì)信號(hào)。
27.按照權(quán)利要求22-26任意之一所述的測(cè)量電路，其特征在于直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器包含加法器，用于把相位偏移數(shù)字字與相位累積器輸出的每個(gè)計(jì)數(shù)值相加，從而使激勵(lì)信號(hào)的相位偏移預(yù)定的偏移量。
28.按照權(quán)利要求27所述的測(cè)量電路，其特征在于相位偏移數(shù)字字是可選擇的，以便選擇激勵(lì)信號(hào)的相位偏移。
29.按照權(quán)利要求22-28任意之一所述的測(cè)量電路，其特征在于頻率確定數(shù)字字是可選的，以便選擇激勵(lì)信號(hào)的頻率。
30.按照任意前述權(quán)利要求所述的測(cè)量電路，其特征在于測(cè)量電路被實(shí)現(xiàn)為集成電路。
31.一種確定復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性以便于復(fù)合阻抗元件的阻抗的表征的方法，其特征在于所述方法包括下述步驟在單一芯片上設(shè)置信號(hào)發(fā)生電路，用于產(chǎn)生可選頻率的模擬激勵(lì)信號(hào)，以便施加到復(fù)合阻抗元件，在所述單一芯片上設(shè)置第一接收電路，用于接收響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)，來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)，并輸出表示復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性的第一輸出信號(hào)用于復(fù)合阻抗元件的阻抗的表征，操作信號(hào)發(fā)生電路，以便把激勵(lì)信號(hào)施加到復(fù)合阻抗元件，把響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)施加到第一接收電路，和操作第一接收電路，輸出表示復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性的第一輸出信號(hào)。
32.按照權(quán)利要求31所述的方法，其特征在于第一接收電路有選擇并且交替地輸出表示由復(fù)合阻抗元件引起的激勵(lì)信號(hào)的相移和幅度變化之一的第一輸出信號(hào)。
33.按照權(quán)利要求31或32所述的方法，其特征在于來(lái)自復(fù)合阻抗元件的響應(yīng)信號(hào)在第一接收電路中被轉(zhuǎn)換成適合于與激勵(lì)信號(hào)比較的電壓信號(hào)。
34.按照權(quán)利要求33所述的方法，其特征在于來(lái)自復(fù)合阻抗元件的響應(yīng)信號(hào)在第一接收電路中被轉(zhuǎn)換成與模擬響應(yīng)信號(hào)的RMS電壓值對(duì)應(yīng)的電壓電平的DC信號(hào)。
35.按照權(quán)利要求31-34任意之一所述的方法，其特征在于來(lái)自復(fù)合阻抗元件的模擬響應(yīng)信號(hào)在第一接收電路中被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，以便以數(shù)字信號(hào)的形式提供第一輸出信號(hào)。
36.按照權(quán)利要求31-35任意之一所述的方法，其特征在于所述方法還包括在所述單一芯片上制備第二接收電路的步驟，所述第二接收電路用于接收模擬激勵(lì)信號(hào)，輸出代表激勵(lì)信號(hào)的第二輸出信號(hào)，以便與第一輸出信號(hào)比較，以實(shí)現(xiàn)復(fù)合阻抗元件的阻抗的特性的確定。
37.按照權(quán)利要求36所述的方法，其特征在于模擬激勵(lì)信號(hào)在第二接收電路中被轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，從而以數(shù)字信號(hào)的形式提供第二輸出信號(hào)。
38.按照權(quán)利要求36或37所述的方法，其特征在于模擬激勵(lì)信號(hào)在第二接收電路中被轉(zhuǎn)換成與模擬激勵(lì)信號(hào)的RMS值對(duì)應(yīng)的電壓電平的DC信號(hào)。
39.按照權(quán)利要求31-38任意之一所述的方法，其特征在于以直接數(shù)字合成頻率信號(hào)發(fā)生器的形式提供信號(hào)發(fā)生電路。
全文摘要
一種用于確定外部復(fù)合阻抗電路(2)的阻抗的特性，以便于復(fù)合阻抗電路(2)的阻抗的表征的單片集成電路測(cè)量電路(1)，它包括信號(hào)發(fā)生電路(7)，用于產(chǎn)生可變頻率激勵(lì)信號(hào)，以施加到復(fù)合阻抗電路(2)。第一接收電路(10)接收響應(yīng)激勵(lì)信號(hào)，來(lái)自復(fù)合阻抗電路(2)的響應(yīng)信號(hào)，并調(diào)節(jié)響應(yīng)信號(hào)。第一模－數(shù)轉(zhuǎn)換器(68)把調(diào)節(jié)后的響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成第一數(shù)字輸出信號(hào)，通過(guò)第一數(shù)字輸出端口(14)從第一模－數(shù)轉(zhuǎn)換器(68)讀取所述第一數(shù)字輸出信號(hào)。來(lái)自復(fù)合阻抗電路(2)的響應(yīng)信號(hào)是電流信號(hào)，電流－電壓轉(zhuǎn)換器電路(64)把響應(yīng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。第一RMS－DC電平轉(zhuǎn)換電路(70)把響應(yīng)信號(hào)的AC電壓轉(zhuǎn)換成DC電壓電平，第四多路復(fù)用器(67)有選擇地把電壓響應(yīng)信號(hào)或者DC電壓電平信號(hào)施加到第一模－數(shù)轉(zhuǎn)換器(68)，取決于是否希望第一數(shù)字輸出信號(hào)應(yīng)表示響應(yīng)信號(hào)中相對(duì)于激勵(lì)信號(hào)的相移或幅度變化。第二接收電路(20)接收激勵(lì)信號(hào)，類似地把激勵(lì)信號(hào)轉(zhuǎn)換成第二數(shù)字輸出信號(hào)，以便于響應(yīng)信號(hào)與激勵(lì)信號(hào)的比較。
文檔編號(hào)G01R27/02GK1853108SQ200480026978
公開(kāi)日2006年10月25日 申請(qǐng)日期2004年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2003年9月17日
發(fā)明者詹姆斯·F·卡弗雷, 科爾姆·F·斯拉特瑞, 阿爾博特·歐格拉黛 申請(qǐng)人:阿納洛格裝置公司