[发明专利]交流自平衡电桥的直流偏置输出系统和方法

说明书

本发明公开了一种交流自平衡电桥的直流偏置输出系统和方法。交流自平衡电桥的直流偏置输出系统包括：电源模块，包括电力接口；直流电压源模块，输入端连接于所述电源模块，输出端用于连接自平衡电桥的交流电压激励输出模块；直流电流源模块，输入端连接于所述电源模块，输出端用于分别连接于所述自平衡电桥的待测器件的高电势端和低电势端；控制模块，连接于所述直流电压源模块和直流电流源模块。本发明通过直流电压源模块向交流电压激励输出模块输出的激励信号施加直流偏置电压；同时，通过直流电流源模块向平衡电桥的待测器件的两端施加直流偏置电流，实现在交流自平衡电桥中向待测器件施加较高的直流偏置电压电流。

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，特别是涉及一种交流自平衡电桥的直流偏置输出系统和方法。

背景技术

阻抗是电路中的电阻、电容与电感对电流起到的阻碍作用，是描述电子电路、电子器件、电子器件制造原料特性的重要参量。随着电子技术的不断发展、人类对于电子设备使用需求的不断拓宽与深入，电子电路的发展向着提高集成度、降低功耗、提升性能、加强稳定性的目标前进。在这样的发展背景下，阻抗测量成为助力研究与发展的重要技术。

直流偏置源在阻抗测量技术中的重要作用体现在电容、电感以及半导体器件的阻抗分析中。对于电容而言，特别是高K值陶瓷电容，达到一定程度的直流偏压将导致电容器的电容值发生显著的改变。对电感而言，受到外部磁场的作用，磁芯内的小磁畴转向外部的磁场方向，当外部磁场撤去时，一部分偏转方向较小的小磁畴能够回到原方向，又有一部分偏转方向较大的磁畴由于无法克服磁畴壁的摩擦力，不能恢复到原有的状态，而这部分的能量最后转变为热能，即是磁滞损耗。当存在直流偏置电流时，产生的偏置磁场使一些磁畴发生刚性转动，另一部分的与磁畴壁的摩擦力增大，则表现出磁滞损耗增大的特性。

对于常用的宽范围高精度自平衡电桥法测量阻抗技术中，如何有效地向待测器件施加所需的电压或者电流直流偏置有以下难点：

1)在交流自平衡电桥中要将交流电压激励信号输出调整为交流电压叠加直流电压的激励信号输出。

2)对于大多数直流偏置情况下的阻抗测量情景而言，往往需要仪器具有较强的直流偏置输出能力，对于直流偏置电压而言，从几伏到几十伏的直流偏置输出范围都是常用的，因此在自平衡电桥的设计中不仅需要考虑如何将交流信号与直流偏置叠加，还要考虑在大幅值的直流偏置下如何保持电路系统的稳定性和准确性。

3)常用的信号叠加方案，如使用运算放大器加法电路的方案，处于深度负反馈状态的运算放大器将导致交流信号源同时需要具备一定的直流驱动能力来电流以维持“虚短”状态，而如果通过增加隔直电容以隔绝直流信号对交流信号源输出端影响的方案，由于电容阻抗与频率相关，运算放大器输出电压信号的增益倍数也会随着信号频率而发生改变，从而影响道输出信号的精度。此外由于运算放大器的非理想化，无法同时兼顾大输出电压幅值和高增益带宽积，因此在宽范围、高精度的阻抗测量应用场景中，传统模拟方法的交直流叠加方案是难以满足实际需求的。

4)对于能够满足通用阻抗测量需求的阻抗测量系统而言，不仅需要能够提供直流偏置电压，以满足电容在直流偏置下特定阻抗参数的测量需求，也要能够提供直流偏置电流，以满足电感在直流偏置下特定阻抗参数的测量需求。直流偏置电压需要的是能达到几十伏的电压，这种较高的电压是大大超出一般电子测量系统工作电压的；直流偏置电流需要的是能达到百毫安到安级别的电流，这就需要直流偏置系统具有较强的驱动能力。所以对于一个能够满足通用阻抗测量需求的阻抗测量系统而言，其直流偏置输出系统既要能做到输出大电压，又要能输出大电流，这样的仪器电路结构是有很高要求的。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供了一种交流自平衡电桥的直流偏置输出系统和方法，在保证子平衡电桥的稳定性和准确性的前提小，能够满足阻抗测量中对高电压、大电流偏置的要求。

本发明的目的及解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。依据本发明提出的一种交流自平衡电桥的直流偏置输出系统，包括：