CN104267244B - 一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法，可实现测量两个交直流电压信号的直流分量的比例，将阻抗测量转换为测量电压直流分量的比例，大大提高阻抗的测量精度。本发明的积分比例电路，包括运算放大器、积分放大器、比较器；运算放大器的正输入端分别通过四个开关连接被测信号、标准电压源的正负输出端及地电位，运算放大器的输出端与负输入端相连，并通过限流电阻连接积分放大器的负输入端，积分放大器的输出端连接比较器的正输入端；积分放大器的负输入端和输出端之间连接积分电容，积分电容的两端具有充电开关；积分放大器的正输入端连接正向端参考电压，比较器的负输入端连接负向端参考电压。

Description

一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法

技术领域

本发明涉及交流电量测量技术领域，尤其涉及一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法。

背景技术

阻抗是电路中电阻、电感、电容对交流电的阻碍作用的统称。阻抗将电阻的概念加以延伸至交流电路领域，不仅描述电压与电流的相对振幅，也描述其相对相位。当通过电路的电流是直流电时，电阻与阻抗相等，电阻可以视为相位为零的阻抗。阻抗通常以符号Z标记，根据阻抗的有源定义，阻抗是复数，是复数电压与复数电流之比，即Z＝U/I，也可以以相量Z_m＜θ或Z_me^jθ来表示；其中，Z_m表示阻抗的大小，是电压振幅与电流振幅的绝对值比率，θ表示阻抗的相位，是电压与电流的相位差，这种表式法称为“相量表示法”。

目前，测量阻抗的方法主要有电桥法、谐振法和矢量阻抗法，电桥法基本工作原理是基于四臂电桥电路，但电桥法需要反复进行平衡调节，操作方法繁琐、费时，且测量范围受限，很难实现快速自动测量；谐振法以LC回路的谐振特性为基础，通过测定谐振频率和已知的电感或电容计算出被测阻抗，矢量阻抗法以阻抗的定义为基础，将测试信号电压加到被测件，测试信号电流流过被测件，由电压和电流之比计算测试端阻抗；但这些测量方法都要求激励信号是低失真度的正弦波信号，然而，频率较高的低失真度的正弦波信号很难获得，这就限制了阻抗测量精度的提高和测量范围的扩大。

近年来，随着科学技术的进步，测量阻抗的方法正在向数字化、智能化、程控化的水平发展，以提高阻抗的测量精度和测量范围。目前常使用双积分电路用于阻抗测量，其基本原理是将阻抗参数的测量转换为电压量的测量。但目前所使用的测量阻抗的双积分电路大都采用直接测量直流电压的双积分电路，分别测量四个电压值，而后进行计算，由于四个电压值极性不定，有正有负，分别为其正电压源及负电压源所测，正电压源、负电压源及积分的初始电压易受到其长期漂移及温湿度变化的影响，进而影响测量值的准确度。

发明内容

本发明提供一种积分比例电路及基于积分比例电路的阻抗测量方法，可实现测量直流分量的比例，将阻抗测量转换为测量电压直流分量的比例，大大提高阻抗的测量精度；其积分比例电路可广泛用于包括阻抗测试仪、功率分析仪、相位表、相角表等需要对两电压幅值与相位关系进行测试的仪器。

本发明的技术方案是：

1.一种积分比例电路，用于测量两个交直流电压信号直流分量的比例，其特征在于，包括运算放大器、积分放大器、比较器；所述运算放大器的正输入端分别通过第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4连接被测信号、标准电压源的正负输出端以及地电位，运算放大器的输出端与负输入端相连接，并且通过积分电阻R连接所述积分放大器的负输入端，所述积分放大器的输出端连接所述比较器的正输入端；所述积分放大器的负输入端和输出端之间连接积分电容，所述积分电容的两端具有充电开关SW0；所述积分放大器的正输入端连接正向端参考电压U_REF1，所述比较器的负输入端连接负向端参考电压U_REF2。

2.一种基于上述积分比例电路的阻抗测量方法，其特征在于，通过测量被测阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U_1a和正交分量U_1b以及标准阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U_2a和正交分量U_2b之间的直流分量的比例，将阻抗测量转换为测量电压直流分量的比例，具体步骤如下：

步骤1)，首先确定与积分放大器的正输入端连接的正向端参考电压U_REF1、与比较器的负输入端连接的负向端参考电压U_REF2的大小；

步骤2)，测量得出与积分放大器的正输入端连接的正向端参考电压U_REF1、与比较器的负输入端连接的负向端参考电压U_REF2、积分初始电压U_s之间的比例关系；

步骤3)，分别测量得出被测阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U_1a、正交分量U_1b、标准阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U_2a、正交分量U_2b与所述正向端参考电压U_REF1、负向端参考电压U_REF2、加载在积分电阻R上的积分初始电压U_s之间的比例关系；

步骤4)，利用步骤2)与步骤3)得出的结果，由公式

计算得出被测阻抗。

3.所述步骤1)中，确定正向端参考电压U_REF1、与负向端参考电压U_REF2的具体步骤如下：

当连接地电位的第四开关SW4处于闭合，其他开关断开时，选择U_REF1使得电容C充电方向恒为正向或恒为负向，即U_GND+V_OS1-U_e恒为正或恒为负；充电时：

U_e＝U_REF1+V_OS2+I_B2·R+I_SW0·R

V_OS1、V_OS2----运算放大器及积分放大器的偏置电压；

I_B2----运算放大器的偏置电流；

I_SW0----分为开关SW0在闭合情况及打开情况下的泄漏电流；

同样，选择U_REF2使得在积分清零状态下比较器A3正负输入电压差恒为正或恒为负；即U_REF2-V_OS3-U_e恒为正或恒为负，Vos₃为比较器的偏置电压。

4.所述步骤2)中，测量过程选择积分方向为U_GND+V_OS1-U_e>0，U_REF2-V_OS3-U_e>0，包括以下步骤：

a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；

b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容C以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，积分放大器输出电压U₁上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；

c)第二阶段，SW4闭合，其余开关断开，SW4闭合后开始计时，此时电容C以(U_GND-U_s)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₁，此阶段U₁电压减小；

d)第三阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₂，本阶段结束；

e)第四阶段，SW2闭合，其余开关断开，SW2闭合后开始计时，此时电容以(U_REF+-U_s)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₃，此阶段U₁电压减小；

f)第五阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₄，本阶段结束；

其中：U_REF+、U_REF-分别为标准电压源的正负端输出电压。

5.所述步骤2)中，由测得的t1、t2、t3、t4，

根据电荷守恒，由第二阶段及第三阶段可得：

取U_GND＝0，可以得出：

根据电荷守恒，由第四阶段及第五阶段可得：

即

令

U_REF+＝a·U_REF- (15)

式中：

令

U_s＝b·U_REF- (17)

式中：

6.所述步骤3)中，当U_in-U_s>0时，将整个积分分为四个阶段：

a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；

b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；

c)第二阶段，SW1闭合，其余开关断开，此时电容以(U_in-U_s)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₅，此阶段U₁电压减小；由于U_in信号是一个交直流叠加的信号，为了滤除其交流分量，t₅为其交流分量周期的整数倍，此时根据U_o电压的极性判断U_in-U_s的极性；

d)第三阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₆，本阶段结束。

7.所述步骤3)中，根据测得的t5、t6，

根据电荷守恒原理，由第二阶段及第三阶段可得

结合式(15)、(16)、(17)、(18)

可得：

令

U_in＝c·U_REF- (19)

式中：

8.所述步骤3)中，当U_in-U_s<0时，将整个积分分为五个阶段：

a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；

b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；

c)第二阶段，SW1闭合，其余开关断开，此时电容以(U_in-U_s)/R<0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₅，此阶段U₁电压上升；由于U_in信号是一个交直流叠加的信号，为了滤除其交流分量，t₅为其交流分量周期的整数倍，此时根据U_o电压的极性判断U_in-U_s的极性；

d)第三阶段，SW2闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF+-U_s)/R>0的电流充电，U₁电压下降至比较器反转，而后再继续充电一小段时间t₀，总计积分时间为t₆，本阶段结束；

e)第四阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₇，本阶段结束。

9.所述步骤3)中，根据测得的t5、t6、t7，

根据电荷守恒原理，由第二阶段、第三阶段及第四阶段可得

结合式(15)、(16)、(17)、(18)

即：

令U_in＝c·U_REF- (22)

式中：

本发明的技术效果：

1.本发明提供一种积分比例电路，用于测量两个交直流电压信号的直流分量的比例，基于电荷平衡原理，在不同的积分阶段分别对积分电容进行充放电，并对积分时间进行控制，滤除交流分量，实现测量直流分量的比例。利用多次积分消除运算放大器的失调电压、偏置电流、温度漂移及模拟开关的泄漏电流对积分电路带来的测量误差，提高了测量精度。

2.本发明提供一种基于积分式电路的阻抗测量方法，该方法运用积分比例电路，将阻抗测量转换为测量电压直流分量的比例，从而实现高精度的阻抗测量。由于本发明的方法需要测量的是四个被测电压之间的比例关系，而对其绝对值不敏感，本发明首先测量正电压源、负电压源及积分初始电压之间的比例，而后再测量四个被测电压与正电压源、负电压源及积分初始电压之间的比例，得出四个被测电压之间的比例，此方法消除了器件长期漂移对测量结果的影响，并且由于测量时间很短(在1s或者更短的时间内)，可以认为系统所在的温湿度等外界环境基本无变化，所以也消除了外界环境对测量的影响，提高了测量结果的准确度。

3.本发明涉及的积分比例电路和基于积分比例电路的阻抗测量方法可广泛用于100Hz～1MHz电容、电感、电阻及任意阻抗的测试测量，其基于积分比例电路的正交解调方法及电路可广泛用于包括阻抗测试仪、功率分析仪、相位表、相角表等需要对两电压幅值与相位关系进行测试的仪器。因此，基于本发明所提供的技术方案，可研发上述多种仪器。

附图说明

图1是本发明的积分比例电路的电路图。

图2是本发明方法的测量U_REF1、U_REF2、U_s之间比例关系的积分时序图。

图3是本发明方法的测量U_1a、U_1b、U_2a、U_2b与U_REF1、U_REF2、U_s之间比例关系的积分时序图之一(U_in-U_s>0)。

图4是本发明方法的测量U_1a、U_1b、U_2a、U_2b与U_REF1、U_REF2、U_s之间比例关系的积分时序图之二(U_in-U_s<0)。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例作进一步说明。

如图1所示，是本发明的积分比例电路的电路图，可实现测量两个交直流电压信号的直流分量的比例，也即两个具有直流成分的交流电压信号在参考坐标系下的同相分量和正交分量的直流分量之间的比例。一种积分比例电路，包括运算放大器、积分放大器、比较器；运算放大器的正输入端分别通过第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4连接被测信号、标准电压源的正负输出端以及地电位，运算放大器的输出端与负输入端相连接，并且通过积分电阻R连接所述积分放大器的负输入端，积分放大器的输出端连接所述比较器的正输入端，积分放大器的负输入端和输出端之间连接积分电容，积分电容的两端具有充电开关SW0；积分放大器的正输入端连接正向端参考电压U_REF1，比较器的负输入端连接负向端参考电压U_REF2。

图₁中，U_REF+、U_REF-分别为正负标准电压源；U_in为被测信号，即U_in为U_1a、U_1b、U_2a、U_2b四者其中之一，U_1a为第一被测信号在参考正交坐标系下的同相分量，U_1b为第一被测信号在参考正交坐标系下的正交分量、U_2a为第二被测信号在参考正交坐标系下的同相分量，U_2b为第二被测信号在参考正交坐标系下的正交分量；GND为地电位；运算放大器A1为高速缓冲放大器；A2为积分放大器；A3为比较器；U_REF1为A2正向端参考电压；U_REF2为A3负向端参考电压。

一种基于上述积分比例电路的阻抗测量方法，通过测量出被测阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量和正交分量以及标准阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量和正交分量之间的直流分量的比例，将阻抗测量转换为测量电压直流分量的比例。

依据相量正交分解比例法的测量原理，使被测阻抗与标准阻抗通过相同的电流，而后取被测阻抗上电压信号及标准阻抗上电压信号进行处理分析，得到被测阻抗信息。

设被测阻抗上电压信号及标准阻抗上电压信号分别为u₁和u₂，在参考正交坐标系下的电压相量可以表示为：

其中，分别为交流电压u₁和u₂在参考正交坐标系下的电压相量，U_1a、U_1b分别是交流电压u₁在参考正交坐标系下的同相分量和正交分量，U_2a、U_2b分别是交流电压和u₂在参考正交坐标系下的同相分量和正交分量。

将参考坐标系上的一对正交基函数分别与被测信号相乘，获得被测信号同相或正交分量。设被测信号u₁的时域表达式：

u₁(t)＝Asin(ωt+θ) (3)

式中，A为u₁的幅度，ω是u₁的角频率，θ是u₁的初始相位。

参考坐标系的一对正交基函数的时域表达式为：

u_a(t)＝sin(ωt) (4)

正交基函数为单位幅度，角频率必须与u₁的角频率相同，将正交基函数分别与被测信号相乘：

类似可得使用低通滤波器，将上两式带2ωt的项滤去，得到被测信号在参考坐标系上的同相分量或正交分量：

同理可得出U_2a及U_2b，可计算被测阻抗：

由上述原理可知，测量阻抗关键是测量出同相分量和正交分量U_1a、U_1b、U_2a、U_2b之间的直流分量的比例。

具体步骤如下：

步骤1)，首先确定与积分放大器的正输入端连接的正向端参考电压U_REF1、与比较器的负输入端连接的负向端参考电压U_REF2的大小；

步骤2)，测量得出与积分放大器的正输入端连接的正向端参考电压U_REF1、与比较器的负输入端连接的负向端参考电压U_REF2、加载在积分电阻R上的积分初始电压U_s之间的比例关系；

步骤3)，分别测量得出被测阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U_1a、正交分量U_1b、标准阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U_2a、正交分量U_2b与所述正向端参考电压U_REF1、负向端参考电压U_REF2、加载在积分电阻R上的积分初始电压U_s之间的比例关系；

步骤4)，利用步骤1)与步骤2)得出的结果，由公式

计算得出被测阻抗。

通常，在基本的积分电路中，U_REF1及U_REF2接地电位，这种方法存在的问题如下：

1、U_REF1接地电位：使得当SW4闭合，其他开关断开时，电容充电方向有可能为正，也有可能为负，需要额外的积分时间去确定其充电方向。

2、U_REF2接地电位：使得清零后比较器A3的输出电压可正可负，给积分电压的选择带来麻烦。

因此在积分测量过程开始前，首先要进行参考电压U_REF1与U_REF2的大小确定，提前给出相应的电压值，选定U_REF1使得SW4闭合时确定电容充电方向，选定U_REF2值确定清零后A3输出电压。具体确定的方法如下:

在考虑到系统漂移的情况下，当SW4闭合，其他开关断开时，选择U_REF1使得电容C充电方向恒为正向或恒为负向，即U_GND+V_OS1-U_e恒为正或恒为负。充电时：

U_e＝U_REF1+V_OS2+I_B2·R+I_SW0·R (10)

V_OS1、V_OS2----运算放大器1及运算放大器2的偏置电压；

I_B2----运算放大器的偏置电流；

I_SW0----分为开关在闭合情况及打开情况下的泄漏电流，由于此电流较小，且对系统指标没有影响，公式中未对其进行区别。

由于此电压绝对值越大，测量速度越慢，因此通常选择为数十mV至数百mV较为恰当，同时其绝对值小于U_REF+及U_REF-。

此电压指U_GND+V_OS1-U_e，由公式可以看出它的值受众多因素的影响，理论上把它调到零是最好的，但由于器件的长期漂移及环境变化，它的值也会有漂移，漂移大小受所选器件及环境变化影响，如果出厂时调到零，那么受长期漂移影响它的值可能大于零，可能小于零。它的漂移的大小是由随着所选择器件的漂移及系统温度等环境因素的变化的大小而决定的，一般而言，这个漂移为数mV到数十mV之间，但也有可能为更大或更小的值，但其公式是不变的。在选择U_REF1时，需要根据器件手册及其工作的环境变化计算出U_GND+V_OS1-U_e的最大漂移，在保证U_GND+V_OS1-U_e恒为正或恒为负的前提下选择U_REF1，并使U_GND+V_OS1-U_e的绝对值尽量小，并留出相应的裕量，因为绝对值过大会降低测量速度。

同样，选择U_REF2使得在积分清零状态下比较器A3正负输入电压差恒为正或恒为负；即U_REF2-V_OS3-U_e恒为正或恒为负。此电压绝对值越大，测量速度越慢，因此通常选择为数十mV至数百mV较为恰当，同时其绝对值小于U_REF+及U_REF-。

同理，此电压指U_REF2-V_OS3-U_e，由公式可以看出它的值受众多因素的影响，理论上把它调到零是最好的，但由于器件的长期漂移及环境变化，它的值也会有漂移，漂移大小受所选器件及环境变化影响，如果出厂时调到零，那么受长期漂移影响它的值可能大于零，可能小于零。它的漂移的大小是由随着所选择器件的漂移及系统温度等环境因素的变化的大小而决定的，一般而言，这个漂移为数mV到数十mV之间，但也有可能为更大或更小的值，但其公式是不变的。在选择U_REF2时，需要根据器件手册及其工作的环境变化计算出U_REF2-V_OS3-U_e的最大漂移，在保证U_REF2-V_OS3-U_e恒为正或恒为负的前提下选择U_REF2，并使U_REF2-V_OS3-U_e的绝对值尽量小，并留出相应的裕量，因为绝对值过大会降低测量速度。

整个测量过程分为两步，第一步为测量U_REF+、U_REF-、U_s之间的比例关系，第二步为分别测量U_1a、U_1b、U_2a、U_2b与U_REF+、U_REF-、U_s之间的比例关系，而后计算即可得出U_1a、U_1b、U_2a、U_2b之间的比例关系。

根据U_REF1及U_REF2选择的不同可以出现四种情况：

U_GND+V_OS1-U_e>0，U_REF2-V_OS3-U_e>0；

U_GND+V_OS1-U_e>0，U_REF2-V_OS3-U_e<0；

U_GND+V_OS1-U_e<0，U_REF2-V_OS3-U_e>0；

U_GND+V_OS1-U_e<0，U_REF2-V_OS3-U_e<0；

此四种情况在测量过程中不同的是选择的积分方向不同，但其基本原理一致，现以U_GND+V_OS1-U_e>0，U_REF2-V_OS3-U_e>0为例说明积分过程：

第一步：测量U_REF+、U_REF-、U_s之间的比例关系

注：U_s＝U_e-V_OS1

a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；

b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；

c)第二阶段，SW4闭合，其余开关断开，此时电容以(U_GND-U_s)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₁，此阶段U₁电压减小；

选择积分时间的方法如下：

SW4闭合后开始计时，计时时间的选择与所选时钟及所需要的分辨率有关，同时要降低交流分量的影响。计数器的计数值决定系统的分辨率，如果指标是10^-4，那么计数值要达到为指标分辨率的十倍以上，如10⁵～10⁶，时间＝时钟周期×计数值，为了防止积分电容器自身的泄露，一方面使用泄露电流小的聚四氟乙烯电容器，另一方面积分时间不超过0.1s。同时积分时间应是被测信号周期/2的整数倍(由于系统频率可设，为已知条件)，以消除被测信号交流分量对测量的影响，达到滤除交流分量的目的。

d)第三阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₂，本阶段结束；

e)第四阶段，SW2闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF+-U_s)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₃，此阶段U₁电压减小；

SW2闭合后开始计时，计数器的计数值决定系统的分辨率，如果指标是10^-4，那么计数值要达到为指标分辨率的十倍以上，如10⁵～10⁶，时间＝时钟周期×计数值，为了防止积分电容器自身的泄露，一方面使用泄露电流小的聚四氟乙烯电容器，另一方面积分时间不超过0.1s。同时积分时间应是被测信号周期/2的整数倍(由于系统频率可设，为已知条件)；

f)第五阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₄，本阶段结束。

注：给电容充电的电流正负决定电容的充电方向，负电流充电时U₁增大，反之减小。

根据电荷守恒，由第二阶段及第三阶段可得：

取U_GND＝0，可以得出：

根据电荷守恒，由第四阶段及第五阶段可得：

即

令

U_REF+＝a·U_REF- (15)

式中：

令

U_s＝b·U_REF- (17)

式中：

第二步：测量U_1a、U_1b、U_2a、U_2b与U_REF+、U_REF-、U_s之间的比例关系：

对于积分电路来说，测量此四个电压值对于此积分电路是一样的，需要依次测量，现给出测量被测电压U_in的时序图：

由U_in-U_s的极性可以把积分过程分为两种情况，第一种情况U_in-U_s>0，如图3所示，第二种情况U_in-U_s<0，如图4所示：

第一种情况U_in-U_s>0：整个积分可分为四个阶段，其中清零阶段在图中未画出:

a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；

b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；

c)第二阶段，SW1闭合，其余开关断开，此时电容以(U_in-U_s)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₅，此阶段U₁电压上升；由于U_in信号是一个交直流叠加的信号，为了滤除其交流分量，t₅为其交流分量周期的整数倍。此时根据U_o电压的极性判断U_in-U_s的极性；

d)第三阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₆，本阶段结束。

根据电荷守恒原理，由第二阶段及第三阶段可得

结合式(15)、(16)、(17)、(18)

可得：

令

U_in＝c·U_REF- (19)

式中：

第二种情况U_in-U_s<0,整个积分可分为五个阶段，其中清零阶段在图中未画出:

a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；

b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；

c)第二阶段，SW1闭合，其余开关断开，此时电容以(U_in-U_s)/R<0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₅，此阶段U₁电压上升；由于U_in信号是一个交直流叠加的信号，为了滤除其交流分量，t₅为其交流分量周期的整数倍。此时根据U_o电压的极性判断U_in-U_s的极性；

d)第三阶段，SW2闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF+-U_s)/R>0的电流充电，U₁电压下降至比较器反转，而后再继续充电一小段时间t₀，总计积分时间为t₆，本阶段结束。

e)第四阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₇，本阶段结束。

没有在第三阶段比较器反转时结束计时的原因是为了减小比较器在不同方向，不同压摆率下反转的传输延迟不一致带来的误差。由于比较器从不同方向反转带来误差，会使指标下降，而再充电一段时间后配合第四阶段，使积分的起始点是比较器从相同方向、相同压摆率下反转得出的，最大程度上消除了由比较器两次反转延迟不一致带来的误差。

根据电荷守恒原理，由第二阶段、第三阶段及第四阶段可得

结合式(15)、(16)、(17)、(18)

即：

令U_in＝c·U_REF- (22)

式中：

第二步完成后，由式(19)、(20)、(22)、(23)可以得出U_in与U_REF-的关系，即U_1a、U_1b、U_2a、U_2b与U_REF-的关系：(由于U_REF+、U_REF-、U_s之间的比例关系已知，也可以得出U_1a、U_1b、U_2a、U_2b与U_REF+或U_s的关系式)

U_1a＝c_1a·U_REF- (24)

U_1b＝c_1b·U_REF- (25)

U_2a＝c_2a·U_REF- (26)

U_2b＝c_2b·U_REF- (27)

由式(24)、(25)、(26)、(27)可得：

上述内容为本发明具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何在本发明的精神和原则之内所做的修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (9)

1.一种积分比例电路，用于测量两个交直流电压信号直流分量的比例，其特征在于，包括运算放大器、积分放大器、比较器；所述运算放大器的正输入端分别通过第一开关SW1、第二开关SW2、第三开关SW3、第四开关SW4连接被测信号、标准电压源的正负输出端以及地电位，运算放大器的输出端与负输入端相连接，并且通过积分电阻R连接所述积分放大器的负输入端，所述积分放大器的输出端连接所述比较器的正输入端；所述积分放大器的负输入端和输出端之间连接积分电容，所述积分电容的两端具有充电开关SW0；所述积分放大器的正输入端连接正向端参考电压U_REF1，所述比较器的负输入端连接负向端参考电压U_REF2。

2.一种基于如权利要求1所述的积分比例电路的阻抗测量方法，其特征在于，通过测量被测阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U_1a和正交分量U_1b以及标准阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U_2a和正交分量U_2b之间的直流分量的比例，将阻抗测量转换为测量电压直流分量的比例，具体步骤如下：

步骤1)，首先确定与积分放大器的正输入端连接的正向端参考电压U_REF1、与比较器的负输入端连接的负向端参考电压U_REF2的大小；

步骤2)，测量得出与积分放大器的正输入端连接的正向端参考电压U_REF1、与比较器的负输入端连接的负向端参考电压U_REF2、加载在限流电阻R上的积分初始电压U_s之间的比例关系；

步骤3)，分别测量得出被测阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U_1a、正交分量U_1b、标准阻抗的交流电压信号在参考正交坐标系下的同相分量U_2a、正交分量U_2b分别与所述正向端参考电压U_REF1、负向端参考电压U_REF2或加载在电阻R上的电压U_s之间的比例关系；

步骤4)，利用步骤2)与步骤3)得出的结果，由公式

$Z_1=\frac{\sqrt{U_{1a}^2+U_{1b}^2}}{\sqrt{U_{2a}^2+U_{2b}^2}}\left|Z_2\right|$

计算得出被测阻抗。

3.根据权利要求2所述的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤1)中，确定正向端参考电压U_REF1、与负向端参考电压U_REF2的具体步骤如下：

当连接地电位的第四开关SW4处于闭合，其他开关断开时，选择U_REF1使得电容C充电方向恒为正向或恒为负向，即U_GND+V_OS1-U_e恒为正或恒为负；充电时：

U_e＝U_REF1+V_OS2+I_B2·R+I_SW0·R

V_OS1、V_OS2----运算放大器及积分放大器的偏置电压；

I_B2----运算放大器的偏置电流；

I_SW0----分为开关SW0在闭合情况及打开情况下的泄漏电流；

同样，选择U_REF2使得在积分清零状态下比较器A3正负输入电压差恒为正或恒为负；即U_REF2-V_OS3-U_e恒为正或恒为负，Vos₃为比较器的偏置电压。

4.根据权利要求3所述的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤2)中，测量过程选择积分方向为U_GND+V_OS1-U_e>0，U_REF2-V_OS3-U_e>0，包括以下步骤：

a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；

b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容C以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，积分放大器输出电压U₁上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；

c)第二阶段，SW4闭合，其余开关断开，SW4闭合后开始计时，此时电容C以(U_GND-U_s)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₁，此阶段U₁电压减小；

d)第三阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₂，本阶段结束；

e)第四阶段，SW2闭合，其余开关断开，SW2闭合后开始计时，此时电容以(U_REF+-U_s)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₃，此阶段U₁电压减小；

f)第五阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₄，本阶段结束；

其中：U_REF+、U_REF-分别为标准电压源的正负端输出电压。

5.根据权利要求4所述的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤2)中，由测得的t1、t2、t3、t4，

根据电荷守恒，由第二阶段及第三阶段可得：

$\frac{U_{GND}-U_s}{R}\&CenterDot;t_1+\frac{U_{REF-}-U_s}{R}\&CenterDot;t_2=0---\left(11\right)$

取U_GND＝0，可以得出：

$\frac{U_s}{U_{REF-}}=\frac{t_2}{t_1-t_2}---\left(13\right)$

根据电荷守恒，由第四阶段及第五阶段可得：

$\frac{U_{REF+}-U_s}{R}\&CenterDot;t_3+\frac{U_{REF-}-U_s}{R}\&CenterDot;t_4=0---\left(13\right)$

即

$\frac{U_{REF+}}{U_{REF-}}=\frac{t_2{t}_3+2t_2{t}_4-t_1{t}_4}{(t_1-t_2)\&CenterDot;t_3}---\left(14\right)$

令

U_REF+＝a·U_REF- (15)

式中：

$a=\frac{t_2{t}_3+2t_2{t}_4-t_1{t}_4}{(t_1-t_2)\&CenterDot;t_3}---2\left(16\right)$

令

U_s＝b·U_REF- (17)

式中：

$b=\frac{t_2}{t_1-t_2}.---\left(18\right)$

6.根据权利要求5所述的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤3)中，当U_in-U_s>0时，将整个积分分为四个阶段：

a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；

b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；

c)第二阶段，SW1闭合，其余开关断开，此时电容以(U_in-U_s)/R>0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₅，此阶段U₁电压减小；由于U_in信号是一个交直流叠加的信号，为了滤除其交流分量，t₅为其交流分量周期的整数倍，此时根据U_o电压的极性判断U_in-U_s的极性；

d)第三阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₆，本阶段结束。

7.根据权利要求6所述的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤3)中，根据测得的t5、t6，

根据电荷守恒原理，由第二阶段及第三阶段可得

$\frac{U_{in}-U_s}{R}\&CenterDot;t_5+\frac{U_{REF-}-U_s}{R}\&CenterDot;t_6=0$

结合式(15)、(16)、(17)、(18)

可得：

$\frac{U_{in}}{U_{REF-}}=\frac{b(t_5+t_6)-t_6}{t_5}---\left(18\right)$

令

U_in＝c·U_REF- (19)

式中：

$c=\frac{b(t_5+t_6)-t_6}{t_5}.---\left(20\right)$

8.根据权利要求5所述的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤3)中，当U_in-U_s<0时，将整个积分分为五个阶段：

a)清零阶段：SW0与SW4闭合，此时积分电容放电；

b)第一阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，本阶段结束，此阶段作用为给积分提供积分起始点；

c)第二阶段，SW1闭合，其余开关断开，此时电容以(U_in-U_s)/R<0的电流充电，根据所选时钟及所需要的分辨率，选择合适的积分时间，计时时间为t₅，此阶段U₁电压上升；由于U_in信号是一个交直流叠加的信号，为了滤除其交流分量，t₅为其交流分量周期的整数倍，此时根据U_o电压的极性判断U_in-U_s的极性；

d)第三阶段，SW2闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF+-U_s)/R>0的电流充电，U₁电压下降至比较器反转，而后再继续充电一小段时间t₀，总计积分时间为t₆，本阶段结束；

e)第四阶段，SW3闭合，其余开关断开，此时电容以(U_REF--U_s)/R<0的电流充电，U₁电压上升至比较器反转，计时时间为t₇，本阶段结束。

9.根据权利要求8所述的阻抗测量方法，其特征在于，所述步骤3)中，根据测得的t5、t6、t7，

根据电荷守恒原理，由第二阶段、第三阶段及第四阶段可得

$\frac{U_{in}-U_s}{R}\&CenterDot;t_5+\frac{U_{REF+}-U_s}{R}\&CenterDot;t_6+\frac{U_{REF}--U_s}{R}\&CenterDot;t_7=0$

结合式(15)、(16)、(17)、(18)

即：

$\frac{U_{in}}{U_{REF-}}=\frac{b(t_5+t_6)-{\mathrm{at}}_6+(b-1)t_7}{t_5}---\left(21\right)$

令U_in＝c·U_REF- (22)

式中：

$c=\frac{b(t_5+t_6)-{\mathrm{at}}_6+(b-1)t_7}{t_5}.---\left(23\right)$