專利名稱：有源可變阻抗合成器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種運算放大器電路應用于三端阻抗變換技術的方法，特別涉 及一種采用伴測電路、等電位跟蹤電路及確定頻率下提高運算放大器穩(wěn)定性電 路，以形成高精度、寬頻、有源阻抗可變的合成裝置。
背景技術：
LCR測量儀是一種計量器具，應定期應用標準計量量具(如電容器、電感 器)用于對測量儀進行檢驗或校準，以保持其測量精度。在精密阻抗計量測試 或調試寬頻的高精度LCR測量儀中，有一個突出的問題是缺少高精度、高頻的要制造100kHz、 lMHz精密的、穩(wěn)定的損耗低的電感、電容和交流電阻標 準量具是不容易的。作為單個體的標準量具目前有美國Agilent公司的16380A 型lpF、 10pF、 100pF和1000pF四端對空氣介質電容器，有美國QuadTech公 司的1406型100pF、 1000pF同軸空氣介質電容器及西安電子部二十所制造的 CO-120-1型100pF、 200pF、 500pF和1000pF同軸空氣介質電容器。但是，這 些單個體的標準量具電容量值范圍不寬，計量值局限于幾個點，也沒有100kHz、lMHz的高頻電感標準量具和交流標準電阻量具。還有，單個體的標準量具在 計量測試中需要分別與測量儀連接，測量一種量具就要連接一次，很是麻煩， 而且不能符合由點到面，由單值到多值的檢定。目前，國內外寬頻(如20Hz lMHz)、高精度(0.05%及以上)的LCR測量儀產品越來越多，已廣泛應用 于計量部門、研究單位、企事業(yè)單位對LCR元件及參數的測量，現有的單個體 的標準量具已遠遠不能滿足對國內外的LCR測量儀的計量需求及調試需求。阻抗的模擬和變換是運算放大器的一個重要應用方面，高精度、寬頻、可 變的有源阻抗合成裝置有很大的發(fā)展前景，如美國Fluke公司已將"Impedance synthesizer" (US 5485115)專利技術應用于一種稱為多產品校準儀的產品中，其有源標準電容器的工作頻率可達50kHz，不確定度達2X10^等級，多種電 容值由程控D/A轉換器以調節(jié)運算放大器的增益來獲得。這種標準電容器可滿 足校驗二端式手持電容表的需要，但是不能滿足校驗高精度(0.05%及以上) 的LCR測量儀需求。因此，目前還未有適用于高精度LCR測量儀的工作頻率達lMHz、不確定 度等級達10—4數量級的可變有源電容器和可變有源電感器產品。發(fā)明內容本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種適應更高頻率并具有更高精度的 有源可變阻抗合成器，可以合成電感或者電容。本發(fā)明為解決上述技術問題而采用的技術方案是提供一種有源可變阻抗 合成器，適于合成一定范圍的電容，其包括有源電容電路和伴測電路。有源電容電路具有第一端、第二端和第三端，其包括第一運算放大器、第 一電阻、第一電容和第一可變電阻器，第一運算放大器具有第一輸入端、第二 輸入端和輸出端，其中第一輸入端連接第一電阻的一端，第一電阻的另一端連 接有源電容電路的第一端，第二輸入端連接有源電容電路的第三端，且第三端 為低電位端；輸出端連接第一可變電阻器的一端，第一可變電阻器的另一端連 接有源電容電路的第二端；第一電容跨接在第一運算放大器的第一輸入端與輸 出端之間。伴測電路包括第二運算放大器、第一阻抗、第二阻抗、第三阻抗和第二可 變電阻器，第二運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，第一輸入 端連接第一阻抗的一端，第一阻抗的另一端連接所述有源電容電路的第一端， 第二輸入端連接一低電位端，第二阻抗跨接在第二運算放大器的第一輸入端與 輸出端之間；第三阻抗一端連接第二運算放大器的第一輸入端，另一端連接第 一運算放大器的輸出端；第二可變電阻器一端連接第二運算放大器的輸出端， 另一端連接有源電容電路的第二端。在上述的阻抗合成器中，第一電阻的阻值R和第一電容的電容值C滿足 RC=l/"，其中w為有源電容電路的工作頻率。在上述的阻抗合成器中，伴測電路的第三阻抗與第二阻抗的值相等。在上述的阻抗合成器中，第二可變電阻器的阻值是依據第一可變電阻器的 阻值而同步調節(jié)。在上述的阻抗合成器中，阻抗合成器具有一屏蔽外殼，其通過電壓跟隨 器連接至第一、第二運算放大器的第二輸入端所連接的低電位端，以進行等 電位跟蹤；在四端對連接時，阻抗合成器具有一 BNC接頭，其外殼也通過 電壓跟隨器連接至第一、第二運算放大器的第二輸入端所連接的低電位端， 以進行等電位跟蹤。LCR測量儀的機殼與BNC連接件(若有的話)會在測 量時連接阻抗合成器的外殼或BNC接頭，因此也間接地連接所述低電位端。 本發(fā)明還提供一種有源可變阻抗合成器，適于合成一定范圍的電感，其包 括有源電感電路和伴測電路。有源電感電路具有第一端、第二端和第三端，其包括第一反相器、第一運 算放大器、第一電阻、第一電容和第一可變電阻器，其中第一反相器的輸入端 連接有源電感電路的第一端；第一運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端和 輸出端，其中第一輸入端連接第一電阻的一端，第一電阻的另一端連接第一反 相器的輸出端，第二輸入端連接有源電感電路的第三端，且第三端為低電位端， 第一運算放大器輸出端連接第一可變電阻器的一端，第一可變電阻器的另一端 連接有源電感電路的第二端；第一電容跨接在第一運算放大器的第一輸入端與 輸出端之間。伴測電路包括第二反相器、第二運算放大器、第一阻抗、第二阻抗、第三 阻抗和第二可變電阻器，其中第二反相器的輸入端連接有源電感電路的第一 端；第二運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，第一輸入端連接 第一阻抗的一端，第一阻抗的另一端連接第二反相器的輸出端，第二輸入端連 接一低電位端，第二阻抗跨接在第二運算放大器的第一輸入端與輸出端之間； 第三阻抗一端連接第二運算放大器的第一輸入端，另一端連接第一運算放大器 的輸出端；第二可變電阻器一端連接第二運算放大器的輸出端，另一端連接有 源電感電路的第二端。在上述的阻抗合成器中，第一電阻的阻值R和第一電容的電容值C滿足 RC=l/w，其中w為有源電感電路的工作頻率。在上述的阻抗合成器中，第二反相器和第一反相器的結構對稱，伴測電路的第三阻抗與第二阻抗相等。在上述的阻抗合成器中，第二可變電阻器的阻值是依據第一可變電阻器的 阻值而同步調節(jié)。在上述的阻抗合成器中，阻抗合成器具有一屏蔽外殼，其通過電壓跟隨器 連接至所述第一、第二運算放大器的第二輸入端所連接的低電位端；而阻抗合 成器的LCR測量儀具有一機殼，其通過電壓跟隨器連接至第一、第二運算放大 器的第二輸入端所連接的低電位端，以進行等電位跟蹤。本發(fā)明的有源電容/電感可變的阻抗合成器由于采用以上技術方案，使之 與現有技術相比，利用伴測電路來提高精度并消除負載影響，并結合了等電位 跟蹤技術，可達到很高的精度，在10kHz時不確定度達1x10—4，在100kHz時 不確定度達2x10—4，在lMHz時不確定度達5xl0-4。能基本滿足用戶對0. 05級 0. 1級的寬頻LCR元件及參數的測量及計量需求。


為讓本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能更明顯易懂，以下結合附圖對本發(fā) 明的具體實施方式
作詳細說明，其中圖1是根據本發(fā)明實施例的作為可變有源電容的阻抗合成器的基本電路。 圖2是根據本發(fā)明實施例的作為可變有源電感的阻抗合成器基本電路。 圖3是根據本發(fā)明實施例的伴測電路工作原理圖。圖4是具有伴測電路的阻抗合成器與LCR測量儀組成測量電路的示意圖。 圖5是本發(fā)明的合成可變有源標準電容的阻抗合成器電路圖。 圖6是本發(fā)明的合成可變有源標準電感的阻抗合成器電路圖。 圖7A和圖7B是根據本發(fā)明實施例的等電位跟蹤電路。 圖8是有源可變阻抗合成器的結構圖。圖9是有源可變阻抗合成器與四端對或五端測量法LCR測量儀的測量接 線圖。圖10是有源可變阻抗合成器與三端測量法LCR測量儀的測量接線圖。
具體實施方式
以下先以合成電容和電感的阻抗合成器的基本電路來說明本發(fā)明的原理。 圖1是一種合成電容的阻抗合成器基本電路，此電路包括運算放大器N1，電阻R1、電容C1以及可變電阻器Z2，它們以圖中所示的方式連接。先假設圖 l運算放大器Nl是理想的，第一端Us接LCR測量儀的信號源和測量輸入高端， 第二端Um接LCR測量儀的信號源和測量輸入低端(即LCR測量儀的測量虛 地端)，第三端V—GND是運算放大器的虛地端，根據比例運放的運算公式可 得到如下等式Uo"Us — (l/j"d)/ R！U01 = —Us (1/j"Rd)由于Uo2是虛地端，則流過的作為負載的可變電阻器Z2電流為1。= (U01—U02) /Z2=—Us'(l/j"Rd)/Z2 得到有源阻抗lyio二一j"R^QZ2 等效有源感抗XL= —j " I^d Z2= —j co L 由于負感抗即是正容抗，則有一j"L = l/j"C 所以，有源電容C二1/"2L =1/ ( co2r!C,Z2)在10kHz、或100kHz、或1MHz的確定頻率條件下，可設計成& = 1/"Cp設計成Z2為純電阻。最終得到有源電容C二l/coZ2公式C二l/coZ2表明圖1的有源電容容量大小在固定工作頻率下僅與運算 放大器N1的負載Z2有關，二者成反比，也就是說改變純電阻Z2阻值即可改變 有源電容容量值。Z2阻值越大則有源電容容量越小，反之則有源電容容量越大。圖2是一種合成電感的阻抗合成器基本電路，此電路是在圖l所示的電路 的輸入端前加入反相器電路，其中，第一反相器是由放大器Nl、電阻Rl和 R2組成的，有源電容電路包括電阻R3、運算放大器N2、電容C1和可變電阻 器Z4，它們以圖中所示的方式連接。假定運算放大器N1和N2都是理想的， 第一端仏接LCR測量儀的信號源和測量輸入高端，第二端UQ3接LCR測量儀 的信號源和測量輸入低端(即虛地端)，第三端V_GND是有源電容運放的虛 地端(低電位端)，根據比例運放的運算公式可得到如下等式U01/Us=—R2/RiU01=—Us R2/R!U02/ Uo, — (l/jO)d)/R3U02=—U01 '(l/j"Q 'R3)=—(—Us 'R2/R,) '(l/j"C!R3) =(US 'R禹)'(l/jC0C!R3)由于UQ3是虛地端,則流過的作為負載的第一可變電阻器Z4電流為 Io= (U02 —U03) /Z4 = ( — U01 (1/j"C,R3)/Z4 —IW(j"dR3 *Z4) =—(—Us RVR,) (j " dR3 Z4) = (US R2)/(j " R^d Z4) 當R,二R2時，流過的負載Z4電流I二lV(jcoR3d *Z4)得到有源阻抗Us/Io二j"R3C,Z4即等效有源感抗為Xt叫"R3d Z4=j"L所以有源電感L^R;dZ4在10kHz、或100kHz、或1MHz的確定頻率條件下，可設計成R3=l/" Q，艮卩L二(1/"C！) Q Z4，設計成Z4為純電阻。 最終得到有源電感L二Z4/"公式L二Z4/"表明圖2的有源電感量的大小在固定工作頻率下僅與運算放 大器N2的負載Z4有關，二者成正比，也就是說改變純電阻Z4阻值即可改變有 源電感量的值。Z4阻值越大則有源電感量越大，反之則有源電感量越小。在本發(fā)明中，凡是有輸入端Us和輸出端U。以及與U。相連接的阻抗Z，而 且Z的另一端連至虛地端E (即電橋的指零點或運算器的輸入相加節(jié)點)，則 只要在Us與E點之間附加一個由運算放大器構成的伴測電路，就可以大大提高 這段電路信號傳遞的準確性。圖3是根據本發(fā)明實施例的伴測電路工作原理圖。此伴測電路包括第二運 算放大器N2、第一阻抗Z1、第二阻抗Z2〃 、第三阻抗Z2和第二可變電阻器Z'， 它們以圖中所示的方式連接。此伴測電路由第一阻抗Z1連接所述第二運算放大器 具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端連接主運放電路(例如 是上述的構成電容或電感的阻抗合成器)的第一端Us，通過第三阻抗Z2連接主 運放電路輸出端，此外，還通過可變電阻器Z'連接虛地端2。主運放電路的負 載(第一可變電阻器Z)連接Uo與虛地端2。在圖3中，主運放電路的傳遞函數-H(j")^。/Us為電壓比例函數，用虛線連接的表明并不一定是直接變換關系。H(j")—般可用阻抗比的形式來表達:其理想值可表示為z2/z1<;設實際值H(j")與理想值Z2/Z,之間的關系為 以及<formula>formula see original document page 10</formula>并設運算放大器的環(huán)路增益為afAf,則一階微量被消去,殘存誤差都是Ar 1△ 2、 A3和的二階以上的微量(可以被忽略)。以LCR測量儀線路為例，把輸入端Us到虛地端E這段電路延伸為LCR :儀內的測量電路，并且為了便于推導，采用導納來表示，其中Ys為LCR :儀中的量程導納(取樣電阻)，見圖4所示設實際值H(jco)與理想值Z2/Z尸Y!/Y2之間的關系為以及<formula>formula see original document page 10</formula>并設運算放大器的開環(huán)增益為A，反饋系數<formula>formula see original document page 10</formula>E求和點的電位^ y +，'+;^<formula>formula see original document page 10</formula>若虛地端電位&=0，則& = 1。即Ys/Y與H(j")所選的理想值相等，很明顯，如果不附加伴測電路，則 只能與H(j")的實際值相等。上面用了二階以上的微量可以略去的假定，如每 個微量都在2X1(T"左右，則從誤差分析來看至少可以達到10;電路準確度，由 此可見伴測電路可以很大程度提高電路的準確度。在此，可變電阻器Z' (Y' 的倒數)起了 Z(Y的倒數)伴測作用，為了準確測量可變Z，就需要同時有一個 與其值相近的Z'。伴測電路除了有此功能外，它還有一個重要作用就是可以消除負載影響。 圖1、圖2電路的有源阻抗合成器會隨著負載電阻箱或導納箱(如圖1中的Z2 和圖2中的Z》的量值變化而產生負載效應。而應用伴測電路技術，在伴測電 路負載接端接上一個與主電路負載相近的另一個十進值相關及多值相關的電 阻箱或可加性導納箱值，就能消除不同量值的負載效應，大大提高了測量過程 中可加性傳遞的準確度。如，配以主副二個十進值相關及多值相關的電阻箱(在 后描述)，達到了由個別高精度寬頻標準值增加到包括十進值和非十進值相關 在內的多值相關的標準值，使被檢LCR測量儀測量點的覆蓋面大大增加。下面就說明加上伴測電路的有源阻抗合成器的電路。圖5的三端可變有源標準電容電路是在圖1的電路基礎上加上伴測電路組 成。其中運算放大器N501作為第一運算放大器，電阻R501 (即第一電阻)作 為輸入電阻，設其阻值為Rl，電容C502 (第一電容)作為反饋電容，設其阻 值為C1，則R1二1/"C1，其中"為電路的工作頻率。端子H作為阻抗合成器 的第一端，端子L作為阻抗合成器的第二端，端子V一GND作為虛地端，均連 接LCR測量儀的測量端子。由于本發(fā)明的三端可變有源標準電容工作頻率可達lMHz，而精密運算放大器的工作頻率都不是很高，工作在高頻時有較大的運算誤差，而且電路容易發(fā) 生自激。例如，選擇0P37型超低噪聲精密運算放大器的開環(huán)電壓增益典型值 為124dB (DC)，增益帶寬積典型值為63MHz，當該OP37工作在lMHz時，查 閱該運算放大器的開環(huán)頻率相應特性曲線得到其開環(huán)電壓增益將降至40dB (lMHz)以下，也就是說，工作在頻率lMHz下0P37的開環(huán)電壓增益僅為100 倍，從運放電路閉環(huán)增益的分析可推算出運算誤差可達_1%，該運算誤差不能滿足精密運算放大器電路的設計要求。為避免圖5的第一和第二運算放大器N501和N502的電路可能發(fā)生高頻振 蕩，本發(fā)明采用確定頻率下提高運算放大器電路工作穩(wěn)定性的方法，在主電路 輸入電阻器R501上串聯(lián)了一只電容器C501和一只電感器L501，在反饋電容器 C502上并聯(lián)了一只電阻器R502。在這里，要注意增加的元件量值選擇要確保 運算放大器電路的阻抗變換運算功能及運算精度不能變，即電感器L501、電阻 器R501、電容器C501串聯(lián)后的阻抗模值與電容器C502、電阻器R502并聯(lián)后 的阻抗模值應相等，其中與電容器C501串聯(lián)在一起的電感器L501可以起到微 調相位的作用。更具體的細節(jié)請參考專利"確定頻率下提高運算放大器電路 穩(wěn)定性的方法"(ZL01105505.7)。此外，在所有運算放大器的輸出端都連接 了 RC高通濾波器(如R503、 C503和R506、 C507)接濾波地(F—GND)，以防 止電路發(fā)生高頻振蕩，提高了電路的工作穩(wěn)定性。圖5的伴測電路與主電路的電路參數接近，具體地說，主電路的輸出信號 通過作為第三阻抗的電容器C507耦合到伴測電路的第二運算放大器N502的輸 入端。根據對上述圖4的伴測電路的分析，設計成圖5的作為第三阻抗的耦合 電容C507與伴測電路的第二運算放大器N502的作為第二阻抗的反饋電容C505 容量相等；伴測電路的負載電阻箱或導納箱(Z2)(第二可變電阻器)的阻值 與主電路的負載電阻箱或導納箱(Z》(第一可變電阻器)的阻值相等，其中， Z,改變不同的阻值時，Z2是需要同步切換的?？梢酝扑愕玫綀D5有源標準電容器的容量C二l/wZ,，表明有源標準電容容 量大小在確定工作頻率下僅與阻抗變換電路的負載Z,有關，二者成反比。也就 是說，改變純電阻Z,阻值(同步改變純電阻Zs阻值)即可改變有源電容容量值， Z,阻值越大則有源電容容量越小，反之則有源電容容量越大。圖6的三端可變有源標準電感電路是在圖2的電路基礎上加上伴測電路組 成。其中，伴測電路具有與電感電路相同的反相器電路。運算放大器N602作 為第一運算放大器，電阻R604 (即第一電阻)作為輸入電阻，設其阻值為R1， 電容C605 (第一電容)作為反饋電容，設其阻值為Cl,則R1二1/"C1，其中 "為電路的工作頻率。端子H作為阻抗合成器的第一端，端子L作為阻抗合成 器的第二端，端子V—GND作為虛地端，均連接LCR測量儀的測量端子。同上面所述，工作在頻率1MHz下放大器0P37的開環(huán)電壓增益不超過100 倍，所以三端可變有源標準電感工作在高頻時的運算誤差也是不能忽視的。為 避免圖7的運算放大器N601 N604電路可能發(fā)生的高頻振蕩，本發(fā)明同樣采用 確定頻率下提高運算放大器電路工作穩(wěn)定性的方法。在主電路輸入電阻器R601 上串聯(lián)了一只電容器C601,在反饋電阻器R602上并聯(lián)了一只電容器C602，在 輸入電阻器R604上串聯(lián)了一只電容器C604和電感器L601，在反饋電容器C605 上并聯(lián)了一只電阻器R605，其中與電容器C604串聯(lián)在一起的電感器L601起到 微調相位的作用；在伴測電路輸入電阻器R608上串聯(lián)了一只電容器C608，在 反饋電阻器R609上并聯(lián)了一只電容器C609，在輸入電阻器R612上串聯(lián)了一只 電容器C613，在反饋電容器C614上并聯(lián)了一只電阻器R613;在所有運算放大 器的輸出端都連接了一個RC高通濾波器接濾波地(F—GND)，提高了電路的工 作穩(wěn)定性。主電路運算放大器N601的輸出信號通過電阻器R607和串接的電容 器C504耦合到伴測電路運算放大器N603的輸入端，主電路運算放大器N602 的輸出信號通過電容器C611耦合到伴測電路運算放大器N604的輸入端。根據上述圖4伴測電路的分析，設計圖6的耦合電容C611 (第三阻抗)與 伴測電路的第二運算放大器的反饋電容C614 (第二阻抗)容量相等；伴測電路 的負載電阻箱或導納箱(Z2)(第二可變電阻器)的阻值也與主電路的負載電 阻箱或導納箱(Z,)(第一可變電阻器)阻值相等，其中，Z,改變不同的阻值 時，Z2是需要同步切換的?？梢酝扑愕玫綀D6有源標準電感器的電感量L二Z4/"，表明圖6有源電感 量的大小在確定工作頻率下僅與阻抗變換電路的負載Z,有關，二者成正比。也 就是說，改變純電阻ZJ且值即可改變有源電感量的值，Z,阻值越大則有源電感 量越大，反之則有源電感量越小。在四端對測量法的LCR測量儀中采用了自平衡橋路，測量連接端子是采用 BNC型插頭插座連接的，BNC連接頭的外殼用于連接測量線的屏蔽層而不是連 接機殼地或大地。四端對測量法結構特點是BNC型插頭插座外殼的導體也是不 平衡測量信號電流的回路，以補償在頻率較高時流過被測件DUT的電流與流 過I-V運算放大器反饋電阻的電流不相等引起的測量誤差。因此，四端對方法 能使寄生電容和殘余電感在測量負載時減少到最小，以保證最好的測量精度。但是，由于有源阻抗標準與LCR測量儀連接線的位置不固定、有源阻抗標準內部連接線存在的分布參數影響及有源阻抗標準印制電路板布線存在的分布參數影響，在四端對測量時使BNC型插頭插座外殼與運算放大器虛地 (V_GND)不是同一電位，LCR測量儀的機殼地(G—GND)與運算放大器虛 地(V_GND)不是同一電位，與測量儀機殼地(G_GND)連接的測量線屏蔽 層與運算放大器虛地(V_GND)也不是同一電位，各地連接點之間或屏蔽層對 各連接線有泄漏電流流過，影響了有源阻抗標準的準確性。同理，在三端測量 或五端測量時，LCR測量儀的機殼地(G_GND)與運算放大器虛地(V一GND) 不是同一電位，與測量儀機殼地(G一GND)連接的測量線屏蔽層與運算放大器 虛地(V_GND)也不是同一電位，各地連接點之間或屏蔽層對各連接線也有泄 漏電流流過，影響了有源阻抗標準的準確性。對此，本發(fā)明采用一種圖7A和圖7B所示的等電位跟蹤電路解決方案即 四端對測量時，如圖7A所示，在有源阻抗合成器的BNC插座外殼接入一個由 運算放大器Nl構成的電壓跟隨器電路，跟隨器Nl的輸出接其他運算放大器的 虛地，如圖1 圖3所示的運算放大器的虛地端(V一GND)，進行等電位跟蹤。 所謂等電位跟蹤是指各虛地端之間與屏蔽外殼等電位，但它們又不是直接連 接。同樣地，如圖7B所示，在有源阻抗合成器與LCR測量儀機殼地(G—GND) 的連接點也接入一個由運算放大器N2構成的電壓跟隨器電路，跟隨器N2的輸 出接其他運算放大器的虛地端(V_GND)，進行等電位跟蹤。同理，三端測量或五端測量時，也可以在有源阻抗合成器與LCR測量儀 機殼地(G_GND)的連接點接入一個由運算放大器構成的電壓跟隨器電路，跟 隨器的輸出接運算放大器的虛地端(V_GND)，進行等電位跟蹤。等電位跟蹤電路解決方案的實施，使各種地連接點之間及屏蔽層對各連接 之間因為電位相等而沒有電流或只有很小的泄漏電流流過，以達到消除有源阻 抗合成器各種雜散分布參數的影響，提高了有源阻抗合成器的運算準確性。圖8示出具有上述的有源電容或電感基本電路、伴測電路和等電位跟蹤電 路的有源標準阻抗合成器結構圖。如圖8所示，每一個具有屏蔽功能的有源標 準阻抗合成器100的箱體101的內部設計有由圖5或圖6所示電路圖所制作的有源標準電路板110、主電路負載電阻箱Z,和伴測電路負載電阻箱Z2，并置于 有源標準箱內部三個獨立的屏蔽盒內，在每一種確定頻率下制作成一個電容/電感標準裝置。圖8中左上方是5個接線端子，其中Hc、 Hp、 Lp、 Lc采用BNC 連接件，BNC接頭的外殼及GND連接端分別與有源標準電路板110中的等電位 跟蹤電路(參照圖7A和圖7B所示)的運算放大器輸入端連接。主電路負載Z1 與伴測電路負載Z2在圖8中畫的4只電阻只是示意，可根據測量點的需要增 加或減少電阻。開關SW1和SW2都閉合時，Zl和Z2與有源標準電路板110連 接，同步調節(jié)Zl和Z2可改變有源阻抗合成器所合成的電容或電感的值大小。 可使開關SW1和SW2都斷開，則與有源標準電路板110連接的主電路負載Zl 與伴測電路負載Z2各有二個H接線端和L接線端與外部的可變電阻負載連接， 同步調節(jié)外部的Zl和Z2同樣可以改變有源標準的值大小。為使被檢LCR測量 儀測量點多、穩(wěn)定性強，Zl和Z2可以配置十進值相關及多值相關的電阻裝置 或可加性導納箱。圖9是有源標準阻抗合成器100與四端對或五端測量法LCR測量儀200的 測量接線圖，圖中示出上述的五個測量端子Hc、 Hp、 Lp、 Lc和GND分別與四 端對或五端測量法LCR測量儀200 (如Agilent 4284ALCR測量儀)對應的五 個測量端子連接，根據有源標準的工作頻率，設置LCR測量儀的測試頻率，即 可進行測量。圖10是有源標準阻抗合成器100與三端測量法LCR測量儀300的測量接 線圖。將有源標準阻抗合成器100的Hc、 Hp、 Lp、 Lc四個測量端子通過轉換 器400轉換成H、L 二個測量端子分別與三端測量法的LCR測量儀300(如AH2700 精密電容電橋)對應的H、 L 二個測量端子連接，有源標準阻抗合成器100的 GND與該LCR測量儀的GND直接連接。轉換器的內部是將Hc、 Hp端與H端短接， 將Lp、 Lc端與L端短接，實現四/二端的轉換功能。根據有源標準阻抗合成器 100的工作頻率，設置LCR測量儀的測試頻率，即可進行測量。經實驗及測試驗證，本發(fā)明的高精度寬頻有源電容/電感可變的阻抗合成 裝置可達到很高的精度，在10kHz時不確定度達lxl(T4，在100kHz時不確定 度達2xl0—4，在lMHz時不確定度達5x10—4。能基本滿足用戶對0.05級 0. 1 級的寬頻LCR元件及參數的測量及計量需求。雖然本發(fā)明已以較佳實施例揭示如上，然其并非用以限定本發(fā)明，如本發(fā) 明還可以應用于制作高精度寬頻有源電阻的可變阻抗合成裝置。任何本領域技 術人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內，當可作些許的修改和完善，因此本 發(fā)明的保護范圍當以權利要求書所界定的為準。
權利要求
1.一種有源可變阻抗合成器，適于合成一定范圍的電容，其特征在于，所述阻抗合成器包括有源電容電路和伴測電路，其中所述有源電容電路具有第一端、第二端和第三端，其包括第一運算放大器、第一電阻、第一電容和第一可變電阻器，所述第一運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，其中所述第一輸入端連接所述第一電阻的一端，第一電阻的另一端連接所述有源電容電路的第一端，所述第二輸入端連接所述有源電容電路的第三端，且所述第三端為低電位端；所述輸出端連接所述第一可變電阻器的一端，第一可變電阻器的另一端連接所述有源電容電路的第二端；所述第一電容跨接在所述第一運算放大器的第一輸入端與輸出端之間；所述伴測電路包括第二運算放大器、第一阻抗、第二阻抗、第三阻抗和第二可變電阻器，所述第二運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端連接所述第一阻抗的一端，第一阻抗的另一端連接所述有源電容電路的第一端，所述第二輸入端連接一低電位端，所述第二阻抗跨接在所述第二運算放大器的第一輸入端與輸出端之間；所述第三阻抗一端連接所述第二運算放大器的第一輸入端，另一端連接所述第一運算放大器的輸出端；所述第二可變電阻器一端連接所述第二運算放大器的輸出端，另一端連接所述有源電容電路的第二端。
2. 如權利要求1所述的阻抗合成器，其特征在于，所述第一電阻的阻值R和 所述第一電容的電容值C滿足RC=1/"，其中"為所述有源電容電路的工作頻率。
3. 如權利要求1所述的阻抗合成器，其特征在于，所述伴測電路的第三阻抗 與第二阻抗的值相等。
4. 如權利要求l所述的阻抗合成器，其特征在于，所述第二可變電阻器的阻 值是依據所述第一可變電阻器的阻值而同步調節(jié)。
5. 如權利要求1所述的阻抗合成器，其特征在于，所述阻抗合成器具有一屏 蔽外殼，其通過電壓跟隨器連接至所述第一、第二運算放大器的第二輸入端所連接 的低電位端。
6. —種有源可變阻抗合成器，適于合成一定范圍的電感，其特征在于，所述 阻抗合成器包括有源電感電路和伴測電路，其中所述有源電感電路具有第一端、第二端和第三端，其包括第一反相器、第一 運算放大器、第一電阻、第一電容和第一可變電阻器，其中第一反相器的輸入端連 接所述有源電感電路的第一端；所述第一運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端 和輸出端，其中所述第一輸入端連接所述第一電阻的一端，第一電阻的另一端連接 所述第一反相器的輸出端，所述第二輸入端連接所述有源電感電路的第三端，且所 述第三端為低電位端，所述第一運算放大器輸出端連接所述第一可變電阻器的一 端，第一可變電阻器的另一端連接所述有源電感電路的第二端；所述第一電容跨接 在所述第 一運算放大器的第一輸入端與輸出端之間；所述伴測電路包括第二反相器、第二運算放大器、第一阻抗、第二阻抗、第 三阻抗和第二可變電阻器，其中第二反相器的輸入端連接所述有源電感電路的第一 端；所述第二運算放大器具有第一輸入端、第二輸入端和輸出端，所述第一輸入端 連接所述第一阻抗的一端，第一阻抗的另一端連接所述第二反相器的輸出端，所述 第二輸入端連接一低電位端，所述第二阻抗跨接在所述第二運算放大器的第一輸入端與輸出端之間；所述第三阻抗一端連接所述第二運算放大器的第一輸入端，另一 端連接所述第一運算放大器的輸出端；所述第二可變電阻器一端連接所述第二運算 放大器的輸出端，另一端連接所述有源電感電路的第二端。
7. 如權利要求6所述的阻抗合成器，其特征在于，所述第一電阻的阻值R和 所述第一電容的電容值C滿足RC=1/"，其中co為所述有源電感電路的工作頻率。
8. 如權利要求6所述的阻抗合成器，其特征在于，所述第二反相器和所述第 一反相器的結構對稱，所述伴測電路的第三阻抗與所述第二阻抗相等。
9. 如權利要求6所述的阻抗合成器，其特征在于，所述第二可變電阻器的阻 值是依據所述第一可變電阻器的阻值而同步調節(jié)。
10. 如權利要求6所述的阻抗合成器，其特征在于，所述阻抗合成器具有一屏 蔽外殼，其通過電壓跟隨器連接至所述第一、第二運算放大器的第二輸入端所連接 的低電位端。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種有源可變阻抗合成器，可以構成供LCR測量儀校準的標準電容或電感等標準阻抗，此有源可變阻抗合成器通過一個構成可變電容或電感的基本電容或電感電路和一個與之相連的伴測電路，來形成高頻、高精度和范圍可變的阻抗。此外，結合等電位跟蹤電路可以進一步提高有源可變阻抗合成器的準確性。
文檔編號G01R1/20GK101226207SQ200710173599
公開日2008年7月23日 申請日期2007年12月28日 優(yōu)先權日2007年12月28日
發(fā)明者文 喬, 吳慎德, 琰 孫, 聞伍椿, 顧從潤, 魏世忠 申請人:上海精密計量測試研究所;上海浩順科技有限公司