宽频带交流阻抗测试系统的设计与实现

摘要

电化学阻抗谱（EIS）作为研究电化学领域材料特性的重要手段，运用越来越广泛，并逐渐扩展到生物、器件、新能源等方面。阻抗测试作为电化学阻抗谱的核心，也成为了测试领域的研究热点。目前国内市场上的阻抗测量仪器大都频带较窄，缺乏在较大频带内扫频测试功能，且价格昂贵，开发维护较为复杂。因此本文针对上述情况，设计了一种新型宽频带交流阻抗测试系统，实现了100Hz~20MHz宽频带测量以及扫频测试功能。
　　首先通过研究基本阻抗测量方法并进行对比，选择了矢量伏安法中的自由轴法作为设计原理，并提出了系统总体设计方案。硬件方面主要阐述了信号源电路、数据采集电路以及前端测量电路等，其中正交信号源电路由DDS芯片AD9854实现，提供频率可变的正交基准信号，满足宽频带需求；数据采集电路采用相敏检波技术，利用乘法器构成的全波鉴相电路对待测元件上的矢量电压电流信号进行采集，并由ADC完成转换。软件方面主要包括嵌入式程序和上位机程序，嵌入式程序主要负责测试系统的运行，控制整个系统协调工作并实时对所测数据进行处理，同时提供RS232等接口，为仪器提供可扩展性。上位机软件是基于C++编写的人机交互界面，包括参数设置以及频率阻抗曲线图的绘制，优化了人机交互体验。
　　系统测试结果证明，该系统测量带宽可达100Hz~20MHz，电阻阻抗测量精度达到1％，电容及其网络交流阻抗测量精度达到3%，达到了设计目的，在测试频带范围方面超过国内同类仪器水平。此外还具备扫频测试功能，扫描频率步进最小为1Hz，能够在频带内实现自动扫频测试，弥补了国内仪器只能采用列表测试的不足。同时仪器体积小、功耗低，有较好的扩展性，具有一定的实际应用价值。

目录

1 绪论

1.1 阻抗测试的研究背景及意义

1.2 国内外阻抗测试研究现状

1.3 论文的主要研究内容

2 阻抗测量理论及方案设计

2.1 阻抗基本概念

2.2 阻抗测量方法

2.3 相敏检波原理

2.4 系统总体方案

2.5 本章小结

3 系统硬件设计

3.1 微控制器MCU模块设计

3.2 低杂散正交信号源设计

3.3 数据采集电路设计

3.4 前端测量电路设计

3.5 低纹波电源模块

3.6 本章小结

4 系统软件的实现

4.1 系统主控制程序设计

4.2 从机程序设计

4.3 上位机软件设计

4.4 本章小结

5 系统调试及结果分析

5.1 系统样机及调试

5.2 电阻及电容样品测试

5.3 RC串联及RC并联网络测试

5.4 系统误差分析及改进措施

5.5 本章小结

6 总结和展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间发表的主要论文