现代仪器新架构：ADMX2001（总体论述）

模拟信号链研究到现在，我只想说，什么电压，什么基准，其实背后的大 Boss 是阻抗，是的，就是阻抗，影响频率的最大“黑粉头子”。前几天的徐老师电桥大家感兴趣的也不少。

当然也有商业的电桥：

以我的财力我只能买这个。。。

以我的财力我只能买这个。。。

这个功能倒是齐全，但是是很大，如果我们想要成百上千的测量通道时，又显得不那么现实（日置高兴死了），在当下既要又要的情况下。

当代仪器开发现状：既要又要～

ADI 当然也洞察了这个需求，那给出的答案就是 ADMX 系列：

3652 这个，全网我折腾的最多

3652 这个，全网我折腾的最多

这个在分类里面属于：

这个

这个

那表征器件本身参数的仪器我们一般称为 LCR：

也就是 2001

也就是 2001

这次挺好的，不用拆了，因为没壳子

一个比较好的图是这样的

一个比较好的图是这样的

关键的器件都在上面了

甚至还可以再细节一点

甚至还可以再细节一点

这个是展会的图，小板子+载板

这个是展会的图，小板子+载板

原理为先

我觉得先讲原理，再讲信号链才是正确的路径，这个仪器使用的是平衡桥式架构。

平衡桥式架构 = 用一个已知阻抗与未知阻抗“对比”，通过调节或计算使桥达到平衡，从而求出未知阻抗。

从最简单的桥开始：Wheatstone Bridge

这是最经典的“平衡桥”，结构：

      R1        R2
   ───Ω───o───Ω───
          |       
          | (检测点)
          |
   ───Ω───o───Ω───
      Rx        R3

核心条件（平衡条件）

当桥“平衡”时：

此时检测点电压 = 0，其实过程中没有直接测 ，而是：

把它和已知电阻“比”，让系统变成 0，然后反推出它

推广到交流：阻抗桥

对于ADMX2001，我们不是测电阻，而是：

于是桥变成：

      Z1        Z2
   ───Z───o───Z───
          |       
          | (检测点)
          |
   ───Z───o───Z───
      Zx        Z3

现在平衡条件变成：，这时候：实部平衡 → 电阻匹配；虚部平衡 → 电抗匹配。

什么叫“平衡桥式架构”

现在可以给出严格定义：

平衡桥的三个核心要素

① 两个路径（桥臂）

一个包含未知 ，一个包含已知参考

② 差分检测（桥中心）

测：

③ 平衡条件

当：

就得到关系式 → 解出

插入一个V/I原理

实际上，对于我们感兴趣的 R 这种参数：

我们想的是在 R 上加一个恒流源，然后来测量差分电压

我们想的是在 R 上加一个恒流源，然后来测量差分电压

只需要两个端口：

而阻抗这样需要 4 个引脚

而阻抗这样需要 4 个引脚

还是在消除物理的缺点

四个检测插头”，本质上就是：四端测量（Kelvin connection / 4-wire measurement）

这四个插头通常是：

H+   H-
L+   L-

或者叫：

Force+（驱动+）

Force-（驱动-）

Sense+（测量+）

Sense-（测量-）

它们的作用把“施加电流”和“测量电压”分离开。

为什么不能用两根线？

先看普通两线测量：

仪器 ----导线---- DUT ----导线---- 仪器

测量到的是：

导线接触

在这个过程中导线电阻，接触电阻，焊点，PCB trace，都会混进去；在低阻测量时特别致命，如：DUT = 10 mΩ+导线 = 50 mΩ，误差 500%。

四端测量怎么解决？

结构变成：

        (Force+) ─────────┐
                          │
                      ┌───┴───┐
                      │  DUT  │
                      └───┬───┘
                          │
        (Force-) ─────────┘

        (Sense+) ─────────┐
                          │
                      ┌───┴───┐
                      │  DUT  │
                      └───┬───┘
                          │
        (Sense-) ─────────┘

Force 线（驱动）， 负责：输出电流 / 电压，可以承受电流，有压降没关系

Sense 线（检测），负责：测 DUT 两端电压，几乎没有电流

所以：

数学上发生了什么？

两线测量：

但：

错了

四线测量：

而：

正确

结合前面理解的测量链：

Force 线，由 DDS + DAC 驱动，通过 100Ω + 10Ω，向 DUT 注入电流（这个参数在 WIKI 里面有）；Sense 线，直接测 DUT 两端电压，输入到电压 ADC 通道，关键是不经过大电流路径

端子标准定义：

或者：

现在测的是：

如果不用四端，测到的是：

线

最大的问题还是相位错，另外在高频下的额外意义，不仅仅是电阻问题！

四端结构还能减少寄生参数；先说寄生电感，主要是导线电感：

高频下变大

剩下就是寄生电容，主要是探头电容：

在高频下变小

完整仿真也有，等我心情好放出来

完整仿真也有，等我心情好放出来

小结

这四个插头的本质作用是：把“施加信号的路径”和“测量信号的路径”彻底分开，从而只测到 DUT 本身的阻抗。

在前面已经理解：

区别在这里：

桥式法的核心优势是不依赖绝对精度，只依赖比例；“数字平衡桥”会产生两个信号：DUT 路径+参考路径，然后测差分

然后用 DSP 解：

质仍然是桥，只不过平衡是在“数学上完成的”，不是靠旋钮，桥最大的优点是抑制共模误差，因为测的是：

可以抵消电源噪声，共模干扰，线缆耦合；另外看公式知道是比例测量，桥测量的是：

所以增益误差不敏感，ADC 绝对精度要求降低，更不需要基准（好的基准）这些。

总之桥式其实等价于：

不直接测电流，用参考阻抗代替。

深入一点

在 WIKI 里面有张不错的图：

喜欢捏～

喜欢捏～

激励路径（上半部分）

Vs → Rs(100Ω) → HCUR → DUT

可以产生交流激励，通过 100Ω 控制电流范围。

电压测量（A0）

HPOT → (+)
LPOT → (−)

输出：

POT ≈ Vx（DUT 两端电压）

使用差分测量（四端 Sense），不受电流路径影响

电流测量（A1）

就这？散会！

就这？散会！

LCUR → 10Ω → TIA → 运放

输出：

CUR ≈ Ix × RTIA

电流

电压

最终测量

完整对应：POT → ，CUR →

瞅着不是“纯桥”啊！

挖掘隐藏的桥结构，可以这样重写系统：

         DUT
Vs ────┬───────┐
       │       │
      100Ω    测量
       │       │
       └───10Ω─┘

本质上是在比较：

换一种写法（桥形式）

这是一个典型的分压桥（阻抗桥）

传统桥：

这里没有调到 0，而是：

但 是桥的一侧， 来自参考路径，所以本质仍然是：通过已知路径（100Ω + 10Ω）和 DUT 比较。

现在四个端子是：

电流路径（Force）：HCUR → DUT → LCUR → TIA

电压路径（Sense）：HPOT → DUT → LPOT

为什么一定要 100Ω？

先限流：

提供测量稳定性，避免：DUT 太小 → 电流爆炸，导致ADC 饱和，重要的是形成“桥比例”

电流主导

（下一篇写写硬件设计）