CN101533047A - 一种基于复杂可编程逻辑器件的交流毫欧表及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于复杂可编程逻辑器件的交流毫欧表及测量方法，CPLD的输出依次串联D/A转换器、二阶滤波器后形成1kHz电压信号源，电压信号源连接电阻分压后与被测电阻之间串接一个反馈闭环，该反馈闭环由误差放大器、差分放大器以及量程电阻组成且连接CPLD；被测电阻两端的电压经隔离电容连接带通放大器，带通放大器的输出分别连接锁相放大器和20mV钳制控制电路；20mV钳制控制电路输出连接CPLD和电阻；锁相放大器输出连接积分型A/D转换器，锁相放大器与积分型A/D转换器分别连接CPLD；MCU连接在CPLD与显示/分选模块之间。本发明测试电流小于100mA，开路电压在20mV以内，可测试大电容的等效串联电阻参数，增加系统集成度，可提高交流电压的测量分辨率和信噪比。

Description

一种基于复杂可编程逻辑器件的交流毫欧表及测量方法

技术领域

本发明涉及一种用于测试各类毫欧极电阻的测量仪，可测量机电元件的接触电阻、电池内阻和超级电容串联等效电阻。

背景技术

目前，在低电阻测试领域基本采用直流测试法，电压测量的分辨率很难超过1μV，测量分辨1μΩ的电阻，其激励电流就必须达到1A的电流，开路电压较高，抗干扰能力较弱，不符合国标GB5095以及GBT351(国标要求测试电流小于100mA，开路电压限制在20mV以内)对电子设备接触电阻检测要求。

基于复杂可编程逻辑器件(CPLD)是一种根据需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路，借助集成开发软件平台，用原理图和硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，通过下载电缆将代码传送到目标芯片中，实现设计的数字系统。主要是由可编程逻辑宏单元围绕中心的可编程互连矩阵单元组成，具有复杂的I/O单元互连结构，可根据需要生成特定的电路结构，完成一定的功能。由于CPLD内部采用固定长度的金属线进行各逻辑块的互连，所以设计的逻辑电路具有时间可预测性，可避免分段式互连结构时序不完全预测的缺点。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种测量可靠性强和精度高的基于复杂可编程逻辑器件的交流毫欧表及其测量方法。

本发明基于复杂可编程逻辑器件的交流毫欧表采用的技术方案是：包括被测电阻和CPLD，CPLD的输出依次串联D/A转换器、二阶滤波器后形成1kHz电压信号源，电压信号源连接电阻分压后与被测电阻之间串接一个反馈闭环，该反馈闭环由误差放大器、差分放大器以及量程电阻组成且连接CPLD；被测电阻两端的电压经隔离电容连接带通放大器，带通放大器的输出分别连接锁相放大器和20mV钳制控制电路；20mV钳制控制电路输出连接CPLD和电阻；锁相放大器输出连接积分型A/D转换器，锁相放大器与积分型A/D转换器分别连接CPLD；MCU连接在CPLD与显示/分选模块之间。

本发明基于复杂可编程逻辑器件的交流毫欧表的测量方法是按如下步骤：

1)以CPLD输出波形代码给D/A转换器生成多阶的阶梯波，经过二阶滤波器的滤波生成稳定的1kHz正弦波电压信号源，该电压信号源经过电阻分压后作为基准来控制施加在被测电阻上的激励信号；

2)差分放大器放大量程电阻上的电压信号，并将信号输入误差放大器的负输入端，电压信号源的基准信号输入误差放大器的正输入端，误差信号经误差放大器放大后调节在量程电阻上的电流形成恒定的交流电流；

3)被测电阻上的信号经带通放大器放大，通过CPLD控制带通放大器的放大增益，对激励信号带宽附近的波形放大，对带宽以外的信号抑制；

4)带通放大器的输出同时连接20mV钳制控制电路，检测开路电压超过20mV时，20mV钳制控制电路输出信号通过控制电阻值来控制电压信号源输入基准电压的幅度，将输出电压钳制在20mV内；

5)CPLD输出0°或90°的1kHz频率的信号经锁相放大器的锁相放大后，经过积分型A/D转换器转换得到被测电阻两端电压分量，再经MCU的校准和运算即可。

本发明使用交流信号对低值电阻进行测量，首先用数字合成频率技术产生一个纯度很纯的1kHz的交流信号源，以该信号源作为基准搭建一个交流恒流源用作对被测电阻的激励信号；再由自行搭建的低噪声带通运放将被测电阻上的信号进行放大，由锁相放大器将信号进行锁相放大近一步拉大信噪比，同时提取其矢量分量；再由AD装换器进行同步积分，提取直流信号并进行转换；利用MCU进行运算、校准判断、显示和分选，同时对开路电压进行监视，并将电压限制在20mV以内。本发明测试电流小于100mA，开路电压在20mV以内，达到国标GB5095和GBT351的标准，可测试大电容的等效串联电阻参数，可降低硬件成本，增加系统集成度，增强仪器的可靠性，有效避免热电势的干扰，提高了交流电压的测量分辨率和信噪比，电压可分辨达10nV的信号，测量1μΩ的电阻，激励电流仅需10mA。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明交流毫欧的组成示意图；

图2是图1中锁相放大器7和积分型A/D转换器8与CPLD1的连接图；

图3是本发明测量方法的流程图。

具体实施方式

如图1，基于CPLD1(复杂可编程逻辑器件)的输出依次串联8位D/A转换器2、二阶滤波器3后形成1kHz电压信号源4。电压信号源4连接电阻R1和R2，经电阻R1和R2分压后作为基准信号。基准信号与被测电阻Rx之间串接的一个反馈闭环，该反馈闭环由误差放大器5、差分放大器12以及量程电阻Rr组成，该反馈闭环连接CPLD1。差分放大器12放大量程电阻Rr上的电压信号，并将信号输入误差放大器5的负输入端，电压信号源4的基准信号输入误差放大器5的正输入端，误差信号经误差放大器)放大后调节在量程电阻Rr上的电流。当系统稳定时，流经量程电阻Rx的电流I＝U/Rr，其中电压U是基准信号电压，Rr为量程电阻。CPLD1通过控制不同的量程电阻Rr来实现不同的测试电流。

被测电阻Rx两端的电压经隔离电容C1和C2连接带通放大器6，带通放大器6的输出连接锁相放大器7与积分型A/D转换器8，锁相放大器7输出连接积分型A/D转换器8，锁相放大器7与积分型A/D转换器8分别连接CPLD1；单片微型计算机MCU10连接在CPLD1与显示/分选模块11之间。带通放大器6的输出同时连接20mV钳制控制电路9，20mV钳制控制电路9输出连接CPLD1和电阻R1，一旦检测到开路电压超过20mV，20mV钳制控制电路输出信号来控制恒流源输入基准电压的幅度，直到将输出电压钳制在20mV内。

如图2所示，在CPLD1与积分型A/D转换器8之间连接过零比较器13；在CPLD1与积分型A/D转换器8负端间安装开关SW1和开关SW2。CPLD1在整个积分型A/D转换器8转换过程中起逻辑控制作用，控制积分型A/D转换器8的充放电和计数。转换开始前，CPLD1控制开关SW2对积分型A/D转换器8上的电荷进行清零。转换开始时，开关SW2打开，开关SW1打到R3位置。

本发明采用一个纯度很高的1kHz的交流电流源，以该信号源作为基准，用作被测电阻Rx的激励信号施加在被测电阻Rx上。而测试部分需要对被测电阻Rx上的交流信号进行放大以及矢量测试，对噪声进行抑止，信号分率辨达到10nV，同时积分型A/D转换器8得分辨率需达到16位以上，这样有效读数才能达30000位。

本发明的测量方法为：

以CPLD1发生波形，通过相位累加器的累加产生的地址来寻址ROM表，将ROM表中的数据输出输出波形代码给D/A转换器2生成多阶的阶梯波，然后经过巴特沃斯二阶滤波器3的滤波生成稳定的1kHz正弦波电压信号源4，谐波分量小，该电压信号源4经过电阻R1、R2分压后作为基准信号，来控制施加在被测电阻Rx上的激励信号。恒流源即是在基准信号与被测电阻Rx之间串接的反馈闭环。

差分放大器12放大量程电阻Rr上的电压信号，同时提高信噪比，并将信号输入误差放大器5的负输入端，电压信号源4的基准信号输入误差放大器5的正输入端，误差信号经误差放大器5放大后调节在量程电阻Rr上的电流形成恒定的交流电流。

被测电阻Rx上的信号经带通放大器6放大，隔离电容C1、C2起到隔离直流信号的作用，针对不同的量程，通过CPLD1控制带通放大器6的放大增益，对激励信号带宽附近的波形进行放大，而对带宽以外的信号进行40分贝的抑制。

带通放大器6的输出同时连接20mV钳制控制电路9，20mV钳制控制电路9监视带通放大器6的输出信号，一旦检测开路电压超过20mV时，20mV钳制控制电路9输出信号通过控制电阻R1值来来控制电压信号源4输入基准电压的幅度，直到将输出电压钳制在20mV内。

CPLD1输出0°或90°的1kHz频率的信号经锁相放大器7的锁相放大后，经过积分型A/D转换器8转换得到被测电阻Rx两端电压分量，再经MCU 10的校准和运算即可。

锁相放大器7的作用是根据噪声的不相关性的特性，将与锁相参考信号频率相关的信号进行放大，而对于与参考频率无关的信号进行抑制。Ux＝acos(2πf+a)；U0＝cos(2πf)；Ux×U0＝Acos(α/2)+Acos(4πf+α)(Ux-未知电压；UO-参考电压)，参见图2。可见经过锁相放大器7后，把噪声推到2kHz以及更高频段去了，滤除交流成分后，能得出直流信号Acos(α/2)了。在这里的锁相放大器7实际上是一个由CPLD1输出0°或90°的1kHz频率的信号来控制一个增益可变的放大器以实现对被锁信号的锁相放大的。

积分型A/D转换器8是基于CPLD1控制的积分型A/D转换器，对交流信号有很好的抑制作用，能很好的过滤掉锁相放大器7输出的交流信号，经锁相放大器7出来的信号在t1时间内对积分型A/D转换器8进行n(n为整数)个信号周期的积分，t2时刻SW1打到R4位置，积分型A/D转换器8对直流参考信号进行反向积分，直至过零比较器13输出过零信号。根据电荷平衡方程，充电电荷Q1＝Vx×t1/R3；放电电荷Q1＝Vr×t2/R4；Q1＝Q2，所以被测电压Vx＝Vr×t2×R3/(R4×t1)；Vr为已知的参考电压，电阻R4，R3为已知参量，t2，t1可以由CPLD1计数获得，所以可得出Vx。该积分型A/D转换器8是积分型的也可以将信噪比进一步提高。整个系统将信噪比提高到了90分贝，即读数可以达到3,0000有效读数，最小达到10nV的分辨率。

本发明运用欧姆定律：Zx＝U/I(Zx、U、I都为复数变量)，Zx＝Rx+jX，其中Rx为实轴分量，即等效电阻分量，X为虚轴分量。由于I为上述的恒流源实现的，所以只需测量出U即可推算出Zx。令U＝a+bj，对未知电压U的实部分量的测量可以通过0°锁相放大后经积分型A/D转换器8转换得出，对虚部分量的测量可以通过90°锁相放大后经积分型A/D转换器8转换得出。MCU10为运算能力较强、速度比较快的Cortex-M3处理器，其测量程序部分流程如图3。MCU 10开机后程序首先对外设进行初始化，初始化完成后进入测量状态，测量开始后首先检测各个模块输出信号是否正常，如果出现异常则测量结束。否则测量继续进行，CPLD1输出1kHz相位0°的方波给锁相放大器7进行0°锁相放大，放大出来的信号经过积分型A/D转换器8，处理器得出被测件实部分量。处理器通知CPLD1输出1kHz相位90°的方波给锁相放大器7进行90°锁相放大，放大出来的信号经过积分型A/D转换器8，处理器得出被测件虚部分量，经过矢量运算校准后，可以得出串联等效电阻、相位角以及电抗等参数，结果输出到显示/分选模块11。

Claims (3)

1、一种基于复杂可编程逻辑器件的交流毫欧表，包括被测电阻(Rx)和CPLD(1)，其特征是：CPLD(1)的输出依次串联D/A转换器(2)、二阶滤波器(3)后形成1kHz电压信号源(4)，电压信号源(4)连接电阻(R1、R2)分压后与被测电阻(Rx)之间串接一个反馈闭环，该反馈闭环由误差放大器(5)、差分放大器(12)以及量程电阻(Rr)组成且连接CPLD(1)；被测电阻(Rx)两端的电压经隔离电容(C1、C2)连接带通放大器(6)，带通放大器(6)的输出分别连接锁相放大器(7)和20mV钳制控制电路(9)；20mV钳制控制电路(9)输出连接CPLD(1)和电阻(R1)；锁相放大器(7)输出连接积分型A/D转换器(8)，锁相放大器(7)与积分型A/D转换器(8)分别连接CPLD(1)；MCU(10)连接在CPLD(1)与显示/分选模块(11)之间。

2、根据权利要求1所述的一种基于复杂可编程逻辑器件的交流毫欧表，其特征是：在CPLD(1)与积分型A/D转换器(8)之间连接过零比较器(13)；在CPLD(1)与积分型A/D转换器(8)负端间安装开关(SW1、SW2)。

3、一种基于复杂可编程逻辑器件的交流毫欧表的测量方法，其特征是按如下步骤：

1)以CPLD(1)输出波形代码给D/A转换器(2)生成多阶的阶梯波，经过二阶滤波器(3)的滤波生成稳定的1kHz正弦波电压信号源(4)，该电压信号源(4)经过电阻(R1、R2)分压后作为基准信号来控制施加在被测电阻(Rx)上的激励信号；

2)差分放大器(12)放大量程电阻(Rr)上的电压信号，并将信号输入误差放大器(5)的负输入端，电压信号源(4)的基准信号输入误差放大器(5)的正输入端，误差信号经误差放大器(5)放大后调节在量程电阻(Rr)上的电流形成恒定的交流电流；

3)被测电阻(Rx)上的信号经带通放大器(6)放大，通过CPLD(1)控制带通放大器(6)的放大增益，对激励信号带宽附近的波形放大，对带宽以外的信号抑制；

4)带通放大器(6)的输出同时连接20mV钳制控制电路(9)，检测开路电压超过20mV时，20mV钳制控制电路(9)输出信号通过控制电阻(R1)值来控制电压信号源(4)输入基准电压的幅度，将输出电压钳制在20mV内；

5)CPLD(1)输出0°或90°的1kHz频率的信号经锁相放大器(7)的锁相放大后，经过积分型A/D转换器(8)转换得到被测电阻(Rx)两端电压分量，再经MCU(10)的校准和运算即可。

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