CN103412191B - 一种微小电阻测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及小电流源的电阻测量技术领域，特别是涉及一种微小电阻测量系统。包括单片机，其特点是还包括所述的单片机的信号a输出端接D/A转换器输入端，D/A转换器输出端与可控小电流源输入端相连，可控小电流源输出端接被测小电阻，被测小电阻上的电压降落作为输出接高信噪比程控放大器的输入端，高信噪比程控放大器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接单片机的A/D转换输入端；单片机的信号b输出端接通道选择器的地址输入端，以选择不同的电阻导通来改变高信噪比程控放大器的放大倍数，其通过可控小电流源与高信噪比程控放大器的密切配合，消除了以往大恒流源方案测量中的电阻温升问题，提高了小电阻测量的准确性。

Description

一种微小电阻测量系统
技术领域
本发明涉及小电流源的电阻测量技术领域，特别是涉及一种微小电阻测量系统。
背景技术
目前，微小电阻的测量长期以来一直是电子测量中的一个难点。在实际工程应用中，比较传统的方法是采用直流双臂电桥法来测量回路的电阻。该方法虽然灵敏度高，但由于电流太过微弱，且必须手动完成，因而，主要应用于实验室测量。2003年华中科技大学的李维波等人提出了用恒流源测量电阻的方法，直流恒流测量小电阻，其思路是：用直流恒定电流通过小电阻，经过信号调理后进行数据的采集，然后输出显示。由于通常的直流恒流源电流较小，对于微小电阻的测量，信号电压会淹没在噪声中而无法提取，所以要先进行恒流源的扩展，使其大到信号能提取出来，然后进行信号的调理和数据的采集。而在大电流或正常电流通过时，会使过渡发热而产生温升，对被测电阻有温升的影响，降低了测量的精度。现有技术中还公开了用超导量子器件测量微小电阻、利用电解槽法测量微小电阻、用三次谐波法测量微小电阻等方法，但其一般是在实验室条件下进行研究所采用的方法，且其测量方案都较为复杂，不易掌握，测量效率低。
发明内容
本发明的目的在于避免现有技术测量效率低、精度差的缺陷而提供一种微小电阻测量系统，其通过可控小电流源与高信噪比程控放大器的密切配合，有效解决了现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：所述的一种微小电阻测量系统，包括单片机，其特点是还包括所述的单片机的信号a输出端接D/A转换器输入端，D/A转换器输出端与可控小电流源输入端相连，可控小电流源输出端接被测小电阻，被测小电阻上的电压降落作为输出接高信噪比程控放大器的输入端，高信噪比程控放大器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接单片机的A/D转换输入端；单片机的信号b输出端接通道选择器的地址输入端，通道选择器的输出选择不同的电阻支路，作为高信噪比程控放大器的放大倍数控制通道，实现对高信噪比程控放大器的放大倍数控制。
所述的单片机包括集成电路U3，单片机的PB0-PB5端均为I/O口，设置为输出状态，单片机的ADCX端为A/D转换输入引脚，单片机为负责系统控制并进行数据处理的系统控制CPU；所述的D/A转换器包括集成电路U2，集成电路U2的VDD端为数字电源正输入端，REFIN端为基准电压输入端，CS端为片选端，AGND端为模拟接地端，SCLK端为串行时钟输入端，DIN端为串行二进制数据输入端，OUT端为模拟电压输出端，集成电路U2的VDD端与REFIN端相连接+VDD，集成电路U2的CS端与AGND端相连并接地，集成电路U2的DIN端与集成电路U3的PB4相连，提供D/A转换所需的数字信号，集成电路U2的SCLK端与集成电路U3的PB5相连，提供D/A转换所需的时钟信号；所述的可控小电流源包括运算放大器A1和运算放大器A2，运算放大器A1的输出端6通过电阻R5接运算放大器A2的正输入端3，运算放大器A1的负输入端2通过电阻R2与输出端6连接，运算放大器A1的负输入端2通过电阻R1接地；运算放大器A2的负输入端2与输出端6连接，运算放大器A2的输出端6依次接电阻R4和电阻R3并与集成电路U2的输出端OUT相连，电阻R4和电阻R3相连接处与运算放大器A1的正输入端3相接；运算放大器A2的正输入端3与被测小电阻Rx的一端相连，被测小电阻Rx的另一端接地；所述的高信噪比程控放大器包括放大器A3，高信噪比程控放大器A3的输入端3接运算放大器A2的正输入端3，高信噪比程控放大器A3的端口2与端口4相接并接地，高信噪比程控放大器A3的端口6为输出端，高信噪比程控放大器A3的端口8与端口1之间接有放大倍数控制电阻，该控制电阻的具体值由通道选择器决定，用于控制高信噪比程控放大器A3的放大倍数；所述的通道选择器包括集成电路U1与电阻R6-R13，集成电路U1的A、B、C端为该通道选择器的地址端，集成电路U1的A、B、C端分别与集成电路U3的PB0-PB2相连以决定具体所选择的通道号，集成电路U1的VDD端为正电源端并接+Vcc，VEE端为负电源端，VSS端为数字信号接地端，INH端为通道选择使能端，VEE端与VSS端连接并与INH端相连接地，IN/OUT0-IN/OUT7端为公共输入/输出端，OUT/IN端为公共输出/输入端，集成电路U1的IN/OUT0-IN/OUT7端口分别与电阻R6-R13的一端对应相连，电阻R6-R13的另一端接放大器A3的端口8，集成电路U1的OUT/IN端与放大器A3的端口1相连；所述的低通滤波器包括运算放大器A4，运算放大器A4的输出端6与集成电路U3的A/D转换输入引脚ADCX端连接，运算放大器A4的负输入端2与其输出端6相连，运算放大器A4的正输入端3依次接电阻R15和电阻R14后接放大器A3的端口6，电阻R15和电阻R14相接处通过电容C1与运算放大器A4的输出端6相连，运算放大器A4的正输入端3通过电容C2接地。
所述的R1、R2、R3、R4阻值相等。
所述的D/A转换器替换为集成电路U4，集成电路U4的VDD端为数字电源正输入端，GND端为模拟接地端，SCL端为串行时钟输入端，SDA端为串行二进制数据输入端，AD0、AD1为A/D转换器地址输入端，用于设置该器件工作时的转换通道，OUTX端为A/D转换模拟电压输出端,该端的选择与A/D转换器地址输入端的设置有关；集成电路U4的VDD端接+VDD,GND端接地，AD0与AD1分别与集成电路U3的PB6和PB7连接，用于设置D/A转换器2工作时的转换通道，SDA端与集成电路U3的PB4相连，提供D/A转换所需的数字信号，SCL端与集成电路U3的PB5相连，提供D/A转换所需的时钟信号。
所述的通道选择器替换为集成电路U5和电阻R16-R19，集成电路U5的CONTROLA-CONTROLD端为该通道选择电路的工作通道选择端，高电平时对应通道导通，低电平时对应通道关闭，集成电路U5的CONTROLA-CONTROLD端分别与集成电路U3的PB0-PB3端对应相连，集成电路U5的VDD端为正电源端接+Vcc，VEE端为负电源端接地，IN/OUTA-IN/OUTD端为公共输入/输出端，OUT/INA-OUT/IND端为公共输出/输入端，集成电路U5的IN/OUTA-IN/OUTD端分别与电阻R16-R19的一端相连，电阻R16-R19的另一端接放大器A3的8端，集成电路U5的OUT/INA-OUT/IND端与放大器A3的1端相连。工作时，由集成电路U3输出不同的CONTROLA-CONTROLD引脚信息，则集成电路U5对应的不同通道导通，放大器A3的8端与1端之间接入不同阻值的电阻，因而，其放大倍数得以改变。
本发明的有益效果是：所述的一种微小电阻测量系统，其采用可控小电流源与高信噪比程控放大器部分自动配合的测量方案，通过可控小电流源与高信噪比程控放大器的密切配合，消除了以往大恒流源方案测量中的电阻温升问题，提高了小电阻测量的准确性。其测量过程自动化、快速化，测量电流小、功耗小、测量过程无电阻温升。
附图说明
图1是本发明结构原理示意图；
图2为本发明的电路连接结构示意图；
图3为本发明图1中的D/A转换器电路示意图；
图4为本发明图1中的通道选择器电路示意图。
图中：101.单片机；102.D/A转换器；103.可控小电流源；104.被测小电阻；105.高信噪比程控放大器；106.通道选择器；107.低通滤波器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1和2所示，所述的一种微小电阻测量系统，包括单片机101，其特点是还包括所述的单片机101的信号a输出端接D/A转换器102输入端，D/A转换器102输出端与可控小电流源103输入端相连，可控小电流源103输出端接被测小电阻104，被测小电阻104上的电压降落作为输出接高信噪比程控放大器105的输入端，高信噪比程控放大器105的输出端接低通滤波器107的输入端，低通滤波器107的输出端接单片机101的A/D转换输入端；单片机101的信号b输出端接通道选择器106的地址输入端，通道选择器106的输出选择不同的电阻支路，作为高信噪比程控放大器105的放大倍数控制通道，实现对高信噪比程控放大器105的放大倍数控制。
所述的单片机101包括集成电路U3，单片机101的PB0-PB5端均为普通I/O口，设置为输出状态，单片机101的ADCX端为A/D转换输入引脚，单片机101为负责系统控制并进行数据处理的系统控制CPU；所述的D/A转换器102包括集成电路U2，集成电路U2的VDD端为数字电源正输入端，REFIN端为基准电压输入端，CS端为片选端，AGND端为模拟接地端，SCLK端为串行时钟输入端，DIN端为串行二进制数据输入端，OUT端为模拟电压输出端，集成电路U2的VDD端与REFIN端相连接+VDD，集成电路U2的CS端与AGND端相连并接地，集成电路U2的DIN端与集成电路U3的PB4相连，提供D/A转换所需的数字信号，集成电路U2的SCLK端与集成电路U3的PB5相连，提供D/A转换所需的时钟信号；所述的可控小电流源103包括运算放大器A1和运算放大器A2，运算放大器A1的输出端6通过电阻R5接运算放大器A2的正输入端3，运算放大器A1的负输入端2通过电阻R2与输出端6连接，运算放大器A1的负输入端2通过电阻R1接地；运算放大器A2的负输入端2与输出端6连接，运算放大器A2的输出端6依次接电阻R4和电阻R3并与集成电路U2的输出端OUT相连，电阻R4和电阻R3相连接处与运算放大器A1的正输入端3相接；运算放大器A2的正输入端3与被测小电阻104Rx的一端相连，被测小电阻104Rx的另一端接地；所述的高信噪比程控放大器105包括放大器A3，高信噪比程控放大器A3的输入端3接运算放大器A2的正输入端3，高信噪比程控放大器A3的端口2与端口4相接并接地，高信噪比程控放大器A3的端口6为输出端，高信噪比程控放大器A3的端口8与端口1之间接有放大倍数控制电阻，该控制电阻的具体值由通道选择器106决定，用于控制高信噪比程控放大器A3的放大倍数；所述的通道选择器106包括集成电路U1与电阻R6-R13，集成电路U1的A、B、C端为该通道选择器的地址端，集成电路U1的A、B、C端分别与集成电路U3的PB0-PB2相连以决定具体所选择的通道号，集成电路U1的VDD端为正电源端并接+Vcc，VEE端为负电源端，VSS端为数字信号接地端，INH端为通道选择使能端，VEE端与VSS端连接并与INH端相连接地，IN/OUT0-IN/OUT7端为公共输入/输出端，OUT/IN端为公共输出/输入端，集成电路U1的IN/OUT0-IN/OUT7端口分别与电阻R6-R13的一端对应相连，电阻R6-R13的另一端接放大器A3的端口8，集成电路U1的OUT/IN端与放大器A3的端口1相连；所述的低通滤波器107包括运算放大器A4，运算放大器A4的输出端6与集成电路U3的A/D转换输入引脚ADCX端连接，运算放大器A4的负输入端2与其输出端6相连，运算放大器A4的正输入端3依次接电阻R15和电阻R14后接放大器A3的端口6，电阻R15和电阻R14相接处通过电容C1与运算放大器A4的输出端6相连，运算放大器A4的正输入端3通过电容C2接地。
进一步，所述的R1、R2、R3、R4阻值相等
进一步，所述的D/A转换器102替换为集成电路U4，集成电路U4的VDD端为数字电源正输入端，GND端为模拟接地端，SCL端为串行时钟输入端，SDA端为串行二进制数据输入端，AD0、AD1为该D/A转换器地址输入端，用于设置该器件工作时的转换通道，OUTX端为该D/A转换器模拟电压输出端,该端的选择与A/D转换器地址输入端的设置有关；集成电路U4的VDD端接+VDD,GND端接地，AD0与AD1分别与集成电路U3的PB6和PB7连接，用于设置该D/A转换器工作时的转换通道，SDA端与集成电路U3的PB4相连，提供D/A转换所需的数字信号，SCL端与集成电路U3的PB5相连，提供D/A转换所需的时钟信号。
进一步，所述的通道选择器106替换为集成电路U5和电阻R16-R19，集成电路U5的CONTROLA-CONTROLD端为该通道选择器的工作通道选择端，高电平时对应通道导通，低电平时对应通道关闭，集成电路U5的CONTROLA-CONTROLD端分别与集成电路U3的PB0-PB3端对应相连，集成电路U5的VDD端为正电源端接+Vcc，VEE端为负电源端接地，IN/OUTA-IN/OUTD端为公共输入/输出端，OUT/INA-OUT/IND端为公共输出/输入端，集成电路U5的IN/OUTA-IN/OUTD端分别与电阻R16-R19的一端相连，电阻R16-R19的另一端接放大器A3的8端，集成电路U5的OUT/INA-OUT/IND端与放大器A3的1端相连。工作时，由集成电路U3输出不同的CONTROLA-CONTROLD引脚信息，则集成电路U5对应的不同通道导通，放大器A3的8端与1端之间接入不同阻值的电阻，因而，其放大倍数得以改变。
所述的一种微小电阻测量系统，其实验例1：R1-R4均选用100K/0.25W的精密电阻，R5选用1.0K/0.25W的精密电阻，运算放大器A1、A2、A4均选用OP07CP，则可控小电流源103的输出电流I的范围在0-5mA，高信噪比程控放大器A3选用AD620，集成电路U1选择CD4051通道选择器，集成电路U2选择TLC5615串行10位D/A转换器，集成电路U3选择AVR单片机ATMEGA16，+VCC选+12V，+VDD选+5V，电阻R14、R15分别选用10K/0.25W、15K/0.25W普通电阻，电容C1、C2分别选用1.0uF、0.47uF的独石电容，则低通滤波器107的截止频率为20HZ，电阻R6-R13分别选用阻值为49.45、29.71、16.47、12.35、9.88、8.23、7.06、6.20Ω，功率为0.5W的精密电阻，则高信噪比程控放大器105的放大倍数为1000、2000、3000、4000、5000、6000、7000、8000共8档可选，该小电阻测量电路的实用测量范围约为0.5mΩ-500Ω。设某一测量中I=1mA,高信噪比程控放大器105的放大倍数为1000，ADCX端的电压值为4.50V，则所测小电阻Rx=4.50V/(1mA*1000)=4.50Ω；设某一测量中I=4.2mA,高信噪比程控放大器105的放大倍数为2000，ADCX端的电压值为0.34V，则所测小电阻Rx=0.34V/(4.2mA*2000)=40.48mΩ；设某一测量中I=4.98mA,高信噪比程控放大器105的放大倍数为8000，ADCX端的电压值为0.02V，则所测小电阻Rx=0.02V/(4.98mA*8000)=0.5mΩ。
实验例2：所述的一种微小电阻测量系统，与实验例1不同的是D/A转换器部分采用串行8位双通道D/A转换器MAX518的方案，也可以实现相同目的。
实验例3：所述的一种微小电阻测量系统，与实验例1不同的是道选择器106部分采用以CD4066四双向模拟开关为核心的集成电路，电阻R16-R19分别选用阻值为49.45、12.35、7.06、6.20Ω，功率为0.5W的精密电阻，则高信噪比程控放大器105的放大倍数为1000、4000、7000、8000共4档可选，也可达到测量范围约为0.5mΩ-500Ω的目的。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种微小电阻测量系统，包括单片机，其特点是还包括所述的单片机的信号a输出端接D/A转换器输入端，D/A转换器输出端与可控小电流源输入端相连，可控小电流源输出端接被测小电阻，被测小电阻上的电压降落作为输出接高信噪比程控放大器的输入端，高信噪比程控放大器的输出端接低通滤波器的输入端，低通滤波器的输出端接单片机的A/D转换输入端；单片机的信号b输出端接通道选择器的地址输入端，通道选择器的输出选择不同的电阻支路，作为高信噪比程控放大器的放大倍数控制通道，实现对高信噪比程控放大器的放大倍数控制；所述的单片机包括集成电路U3，单片机的PB0-PB5端均为I/O口，设置为输出状态，单片机的ADCX端为A/D转换输入引脚，单片机为负责系统控制并进行数据处理的系统控制CPU；所述的D/A转换器包括集成电路U2，集成电路U2的VDD端为数字电源正输入端，REFIN端为基准电压输入端，CS端为片选端，AGND端为模拟接地端，SCLK端为串行时钟输入端，DIN端为串行二进制数据输入端，OUT端为模拟电压输出端，集成电路U2的VDD端与REFIN端相连接+VDD，集成电路U2的CS端与AGND端相连并接地，集成电路U2的DIN端与集成电路U3的PB4相连，提供D/A转换所需的数字信号，集成电路U2的SCLK端与集成电路U3的PB5相连，提供D/A转换所需的时钟信号；所述的可控小电流源包括运算放大器A1和运算放大器A2，运算放大器A1的输出端6通过电阻R5接运算放大器A2的正输入端3，运算放大器A1的负输入端2通过电阻R2与运算放大器A1的输出端6连接，运算放大器A1的负输入端2通过电阻R1接地；运算放大器A2的负输入端2与运算放大器A2的输出端6连接，运算放大器A2的输出端6依次接电阻R4和电阻R3并与集成电路U2的输出端OUT相连，电阻R4和电阻R3相连接处与运算放大器A1的正输入端3相接；运算放大器A2的正输入端3与被测小电阻Rx的一端相连，被测小电阻Rx的另一端接地；所述的高信噪比程控放大器包括放大器A3，高信噪比程控放大器A3的输入端3接运算放大器A2的正输入端3，高信噪比程控放大器A3的负输入端口2与负电源端口4相接并接地，高信噪比程控放大器A3的输出端口6为输出端，高信噪比程控放大器A3的电阻连接端口8与电阻连接端口1之间接有放大倍数控制电阻，该控制电阻的具体值由通道选择器决定，用于控制高信噪比程控放大器A3的放大倍数；所述的通道选择器包括集成电路U1与放大倍数控制电阻R6-R13，集成电路U1的A、B、C端为该通道选择器的地址输入端，集成电路U1的A、B、C端分别与集成电路U3的PB0-PB2相连以决定具体所选择的通道号，集成电路U1的VDD端为正电源端并接+Vcc， VEE端为负电源端，VSS端为数字信号接地端，INH端为通道选择使能端，VEE端与VSS端连接并与INH端相连接地，IN/OUT0- IN/OUT7端为公共输入/输出端，OUT/IN端为公共输出/输入端，集成电路U1的IN/OUT0- IN/OUT7端口分别与电阻R6-R13的一端对应相连，电阻R6-R13的另一端接放大器A3的端口8，集成电路U1的OUT/IN端与放大器A3的端口1相连；所述的低通滤波器包括运算放大器A4，运算放大器A4的输出端6与集成电路U3的A/D转换输入引脚ADCX端连接，运算放大器A4的负输入端2与其输出端6相连，运算放大器A4的正输入端3依次接电阻R15和电阻R14后接放大器A3的端口6，电阻R15和电阻R14相接处通过电容C1与运算放大器A4的输出端6相连，运算放大器A4的正输入端3通过电容C2接地。
2.如权利要求1所述的一种微小电阻测量系统，其特征在于：所述的R1、R2、R3、R4阻值相等。
3.如权利要求1所述的一种微小电阻测量系统，其特征在于：所述的D/A转换器替换为集成电路U4，集成电路U4的VDD端为数字电源正输入端， GND端为模拟接地端，SCL端为串行时钟输入端，SDA端为串行二进制数据输入端， AD0、AD1为该D/A转换器地址输入端，用于设置集成电路U4工作时的转换通道，OUTX端为该D/A转换器模拟电压输出端, OUTX端的选择与A/D转换器地址输入端的设置有关；集成电路U4的VDD端接+VDD, GND端接地，AD0与AD1分别与集成电路U3的通道选择端口PB6和PB7连接，用于设置D/A转换器工作时的转换通道，SDA端与集成电路U3的PB4相连，提供D/A转换所需的数字信号，SCL端与集成电路U3的PB5相连，提供D/A转换所需的时钟信号。
4.如权利要求1所述的一种微小电阻测量系统，其特征在于：所述的通道选择器替换为集成电路U5和放大倍数控制电阻R16-R19，集成电路U5的CONTROLA-CONTROLD端为该通道选择器的工作通道选择端，高电平时对应通道导通，低电平时对应通道关闭，集成电路U5的CONTROLA-CONTROLD端分别与集成电路U3的PB0-PB3端对应相连，集成电路U5的 VDD端为正电源端接+Vcc，VEE端为负电源端接地，IN/OUTA- IN/OUTD端为公共输入/输出端，OUT/INA- OUT/IND端为公共输出/输入端，集成电路U5的IN/OUTA- IN/OUTD端分别与电阻R16-R19的一端相连，电阻R16-R19的另一端接放大器A3的8端，集成电路U5的OUT/INA- OUT/IND端与放大器A3的1端相连。
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