CN109342820A - 一种接触阻抗测试系统 - Google Patents

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顾金良
王雪军
罗红娥
夏言
栗保明
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Abstract

本发明公开了一种接触阻抗测试系统，包括微处理器、前端测试电路、增益可控放大电路、相敏检波电路和AD转换电路，微处理器产生1khz的正弦信号作为激励以及相位相差90°的方波信号作为基准相位信号，测试阻抗通过开尔文测试线接入测量电路，经正弦激励后分别在待测阻抗和标准阻抗两端取得矢量电压信号，通过自由轴法的相敏检波器将矢量电压信号的实部和虚部分开，再通过AD转换将模拟量转化为数字量将数字量送入控制系统进行处理得到待测阻抗值并通过LCD显示。本发明主要用于接触阻抗的测试，具有精确度高、测量范围大、方便灵活的特点。

Description

一种接触阻抗测试系统
技术领域
本发明涉及RLC参数测量技术，具体涉及一种接触阻抗测试系统。
背景技术
目前对于接触阻抗的测量方法包括开尔文双臂电桥法、谐振法和阻抗变换法。开尔文双臂电桥法的测量精度较高，但是要调节上下桥臂的阻抗平衡需要大量时间，不易实现自动测量；谐振法需要调节信号源频率，使得电路发生谐振，测量精度低并且测量速度慢。
专利号CN103116079公开了一种阻抗谱的测量方法，其测量步骤为：通过正弦信号发生器产生0-100MHZ的任意频率正弦信号，在微处理器的控制下选择被测阻抗量程，然后将电压信号直接连到放大电路，发达后经过模数转换电路将模拟量转换为数字量。该发明同样采用的阻抗变换法，虽然测量范围大，但无法消除引线电阻和接触电阻的影响不能消除，对于测量欧姆级的电阻会有较大影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种接触阻抗测试系统。
实现本发明目的的技术方案为：一种接触阻抗测试系统，包括微处理器、前端测试电路、增益可控放大电路、相敏检波电路和AD转换电路，所述前端测试选择电路接收来自于微处理器的正弦信号，所述前端测试选择电路采用自动平衡电桥法测量待测阻抗和标准阻抗两端的待测电压，所述增益可控放大电路与前端测试选择电路连接，用于将前端测试电路测试得到的矢量电压信号放大；所述开关式相敏检波电路与增益可控放大电路以及微处理器连接，所述开关式相敏检波电路接收微处理器的正交信号，将放大后的矢量电压信号的实部和虚部进行分离；所述AD转换电路与开关式相敏检波电路连接，用于将分离后的模拟信号转换为数字信号，并将该信号输出至微处理器得到待测试电阻阻抗。
优选地，所述前端测试选择电路采用开尔文四线同轴测试线对待测阻抗和标准阻抗进行测量。
优选地，所述前端测试电路包括自动平衡电桥电路以及仪表三运放电路，所述仪表三运放电路的负输入端与自动平衡电桥电路的待测阻抗和标准阻抗的连接点连接，所述仪表三运放电路的正输入端接地，使连接点虚地。
优选地，所述标准阻抗为多个，且阻值不同，通过模拟开关选择相应阻值的标准阻抗与待测阻抗串联，所述模拟开关对相应阻值的标准阻抗的切换通过STM32微控制器对模拟开关的地址端进行选通。
优选地，包括与微处理器连接的按键切换模块，所述按键切换模块用于切换前端测试电路中相应阻值的标准阻抗。
优选地，包括与微处理器连接的LCD显示器，所述LCD显示器用于显示微处理器测量得到的待测阻抗值。
优选地，所述相敏检波电路包括依次连接的隔直输入电路、开关鉴相电路和低通滤波电路。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明将正弦正交信号发生部分通过微处理器产生，同时采用自由轴法进行测量，简化了硬件电路成本；(2)本发明采用自动平衡电桥使标准阻抗和待测阻抗连接点虚地，消除对地分布电容的影响；(3)本发明采用开尔文四线检测，使阻抗测试在低频低量程段获得高分辨率。
附图说明
图1是接触阻抗测试系统的原理图
图2是微处理器产生的信号示意图，其中图(a)为正弦激励信号示意图，图(b)为正交信号示意图。
图3是前端测试选择电路图。
图4是增益可控放大电路图。
图5是开关式相敏检波电路图。
具体实施方式
如图1所示，一种接触阻抗测试系统，包括微处理器1、前端测试电路2、增益可控放大电路4、相敏检波电路5和AD转换电路6，所述前端测试选择电路2接收来自于微处理器1的正弦信号，所述前端测试选择电路2采用自动平衡电桥法测量待测阻抗和标准阻抗两端的待测电压，所述增益可控放大电路4与前端测试选择电路2连接，用于将前端测试电路2测试得到的矢量电压信号放大；所述开关式相敏检波电路5与增益可控放大电路4以及微处理器1连接，所述开关式相敏检波电路5接收微处理器1的正交信号，将放大后的矢量电压信号的实部和虚部进行分离；所述AD转换电路6与开关式相敏检波电路5连接，用于将分离后的模拟信号转换为数字信号，并将该信号输出至微处理器1得到待测试电阻阻抗。
进一步的实施例中，所述前端测试选择电路2采用开尔文四线3同轴测试线对待测阻抗和标准阻抗进行测量。
进一步的实施例中，所述前端测试电路2包括自动平衡电桥电路以及仪表三运放电路，所述仪表三运放电路的负输入端与自动平衡电桥电路的待测阻抗和标准阻抗的连接点连接，所述仪表三运放电路的正输入端接地，使连接点虚地。
进一步的实施例中，所述标准阻抗为多个，且阻值不同，通过模拟开关选择相应阻值的标准阻抗与待测阻抗串联，所述模拟开关对相应阻值的标准阻抗的切换通过STM32微控制器对模拟开关的地址端进行选通。
进一步的实施例中，包括与微处理器连接的按键切换模块7，所述按键切换模块7用于切换前端测试电路2中相应阻值的标准阻抗。
进一步的实施例中，包括与微处理器连接的LCD显示器8，所述LCD显示器8用于显示微处理器测量得到的待测阻抗值。
进一步的实施例中，所述相敏检波电路5包括依次连接的隔直输入电路、开关鉴相电路和低通滤波电路。
如图2所示，在某些实施例中，通过微处理器STM32产生1kHz正弦信号作为测试激励信号，同频并且相移90°的正交信号作为相敏检波电路5的控制信号，激励信号通过I0依次流过待测阻抗Zx和标准阻抗Zs两端，通过测量电压得到待测阻抗值。
如图3所示，前端测试电路包括待测阻抗(通过J2连入电路)、标准阻抗(R19、R20、R21、R22)、模拟开关U2、低通滤波电路、电桥平衡电路和仪表三运放电路。所述电桥平衡电路包括二极管D13和二极管D14、运算放大器U3(TL082)、待测阻抗和标准阻抗。标准阻抗和待测阻抗的连接点接到运算放大器U3的负输入端，正端接地，这样连接点就变为虚地，对地电压机会为0，减小连接点的对地分布电容。
如图3所示，第一电阻R19和第一电容C11并联一端接J2，另一端接入模拟开关U2的12脚与1脚；第二电阻R20和第二电容C12并联一端接J2，另一端接入模拟开关14脚与5脚；第三电阻R21和第三电容C13并联一端接J2，另一端接入模拟开关15脚与2脚；第四电阻R22和第二电容C14并联一端接J2，另一端接入模拟开关11脚与4脚；D13和D14反向并联一端接地，一端接J2与U3的2脚；U3的7脚接电源+5v,4脚接电源-5v；U3的6脚和U2的13脚相连；J2端信号通过C10和R15组成的低通滤波后流入仪表三运放的同相输入端；U2的3脚的输出信号通过C20和R25组成的低通滤波器后流入仪表三运放的反向输入端。
如图3所示，微处理器STM32产生的数字信号控制模拟开关U2进行量程的切换，通过经验预判或者万用表粗测待测阻抗值，选择标准阻抗在待测阻抗的1/30与30倍之间进行测量，自动电桥平衡电路使测试点接地，抑制对地浮动造成的误差。测试信号输入由TL084组成的仪表三运放电路进行缓冲放大。
如图4所示，增益可控放大电路包括模拟开关U5、运算放大器U6和倍数切换电阻第一电阻R30、第二电阻R31、第三电阻R32和第四电阻R33，微处理器STM32对模拟开关U5的11脚A输出高电平，待放大的信号标准阻抗电压，通过模拟开关U5引脚13输入；微处理器STM32对A输出低电平，待放大的信号为待测阻抗电压，通过模拟开关U5引脚12输入；微处理器STM32对B输出低电平并且对C输出低电平，放大倍数为1倍；微处理器STM32对B输出高电平，对C输出低电平或者对B输出低电平，对C输出高电平，电路放大倍数为10倍；微处理器STM32对B输出高电平并且对C输出高电平，放大倍数为100倍。待测阻抗和标准阻抗两端的电压值分别通过模拟开关U5的12脚J3和13脚J6接入模拟开关；第一电阻R30的一端接模拟开关U5的2脚和运算放大器U6的3脚，另一端接第二电阻R31和模拟开关U5的1脚；第二电阻R31一端接地，另一端接第一电阻R30和模拟开关U5的1脚；第四电阻R33一端接模拟开关U5的5脚和U6的1脚，另一端接第三电阻R32和U5的3脚；第三电阻R32一端接地，另一端接第四电阻R33和模拟开关U5的1脚；模拟开关U5的9、10和11脚接端口J4；运算放大器U6的5脚和6脚分别接模拟开关U5的14脚和15脚；运算放大器U6的7脚接运算放大器U6的3脚和R38的一端；R38的另一端接地，模拟开关U5的4脚接运算放大器U6的2脚；放大后的信号通过运算放大器U6的1脚输出，流经C25和R37组成的高通滤波器进入相敏检波电路。
如图5所示，相敏检波电路的作用是将被测矢量电压和参考矢量电压用不同参考相位进行鉴相并将其平均值转换成相应的数字量。相敏检波电路包括包括依次连接的隔直输入电路、开关鉴相电路和低通滤波电路。隔直输入电路为电容C37和电阻R41组成的截止频率为35Hz的高通滤波器，低通滤波输出的截止频率10kHz。微控制器STM32产生的0°和90°正交的基准相位信号通过端口J6接入模拟开关U7的12和13引脚。放大后的电压信号通过J8接入隔离电容后接入模拟开关U7的2和3引脚，微控制器STM32通过端口J7输入高电平时，模拟信号持续通过，输入低电平时，信号停止输入。相敏检波后的电压分别为待测电阻和标准电阻在0°和90°坐标轴上的投影值U1、U2、U3、U4。通过AD转换，将Ui转化为对应的数字量Ni。
基于以上阻抗测试电路，通过如下步骤来实现接触阻抗测试。
通过开尔文测试夹接通待测阻抗，接通微处理器STM32控制电路，选择PWM输出，通过PA.5输出1KHz正弦波，PA.6输出0°同频方波，PA.7输出90°同频方波。
将正弦波通过J1端口接入测量电路，通过经验估计将量程设置到近似值，正弦激励通过待测阻抗和标准阻抗的电桥平衡电路，在两端分别产生矢量电压值。通过STM32微处理器选择放大待测电压或标准电压，U5的地址端A置高选择输出标准电压，地址端A置低选择待测电压。
首先将相敏检波电路的地址端BC与PA.6接通，放大后的待测电压和标准电压分别通过Y0与Z1接入电路，将地址端A置高，信号持续流入，Y通道接通信号高电平，Z通道接通信号低电平。
信号输入STM32进行AD转换，首先开启PA口时钟和ADC1时钟，然后复位ADC1同时设置ADC1分频因子，初始化GPIO口和ADC1的参数，使能是定的ADC1并进行复位浇筑和AD校准，设置规则序列中第1个转换，然后软件使能ADC转换方法，通过ADC_GetConversionValue(ADC1)获取ADC转换结果数据。
获取的数据电容和电感的量级分别选择串联或并联等效模型，当计算小电容或大电感时采用并联模型，计算公式为：和
其中Ni为坐标轴上电压Ui对应的数字量，ω为测量频率，Rs为标准电阻值。获取电压的数字量后通过软件选择等效模型进行计算，然后通过LCD屏幕进行显示。
本发明的工作过程为：信号发生电路需要产生一个精准的正弦信号为测试电路提供激励信号，并且产生两个同频并移相90度的方波信号作为相敏检波电路的参考信号，信号发生电路利用STM32芯片的PWM输出功能，结合低通滤波电路，通过软件模拟DDS合成的方式产生正弦信号。首先在单片机内存中写好正弦函数查询表，设定定时器，每当一个定时器中断来临，利用算法将相位累加固定的步长地图dt，得到t,t+dt,t+2dt,t+3dt……的相位序列。然后将正弦函数查询表中对应的sin(t)的值通过PWM模拟DAC同步输出，输出时加入多级低通滤波滤掉高次谐波并通过隔直电容滤掉直流信号。输出频率1KHz,幅值200mv的正弦波,方波通过STM32通用定时器的Toggle模式，在每个ARR周期内，CNT计数到CCR对应的值即出发对应通道的电平翻转，设定不同的CCR值，电平的翻转时间不同，即可产生相位移动。
前端测量电路采用差分放大器分离出待测电阻与标准电阻两端的矢量电压，采用“仪表三运放”电路来对待测元件和标准电阻进行缓冲放大，放大倍数设计为5倍。
待测电阻测测量采用四端开尔文测量法，当被测电阻的阻值小于几欧姆时，测试引线的电阻和探针与测试点的接触电阻与被测电阻相比不可忽略，通过开尔文四线法屏蔽引线电阻和接触电阻，开尔文连接需要激励线和检测线构成两个独立回路，同时检测线需要有极高的输入阻抗，使流过检测线的电流极小。
相敏检波由模拟开关组成，控制模拟开关的通断信号是前文中0°和90°正交的基准相位信号。相敏检波电路的输出是被测阻抗和标准阻抗分别在两正交坐标轴上的投影值。
AD转换电路选用四位半的双积分A/D转换器ICL7135，它相当于14位的A/D转换器，转换精度高、抗干扰能力强、性价比高。通过AD转换状态输出引脚BUSY控制计数器对输出脉冲进行计数，将BUSY高电平器件得到的计数值减掉自校准的10001个脉冲美极客得到待测数字量。将测量得到的模拟电压值转换为数字量供STM32处理计算。在小电容或大电感情况下选择阻抗并联模型，在大电容或小电感情况下选择串联等效模型，通过数字量之间的关系计算得到相应的阻抗值。
软件控制流程是：开始，第一步，系统初始化配置；第二步，开始测量；第三步，计算待测元件的阻抗参数；第四部，是否为合理的测量结果，若是，显示默认的参数信息，若否，切换量程，重复第二步；第五步，扫描按键是否按下，若是，执行相应操作，若否，显示测量信息。

Claims (7)

1.一种接触阻抗测试系统，其特征在于，包括微处理器(1)、前端测试电路(2)、增益可控放大电路(4)、相敏检波电路(5)和AD转换电路(6)，所述前端测试选择电路(2)接收来自于微处理器(1)的正弦信号，所述前端测试选择电路(2)采用自动平衡电桥法测量待测阻抗和标准阻抗两端的待测电压，所述增益可控放大电路(4)与前端测试选择电路(2)连接，用于将前端测试电路(2)测试得到的矢量电压信号放大；所述开关式相敏检波电路(5)与增益可控放大电路(4)以及微处理器(1)连接，所述开关式相敏检波电路(5)接收微处理器(1)的正交信号，将放大后的矢量电压信号的实部和虚部进行分离；所述AD转换电路(6)与开关式相敏检波电路(5)连接，用于将分离后的模拟信号转换为数字信号，并将该信号输出至微处理器(1)得到待测试电阻阻抗。
2.根据权利要求1所述的接触阻抗测试系统，其特征在于，所述前端测试选择电路(2)采用开尔文四线(3)同轴测试线对待测阻抗和标准阻抗进行测量。
3.根据权利要求1所述的接触阻抗测试系统，其特征在于，所述前端测试电路(2)包括自动平衡电桥电路以及仪表三运放电路，所述仪表三运放电路的负输入端与自动平衡电桥电路的待测阻抗和标准阻抗的连接点连接，所述仪表三运放电路的正输入端接地，使连接点虚地。
4.根据权利要求3所述的接触阻抗测试系统，其特征在于，所述标准阻抗为多个，且阻值不同，通过模拟开关选择相应阻值的标准阻抗与待测阻抗串联，所述模拟开关对相应阻值的标准阻抗的切换通过STM32微控制器对模拟开关的地址端进行选通。
5.根据权利要求1所述的接触阻抗测试系统，其特征在于，包括与微处理器连接的按键切换模块(7)，所述按键切换模块(7)用于切换前端测试电路(2)中相应阻值的标准阻抗。
6.根据权利要求1所述的接触阻抗测试系统，其特征在于，包括与微处理器连接的LCD显示器(8)，所述LCD显示器(8)用于显示微处理器测量得到的待测阻抗值。
7.根据权利要求1所述的接触阻抗测试系统，其特征在于，所述相敏检波电路(5)包括依次连接的隔直输入电路、开关鉴相电路和低通滤波电路。
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