CN216117804U - 一种电阻测量模组 - Google Patents

Abstract

本实用新型旨在提供一种能够有效消除电路偏置的影响、能够快速判断接触不良的原因且测量精度高的电阻测量模组。本实用新型包括DAC模块、电压源模块、E‑load及电流采样模块、电压采样模块以及ADC模块，通过DAC模块控制电压源模块输出指定电压以及控制E‑load及电流采样模块提供不同档位的电流，由所述E‑load及电流采样模块和电压采样模块将采样结果反馈至所述ADC模块进行分析处理。本实用新型应用于电阻测量的技术领域。

Description

一种电阻测量模组

技术领域

本实用新型应用于电阻测量的技术领域,特别涉及一种电阻测量模组。

背景技术

随着生活质量的快速提升和科学技术的飞速进步，形形色色的电子产品层出不穷，电阻作为最常见的电子元器件，在各种电路设计中起着最普通也举足轻重的作用。在一些特殊系统中，如大功率电路、电流测量、信号采集等，电阻的精度直接影响着整个系统的稳定性及精度。目前，在电子产品的生产过程中，对产品的功能质量检测的第一步都是测量电阻，确保产品没有开路或者短路，能够正常上电。因此电阻测量几乎应用于所有的电子测量系统，实现方法也因应用场合和产品而异。

电阻测试的方法主要有以下几种：1、伏安法，即提供电流，测量电压，计算电阻；2、电桥测量；3、分压测试。最常见的方法就是伏安法，而为了确保电阻测试的精确度，往往会使用四线制的测试方法，即电流回路与电压测量回路不共用。目前市面上针对电阻测试的设备主要分为2大类：1、标准设备，如数字万用表、LCR表等；2、功能板卡，针对各种不同场合、需求所设计的专用板卡，基本上都是提供不同档位的电流源，测量待测电阻两端电压，再计算电阻值。

现有的设备或标准功能板卡可以满足各种精度、量程的电阻测试需求，但是对于测试系统中接触不良导致的小电阻误测的问题，功能板卡处理存在一定的不足，主要有以下几点：在四线制小电阻测试时，由于接触不良导致电压采样的一个信号未连接好，此时采样电路上的输出电压是浮动的，采样电路测量的结果存在一定的概率与理论值相近，从而导致误测；一些现有设计会在采样电路上增加上/下拉电阻，使得信号接触不良时采样电路输出高电平或低电平，但是上/下拉电阻以及上/下拉电源的噪音都会导致正常测试结果存在一定的误差；在空间限制，需要使用功能板卡的环境下，往往会加大上拉和下拉电阻的阻值，降低测量误差，但无法消除。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种能够有效消除电路偏置的影响、能够快速判断接触不良的原因且测量精度高的电阻测量模组。

本实用新型所采用的技术方案是：所述电阻测量模组包括DAC模块、电压源模块、E-load及电流采样模块、电压采样模块以及ADC模块；

所述DAC模块分别连接至所述电压源模块和所述E-load及电流采样模块，用于控制所述电压源模块输出指定电压，以及输出指定电压至所述E-load及电流采样模块中；

所述电压源模块用于将输入的电源电压转化为低噪音直流电压，输出电压的大小由所述DAC模块控制，为待测电阻提供指定的电压；

所述E-load及电流采样模块用于为待测电阻提供不同档位的电流，以及进行电流采样；

所述电压采样模块用于对待测电阻两端的电压进行采样，并将采样结果反馈至所述ADC模块进行测量，所述电压采样电路包括仪表放大器、上拉电阻以及下拉电阻，所述上拉电阻与所述仪表放大器的IN+脚连接，所述下拉电阻与所述仪表放大器的IN-脚连接，所述仪表放大器的IN+脚和IN-脚分别连接至待测电阻的两端，所述仪表放大器的IN+脚和IN-脚与待测电阻之间均设置有串联电阻，所述仪表放大器的RG端口连接有增益电阻，所述仪表放大器的输出端与所述ADC模块连接；

所述ADC模块与所述电压采样电路以及所述E-load及电流采样模块连接，并对采样结果进行测量。

由上述方案可见，通过增加所述上拉电阻和所述下拉电阻消除了采样信号接触不良导致的误测问题，接触不良时所述上拉电阻和所述下拉电阻使得所述仪表放大器输出电源电压，通过所述ADC模块采样电压值即可判断待测电阻是否存在信号接触不良，适合通过探针或连接器接触测量电阻的场合，预防因接触不良导致误测。同时通过所述电压源模块对电源进行分压及滤波处理会降低电源噪音，从而降低噪音对电阻测试精度的影响。通过所述E-load及电流采样模块为待测电阻提供不同档位的电流，并检测电流回路工作状态。电压采样电路可对待测电阻两端的电压进行采样，将采样结果给到ADC电路进行测量。两个串联电阻用于防止测试时所述仪表放大器的IN+脚和IN-脚之间的电容有瞬间大电流产生，且可为仪表放大器的输入提供偏置电压。所述增益电阻用来设置仪表放大器的输出增益，将输入的小信号放大后输出到所述ADC模块，提高所述ADC模块采样的准确性。

一个优选方案是，所述DAC模块包括数模转换芯片以及若干噪音滤波器件，若干所述噪音滤波器件连接在所述数模转换芯片与供电电源之间，所述数模转换芯片的DA1端口与所述电压源模块连接，所述数模转换芯片的DA2端口与所述E-load及电流采样模块连接。

由上述方案可见，所述DAC模块的作用是控制电压源电路输出指定的电压，以及控制所述E-load及电流采样模块设定恒定的电流。所述数模转换芯片是可将数字信号转换为模拟信号的芯片，模拟输出精度可达12位，电压范围是0至5V。所述DAC模块中的电容C1-C3、线圈L1为噪音滤波器件，其作用是滤除高频干扰信号，降低电源噪音。所述数模转换芯片的端口DA1~DA8为输出电压端口，其中DA1端口用于控制电压源模块，DA2端口用于控制所述E-load及电流采样模块。

一个优选方案是，所述电压源模块包括稳压芯片以及第一运算放大器，所述稳压芯片的输入端与外部的电源连接，所述第一运算放大器的输入脚与所述DAC模块连接，所述第一运算放大器的输出脚与所述稳压芯片的SET端口连接。

由上述方案可见，所述电压源模块是通过所述稳压芯片将电源电压转化为低噪音直流电压，输出电压的大小由所述DAC模块来控制，为待测电阻提供指定的电压。其中所述稳压芯片及外围电路是将6V输入电压转换为可控电压；所述第一运算放大器是双通道的低噪音、低失真的运算放大器，所述DAC模块的输出经过跟所述第一运算放大器后将电压给到所述稳压芯片的SET引脚，可以确保SET引脚的电压不会倒灌到所述DAC模块。所述DAC模块通过控制所述稳压芯片的SET引脚来使得所述稳压芯片输出0至5V的可控电压。

一个优选方案是，所述E-load及电流采样模块包括第二运算放大器、场效应管以及检测电阻，所述场效应管的栅极与所述第二运算放大器的输出端口连接，所述场效应管的源极与所述检测电阻连接，所述场效应管的漏极与待测电阻连接，所述ADC模块通过滤波模块与所述检测电阻连接并采集所述检测电阻的电压值。

由上述方案可见，所述E-load及电流采样模块是为待测电阻提供不同档位的且由所述DAC模块可控的电流，且该模块内含有电流采样功能，可用来检测电流回路的工作状态。

所述第二运算放大器是双通道的低噪音、低失真的运算放大器，所述DAC模块输出0~5V的电压经过电阻R8和R9分压后给到所述第二运算放大器，所述第二运算放大器输出的电压使得所述场效应管的栅极与源极导通，经过电阻反馈到所述第二运算放大器，使得所述检测电阻两端的电压保持不变，从而产生恒定的电流。所述场效应管的漏极连接待测电阻，当所述场效应管的栅极和源极导通后，产生的恒定电流就会加载到待测电阻上。

一个优选方案是，所述ADC模块包括模数转换芯片、时钟发生器以及无源晶振，所述无源晶振的两个端脚分别连接至所述时钟发生器的XA端口和XB端口，所述时钟发生器的CLK0端口与所述模数转换芯片的XTAL2/CLKIO端口连接。

由上述方案可见，所述模数转换芯片是低噪声、低宽带输入、多路复用的24位16通道的芯片，所述时钟发生器可配置的输出高达200MHz的时钟信号，为所述模数转换芯片提供15.36MHz的采样频率，所述无源晶振能够为所述时钟发生器提供25MHz的时钟输入。

附图说明

图1是所述电阻测量模组的连接框图图；

图2是所述DAC模块的电路原理图；

图3是所述电压源模块的电路原理图；

图4是所述E-load及电流采样模块的电路原理图；

图5是所述电压采样模块的电路原理图；

图6是所述ADC模块的电路原理图；

图7是所述测量方法的原理示意图。

具体实施方式

如图1至图6所示，在本实施例中，所述电阻测量模组包括DAC模块1、电压源模块2、E-load及电流采样模块3、电压采样模块4以及ADC模块5；

所述DAC模块1分别连接至所述电压源模块2和所述E-load及电流采样模块3，用于控制所述电压源模块2输出指定电压，以及输出指定电压至所述E-load及电流采样模块3中；

所述电压源模块2用于将输入的电源电压转化为低噪音直流电压，输出电压的大小由所述DAC模块1控制，为待测电阻提供指定的电压；

所述E-load及电流采样模块3用于为待测电阻提供不同档位的电流，以及进行电流采样；

所述电压采样模块4用于对待测电阻两端的电压进行采样，并将采样结果反馈至所述ADC模块5进行测量；

所述ADC模块5与所述电压采样电路以及所述E-load及电流采样模块3连接，并对采样结果进行测量。

如图2所示，在本实施例中，所述DAC模块1包括型号为DAC60508ZRTET的数模转换芯片U1以及若干噪音滤波器件，若干所述噪音滤波器件连接在所述数模转换芯片U1与供电电源之间，所述数模转换芯片U1的DA1端口与所述电压源模块2连接，所述数模转换芯片U1的DA2端口与所述E-load及电流采样模块3连接。若干所述噪音滤波器件包括电容C1-C3以及线圈L1，用于滤除高频干扰信号，降低电源噪音。

如图3所示，在本实施例中，所述电压源模块2包括型号为LT3045的稳压芯片U2以及型号为OPA1678IDR的第一运算放大器U3A，所述稳压芯片U2的输入端与外部的电源连接，所述第一运算放大器U3A的输入脚与所述DAC模块1连接，所述第一运算放大器U3A的输出脚与所述稳压芯片U2的SET端口连接。所述电压源模块中的电容C4-C9为噪音滤波电容，其作用是滤除高频干扰信号，降低电源噪音。

如图4所示，在本实施例中，所述E-load及电流采样模块3包括型号为OPA1678IDR的第二运算放大器U4A、型号为Si1422DH的场效应管Q1以及检测电阻R16，所述场效应管Q1的栅极与所述第二运算放大器U4A的输出端口连接，所述场效应管Q1的源极与所述检测电阻R16连接，所述场效应管Q1的漏极与待测电阻连接。所述DAC模块1输出0~5V的电压经过电阻R8和R9分压后给到所述第二运算放大器U4A，所述第二运算放大器U4A输出的电压使得所述场效应管Q1的栅极G与源极S导通，经过电阻R14反馈到所述第二运算放大器U4A，使得所述检测电阻R16两端的电压保持不变，从而产生恒定的电流，当场效应管Q1的栅极G与源极S导通后，产生的恒定电流就会加载到待测电阻上。所述ADC模块5通过滤波模块与所述检测电阻R16连接并采集所述检测电阻R16的电压值，所述滤波模块包括电阻R15和电容C14，所述滤波模块将所述检测电阻R16的电压传输给到所述ADC模块5，所述ADC模块5测量所述检测电阻R16的电压从而实现电流回路的状态检测。所述E-load及电流采样模块3中的电容C10~C13为噪音滤波和旁路电容，其作用是滤除高频干扰信号，降低噪音。

如图5所示，在本实施例中，所述电压采样模块4包括型号为INA821IDR的仪表放大器U5、上拉电阻R21以及下拉电阻R24，所述上拉电阻R21与所述仪表放大器U5的IN+脚连接，所述下拉电阻R24与所述仪表放大器U5的IN-脚连接，所述仪表放大器U5的IN+脚和IN-脚分别连接至待测电阻的两端，所述仪表放大器U5的IN+脚和IN-脚与待测电阻之间均设置有串联电阻R22/R23，所述仪表放大器U5的RG端口连接有增益电阻R27，所述仪表放大器U5的输出端与所述ADC模块5连接。电阻R19、R20、R25、R26为所述仪表放大器U5输入上/下拉提供分压电路，电容C15至C17是滤波电容，电源分压及滤波处理会降低电源噪音，从而降低噪音对电阻测试精度的影响。所述串联电阻R22、R23用于防止测试时电容C16有瞬间大电流产生，且可为所述仪表放大器U5的输入提供偏置电压。所述增益电阻R27用来设置所述仪表放大器U5的输出增益，电阻R28是所述仪表放大器U5输出端的限流电阻，电容C18、C19为滤波电容，其作用是滤除高频干扰信号，降低噪音。

如图6所示，在本实施例中，所述ADC模块5包括型号为AD7175-8的模数转换芯片U6、型号为Si5351A-B-GT的时钟发生器U7以及无源晶振X1，所述无源晶振X1的两个端脚分别连接至所述时钟发生器U7的XA端口和XB端口，所述时钟发生器U7的CLK0端口与所述模数转换芯片U6的XTAL2/CLKIO端口连接。电容C21至C53均是滤波电容。

如图7所示，所述电阻测量模组的测量方法：

将待测电阻连接至所述电压源模块2的输出端与所述E-load及电流采样模块3的端口之间，并将所述仪表放大器U5的IN+脚和IN-脚连接至所述待测电阻的两端；

对所述仪表放大器U5的输出电压进行比对，当输出电压并非所述仪表放大器U5的电源电压时则表示连接正常，当输出电压为所述仪表放大器U5的电源电压时则表示连接不良，根据连接判断方法获取不良的端口进行重新连接；

连接正常后进行不同电流大小的二次测试，测试时所述上拉电阻R21以及所述下拉电阻R24会在所述仪表放大器U5的输出端产生恒定的偏置电压V_off，偏置电压V_off满足

，其中Res为待测电阻阻值，r1、r2分别为两个所述串联电阻R22/R23的阻值，R1和R2分别为所述上拉电阻R21和所述下拉电阻R24的阻值，PosV和NegV分别为上拉电压源和下拉电压源，V_r1和V_r2分别为两个所述串联电阻R22/R23上的电压，由于r1=r2，R1=R2，r1<<R1,Res<<R1,故而偏置电压

为

；

首先进行第一次测试时负载电流设置为I_L1，此时所述仪表放大器U5的输入电压V_in1为

，其中V+为所述仪表放大器U5的正输入端电压，V-为负输入端的电压，V_R为待测电阻两端的电压；

然后进行第二次测试时负载电流设置为I_L2，此时所述仪表放大器U5的输入电压V_in2为

，再将两次的测量值求差可得

，进而可以得出待测电阻Res的实际阻值

。

在测试过程中因为上/下拉的原因，所述仪表放大器的输入端会产生恒定的偏置电压。从步骤S4中的输入电压Vin1公式可以看出，所述仪表放大器不仅将待测产品的电压VR进行采样，同时还将偏置电压Voff也进行采样，使得待测电阻的电压测量值比实际值偏大，从而产生测量误差。通过两次电阻测试，且两次测试时使用不同的电流档位，利用两次测试的差值计算电阻值，以求差来消除上/下拉电路带来的误差，从而达到提高电阻测量的精度的目的。

所述连接判断方法为：

所述仪表放大器U5的正电压源电压和负电压源电压分别为PS_Pos和PS_Neg，所述仪表放大器U5的增益为G，正常情况下所述仪表放大器U5的正输入端电压为V+，负输入端的电压为V-；当所述仪表放大器U5满足PosV*G>PS_Pos时输出电压V0为PS_Pos，当所述仪表放大器U5满足NegV*G<PS_Neg时输出电压为PS_Neg；

故而当待测电阻的正端出现接触不良时，V+的电压值为PosV，此时所述仪表放大器U5的输出电压V0为

；

若待测电阻的负端出现接触不良时，V-的电压值为Neg_V，此时仪表放大器U5的输出电压V0为

。

通过确认所述仪表放大器的输出电压是否为其电源电压PS_Pos/PS_Neg，就可判断待测电阻的接触导通是否存在不良，进而在避免误测的情况下还可以快速判断出待测电阻的哪一端信号出现不良。

Claims (5)

1.一种电阻测量模组，其特征在于：它包括DAC模块（1）、电压源模块（2）、E-load及电流采样模块（3）、电压采样模块（4）以及ADC模块（5）；

所述DAC模块（1）分别连接至所述电压源模块（2）和所述E-load及电流采样模块（3），用于控制所述电压源模块（2）输出指定电压，以及输出指定电压至所述E-load及电流采样模块（3）中；

所述电压源模块（2）用于将输入的电源电压转化为低噪音直流电压，输出电压的大小由所述DAC模块（1）控制，为待测电阻提供指定的电压；

所述E-load及电流采样模块（3）用于为待测电阻提供不同档位的恒定电流，以及进行电流采样；

所述电压采样模块（4）用于对待测电阻两端的电压进行采样，并将采样结果反馈至所述ADC模块（5）进行测量，所述电压采样模块（4）包括仪表放大器（U5）、上拉电阻（R21）以及下拉电阻（R24），所述上拉电阻（R21）与所述仪表放大器（U5）的IN+脚连接，所述下拉电阻（R24）与所述仪表放大器（U5）的IN-脚连接，所述仪表放大器（U5）的IN+脚和IN-脚分别连接至待测电阻的两端，所述仪表放大器（U5）的IN+脚和IN-脚与待测电阻之间均设置有串联电阻（R22/R23），所述仪表放大器（U5）的RG端口连接有增益电阻（R27），所述仪表放大器（U5）的输出端与所述ADC模块（5）连接；

所述ADC模块（5）与所述电压采样电路以及所述E-load及电流采样模块（3）连接，并对采样结果进行测量。

2.根据权利要求1所述的一种电阻测量模组，其特征在于：所述DAC模块（1）包括数模转换芯片（U1）以及若干噪音滤波器件，若干所述噪音滤波器件连接在所述数模转换芯片（U1）与供电电源之间，所述数模转换芯片（U1）的DA1端口与所述电压源模块（2）连接，所述数模转换芯片（U1）的DA2端口与所述E-load及电流采样模块（3）连接。

3.根据权利要求1所述的一种电阻测量模组，其特征在于：所述电压源模块（2）包括稳压芯片（U2）以及第一运算放大器（U3A），所述稳压芯片（U2）的输入端与外部的电源连接，所述第一运算放大器（U3A）的输入脚与所述DAC模块（1）连接，所述第一运算放大器（U3A）的输出脚与所述稳压芯片（U2）的SET端口连接。

4.根据权利要求1所述的一种电阻测量模组，其特征在于：所述E-load及电流采样模块（3）包括第二运算放大器（U4A）、场效应管（Q1）以及检测电阻（R16），所述场效应管（Q1）的栅极与所述第二运算放大器（U4A）的输出端口连接，所述场效应管（Q1）的源极与所述检测电阻（R16）连接，所述场效应管（Q1）的漏极与待测电阻连接，所述ADC模块（5）通过滤波模块与所述检测电阻（R16）连接并采集所述检测电阻（R16）的电压值。

5.根据权利要求1所述的一种电阻测量模组，其特征在于：所述ADC模块（5）包括模数转换芯片（U6）、时钟发生器（U7）以及无源晶振（X1），所述无源晶振（X1）的两个端脚分别连接至所述时钟发生器（U7）的XA端口和XB端口，所述时钟发生器（U7）的CLK0端口与所述模数转换芯片（U6）的XTAL2/CLKIO端口连接。

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