CN216792298U

CN216792298U - 一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的adc前置电路

Info

Publication number: CN216792298U
Application number: CN202123138962.8U
Authority: CN
Inventors: 廖无限; 彭思程; 李哲; 罗超逵; 邓江伟; 黄勃; 宁佐权; 谌安平; 唐忠健; 张旭; 谢豪
Original assignee: Hunan University of Technology
Current assignee: Hunan University of Technology
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-06-21
Anticipated expiration: 2031-12-15

Abstract

本发明公开了一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路，包括交直流恒流源、假负载、缓冲器、参考信号输入端Vref、信号输出端V_ADC和待测电阻Rx；参考信号输入端Vref用于匹配直流或交流参考信号，缓冲器用于阻抗变换，交直流恒流源用于产生相应的直流或交流恒流源。本发明提供的一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路，在保证精度和效率的前提下，它可以替代传统四线法，不但具有开路保护功能，而且可以检测直流电阻或检测交流阻抗，还具有电路结构较简单，硬件成本较低的突出优势。

Description

一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路

技术领域

本发明涉及电气检测领域，特别是涉及一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路。

背景技术

在电气检测领域，常用伏安法检测交流阻抗或直流电阻的大小，随着数字电路的发展，在电气检测领域运用ADC（Analog-to-digital converter，模拟数字转换器）技术来对电阻值或阻抗值进行数字测量日渐普遍，相对于传统的指针式的伏安测量法，数字测量的精度和效率都有很大的提高；当前，在数字测量中，提高测量精度和效率的关键之一在于改进ADC前置电路；另外，四线法电路也是电阻和阻抗检测中较常运用的ADC前置电路之一。

发明人在实现本发明实施例过程中发现：

（1）在传统的四线法电路中，电流测量回路与电压测量回路相互独立，电路结构相对复杂，其成本相对较高；

（2）在传统的四线法电路中，因为在电流测量回路中采用了恒流源，所以被测直流电阻或交流阻抗的ADC前置电路必须要考虑不能开路的问题，否则会危及其后端连接的信号调理电路或处理器的安全，造成不可逆的损坏；

（3）当前检测直流电阻和交流阻抗大多分别采用不同的ADC前置电路，其测量效率难以提高，测量成本难以降低。

总之，在当前电气检测领域，缺乏一种用以替代传统四线法的ADC前置电路，在保证精度和效率的前提下，将电流测量回路和电压测量回路合二为一，它不但具有开路保护功能，而且可以检测直流电阻或检测交流阻抗。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路，具体技术方案是：

一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路，包括交直流恒流源、假负载、缓冲器、参考信号输入端Vref、信号输出端V_ADC和待测电阻Rx；所述假负载的阻抗远大于待测电阻Rx的阻抗；

所述参考信号输入端Vref用于匹配直流电压或交流电压参考信号，需要检测直流电阻值时，则匹配直流电压参考信号；需要检测交流阻抗值时，则匹配交流电压参考信号；

所述缓冲器用于阻抗变换，通过增大输入电阻或阻抗、降低输出电阻或阻抗的方式来降低测量误差；交直流恒流源接收所述参考信号输入端Vref的信号，经过电路转换后，产生相应的直流或交流恒流源，其输出端与所述缓冲器的一端和假负载的一端相连，其相连的接点设置为端口Ux，假负载的另一端与所述待测电阻Rx的一端和电源地相连，待测电阻Rx的另一端与端口Ux相连，缓冲器的另一端与信号输出端V_ADC相连。

进一步地，所述假负载为等效的固定电阻、等效可调的电阻或电子负载。

进一步地，所述缓冲器包括运算放大器U4；运算放大器U4的同相输入端U4a与所述端口Ux相连，运算放大器U4的反相输入端U4b与运算放大器U4的输出端和信号输出端V_ADC相连。

进一步地，所述交直流恒流源包括运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和恒流预置电阻Rs；电阻R5为所述假负载；其中，运算放大器U1的同相输入端U1a与所述参考信号输入端Vref相连，运算放大器U1的反相输入端U1b与运算放大器U1的输出端和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与电阻R4的一端和运算放大器U2的同相输入端U2a相连；运算放大器U2的反相输入端U2b与电阻R1的一端和电阻R2的一端相连，电阻R1的另一端与电源地相连；电阻R2的另一端与运算放大器U2的输出端和恒流预置电阻Rs的一端相连；恒流预置电阻Rs的另一端与运算放大器U3的同相输入端U3a、电阻R5的一端和端口Ux相连，运算放大器U3的反相输入端U3b与运算放大器U3的输出端和电阻R4的另一端相连。

本发明的有益效果是，本发明提供的一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路，在保证精度和效率的前提下，它可以替代传统四线法，不但具有开路保护功能，而且可以检测直流电阻或检测交流阻抗，还具有电路结构较简单，硬件成本较低的突出优势。

附图说明

图1为传统四线法测直流电阻或交流阻抗的典型示意图。

图2为本发明一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路典型示意图。

图3为本发明所述假负载的等效示意图。

图4为本发明所述缓冲器的等效示意图。

图5为本发明所述交直流恒流源等效示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面对本发明的具体实施方式做详细说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

附图1所示，为传统四线法测直流电阻或交流阻抗的典型示意图，电阻Rx为待测电阻，电阻R1和电阻R4为电流检测回路的检测线等效阻抗，电阻R2和电阻R3为电压检测回路的检测线等效阻抗；其中，被测电阻Rx，电阻R1、电阻R4与等效的电流测量装置A构成了电流检测回路，另外被测电阻Rx，电阻R2、电阻R3与等效的电压检测装置V构成了电压检测回路；可以看出，四线法电路虽然因为精度较高被普遍应用，但是其电流测量回路与电压测量回路相互独立，成本相对较高；另外，其等效的电流测量装置A大多由恒流源构成，必须在实际运用当中要解决待测电阻Rx不能够开路的问题，故四线法电路还存在改进空间。

附图2所示，为本发明一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路典型示意图，包括交直流恒流源、假负载、缓冲器、参考信号输入端Vref、信号输出端V_ADC和待测电阻Rx；所述假负载的阻抗远大于待测电阻Rx的阻抗；

所述缓冲器用于阻抗变换，通过增大输入电阻或阻抗、降低输出电阻或阻抗的方式来降低测量误差；

交直流恒流源接收所述参考信号输入端Vref的信号，经过电路转换后，产生相应的直流或交流恒流源，其输出端与所述缓冲器的一端和假负载的一端相连，其相连的接点设置为端口Ux，假负载的另一端与所述待测电阻Rx的一端和电源地相连，待测电阻Rx的另一端与端口Ux相连，缓冲器的另一端与信号输出端V_ADC相连。

假如，交直流恒流源的输出电流为Is，流经假负载的电流为I1，流经端口Ux的电流为Is1，由于缓冲器的输入阻抗趋近于无穷大，所以流经待测电阻Rx的电流也可以近似地认为是Is1；

本电路的工作过程是，

（1）当没有接入待测电阻Rx时，即此时的待测电阻Rx为无穷大，因为假负载的阻抗远小于缓冲器的输入阻抗，所以Is1近似为0，即Is≈I1，而端口Ux的电压与假负载上的电压会相等，不会被升至过高的电压，经缓冲器输送至信号输出端V_ADC，再由后端的信号调理电路处理后送至处理器，或直接输送至处理器，经由处理器处理运算后，可定义此电压为待测电阻Rx开路的电压，即待测阻抗表征为无穷大，同时还实现了交直流恒流源的开路保护；

（2）当接入待测电阻Rx时，因为待测电阻Rx的阻抗远小于假负载的阻抗，而且待测电阻Rx与假负载并联，所以I1近似为0，即Is1≈Is，此时Ux≈Is×Rx，经缓冲器输送至信号输出端V_ADC，经后端的信号调理电路处理后送至处理器，或直接输送至处理器，在处理器内依据Rx=Ux/Is运算后，可得出待测电阻Rx的阻抗值。

附图3所示，为本发明所述假负载的等效示意图，所述假负载为等效的固定电阻、等效可调的电阻或电子负载。

附图4所示，为本发明所述缓冲器的等效示意图，所述缓冲器包括运算放大器U4；运算放大器U4的同相输入端U4a与所述端口Ux相连，运算放大器U4的反相输入端U4b与运算放大器U4的输出端和信号输出端V_ADC相连。

附图5所示，为本发明所述交直流恒流源等效示意图，所述交直流恒流源包括运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和恒流预置电阻Rs；电阻R5为所述假负载；其中，运算放大器U1的同相输入端U1a与所述参考信号输入端Vref相连，运算放大器U1的反相输入端U1b与运算放大器U1的输出端和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与电阻R4的一端和运算放大器U2的同相输入端U2a相连；运算放大器U2的反相输入端U2b与电阻R1的一端和电阻R2的一端相连，电阻R1的另一端与电源地相连；电阻R2的另一端与运算放大器U2的输出端和恒流预置电阻Rs的一端相连；恒流预置电阻Rs的另一端与运算放大器U3的同相输入端U3a、电阻R5的一端和端口Ux相连，运算放大器U3的反相输入端U3b与运算放大器U3的输出端和电阻R4的另一端相连。

运算放大器U1为电压跟随器电路，用以提高输入阻抗，降低输出阻抗，减少信号的失真；运算放大器U3也为电压跟随器电路，保证运算放大器U2输出电流Is几乎全流入到端口Ux或电阻R5，使其恒流的效果更好，并且能够降低测量误差；电路中的输出电流Is与输入电压Ui的关系推导如下：

设置电阻

(1)

因为运算放大器U3为电压跟随器接法，则有

(2)

根据叠加原理，则

(3)

运算放大器U2为同相比例放大器，则

(4)

代入公式（3）可得

(5)

根据虚断原理，则有

(6)

根据上式可知，当恒流预置电阻RS一定时，输出电流与输入信号具有一定线性关系，与其它负载阻抗值无关；若输入信号Ui一定时，则输出电流Is恒定；

另外，因为运算放大器U3为电压跟随器接法，则有

(7)

代入公式(6)，则有

(8)

即参考信号输入端Vref和恒流预置电阻RS一定时，则输出电流Is恒定。

因此，通过预置好本实施例的直流恒流源输出电流Is，在接入待测电阻Rx的前提下，结合附图1，因为待测电阻Rx的阻抗远小于电阻R5的阻抗，而且待测电阻Rx与电阻R5并联，所以I1近似为0，即Is1≈Is，此时Ux≈Is×Rx，经后端的信号调理电路处理后送至处理器，或直接输送至处理器，在处理器内依据Rx=Ux/Is运算后，可得出待测电阻Rx的电阻值或阻抗值。

Claims

1.一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路，其特征在于，包括交直流恒流源、假负载、缓冲器、参考信号输入端Vref、信号端V_ADC和待测电阻Rx；所述假负载的阻抗远大于待测电阻Rx的阻抗；

所述参考信号输入端Vref用于匹配直流电压或交流电压参考信号，需要检测直流电阻阻值时，则匹配直流电压参考信号；需要检测交流电阻阻值时，则匹配交流电压参考信号；

所述缓冲器用于阻抗变换，通过增大输入阻抗和降低输出阻抗的方式来降低测量误差；

交直流恒流源接收所述参考信号输入端Vref的信号，经过电路转换后，产生相应的直流或交流恒流源，其输出端与所述缓冲器的一端和假负载的一端相连，其相连的接点设置为端口Ux，假负载的另一端与所述待测电阻Rx的一端和电源地相连，待测电阻Rx的另一端与端口Ux相连，缓冲器的另一端与信号端V_ADC相连。

2.根据权利要求1所述的一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路，其特征在于，所述假负载为等效的固定电阻、等效可调的电阻或电子负载。

3.根据权利要求1所述的一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路，其特征在于，所述缓冲器包括运算放大器U4；运算放大器U4的同相输入端U4a与所述端口Ux相连，运算放大器U4的反相输入端U4b与运算放大器U4的输出端和信号端V_ADC相连。

4.根据权利要求1所述的一种交直流恒流型用于电阻和阻抗检测的ADC前置电路，其特征在于，所述交直流恒流源包括运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3、电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4和恒流预置电阻Rs；电阻R5为所述假负载；其中，运算放大器U1的同相输入端U1a与所述参考信号输入端Vref相连，运算放大器U1的反相输入端U1b与运算放大器U1的输出端和电阻R3的一端相连，电阻R3的另一端与电阻R4的一端和运算放大器U2的同相输入端U2a相连；运算放大器U2的反相输入端U2b与电阻R1的一端和电阻R2的一端相连，电阻R1的另一端与电源地相连；电阻R2的另一端与运算放大器U2的输出端和恒流预置电阻Rs的一端相连；恒流预置电阻Rs的另一端与运算放大器U3的同相输入端U3a、电阻R5的一端和端口Ux相连，运算放大器U3的反相输入端U3b与运算放大器U3的输出端和电阻R4的另一端相连。