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智能式精密数字电阻仪 |
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| 智能式精密数字电阻仪 |
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作者：佚名 文章来源：不详 点击数： 更新时间：2008-9-24 9:28:11  |
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刘朝山 王国华 刘延飞 何俊发
第二炮兵工程学院，西安710025
1 引言
精密数字电阻标准具有较高的准确度、良好的稳定性。由于采用了单片机控制，取消了所有人工开关装置，使用和校准都极其方便，广泛用于数字表电阻档线性检定。适用于普通电阻箱应用的所有场所，可取代普通电阻箱。
2 工作原理
数字电阻标准的理论依据是欧姆定律R＝V／I。在图2—1的一端口网络ab中，当流过ab两端的电流为Ii，而ab两端的电压为Vab时，则一端口网络ab对外显现的等效电阻Rab＝Vab／Ii。要产生稳定的电阻Rab，关键是要控制ab两端电压Vab与流过的电流Ii为线性关系。图2—2给出了精密数字电阻标准的简化电路图，U1是主放大器；U4是乘法MDAC；U5缓冲放大。当欧姆电流源的电流Ii流过基准电阻Rref时，产生压降IiRref，经U1放大器放大K倍，输出电压KIiRref时，该电压又作为乘法MDAC的参考电压，与D0…Dn相乘后，再经U5、U6，输出端b的电压为：
Vb＝（D020＋…＋Dn2－n）·KIiRref（2—1）
其中D0…Dn是MDAC的输入数码，由微处理器产生。
我们可以认为：Ii从输入端a流到输出端b，在ab两端产生的压降
Vab＝Va－Vb＝IiRref－Vb＝IiRref［1－K（D020＋
…＋Dn2－n］（2—2）
显然在ab两端呈现的电阻：
Vab＝Vab/Ii＝Rref［1－K（D020＋
…＋Dn2－n］（2—3）
由上式可以看到：在ab两端的电阻Rab与流过ab端的电流Ii无关，与基准电阻Rref、MDAC输入数码D0…Dn和主放大器放大倍数K有关。通过改变这3个参数值，在ab两端就可得到不同阻值的电阻Rab。实际上，主放大器放大倍数固定（K≈2．45），为了产生某一电阻值Rab，微处理器根据Rab控制电子开关S1（见图2—2），选择相应的基准电阻Rref，并计算MDAC的输入：
(2—4)
基准电阻Rref采用温度系数25PPM的线绕电阻，共有13个，100Ω、330Ω、1k、10k、33k、100k、330k、1M、3．3M、10M、33M。当100≤Rab＜330时，基准电阻Rref选用100Ω，其余基准电阻Rref选择依此类推。例如产生Rab＝150Ω，微处理器根据Rab控制电子开关S1选择Rref＝100Ω，并计算出D0…Dn，加在MDAC输入端，经U5、U6在ab端呈现的电阻即为Rab。
3 提高精度及自动校准技术
从图2—2我们看到，基准电阻Rref上的压降经U1放大后又作为MDAC的基准电压，它的精度直接决定系统的精度和性能。为此，采用“浮地”技术，将整个放大器、MDAC电路浮在由U3产生“虚地”上，当电源波动或有别的干扰时，这部分测量电路的
基准都作同向变化，保证测量精度，其原理如下：
于是表达式（2—4）应改为：
(3—4）
若考虑放大器的漂移VOS，必将有Rab′＝Rab＋Vos／Ii破坏了端电阻与Ii无关的特性，因此在设计误差模型时，应充分考虑消除VOS的影响，在电路中加入自动校准系统。校准的电路框图如图3—1。在电路工作中，每3分钟由微处理器对电路进行一次校准，消除电路中放大器的漂移及放大倍数K的误差。工作过程如下：
（1）校准主放大器的漂移。a端接地，A／D转换器采集主放大器输出电压V1，传送到微处理器，处
理结果经D／A加在a端上，使V1＝0。
（2）校准乘法器和缓冲放大器的漂移。在a端接地时，A／D转换器采集b端电压Vb，传送到微处理器，处理结果经D／A加在乘法器输出S3端上，使Vb为0。
（3）满度电压校准。分别在a端接±3．3V，A／D转换器采集主放大器输出电压V1，传送到微处理器，计算K＝V1／3．3，修正K值，用于计算MDAC输入数码D0…Dn。
4 技术方案
数字电阻标准主要由AT89C51单片机、数字电阻模拟电路、A／D、D／A自校准电路、基准电阻组和电子开关组以及LCD显示电路和键盘输入电路组成。仪器框图如下。
根据精度要求，乘法MDAC输入数据取N＝20，即输入D0…D20。MDAC采用一个14位DACAD7534JN和一个8位DAC AD7524构成21位DAC；校准电路中A／D由MAX135完成。单片机89C51接受从键盘输入的待产生电阻阻值Rab，计算出D0…D20，使ab端产生Rab。
5 结论
我们设计的精密数字电阻标准输出电阻范围为100～330M，精度为10－5，完全可以用来校正四又二分之一表的电阻档，良好的界面，易于操作、易于检定，使用十分方便。
［参考文献］
［1］ 冯占冷．数字电压表的检定测试技术．
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