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毫歐姆級電阻測量電路設計

作者: 時(shí)間:2012-02-01 來(lái)源:網(wǎng)絡(luò ) 收藏
設計

飛機上,通常利用機體作為一根供電導線(xiàn)。為了保證飛機的正常供電,要求從機頭到機尾的機體必須小于0.005歐姆,即5,才不至于影響飛機的正常供電。

  以往對于特低值的測量通常采用比較的方法,即手動(dòng)調節電橋平衡,在精密電阻箱上得到讀數,此方法既慢又不準確。即使采用6位半的高精度數字表直接測量電阻,其電阻測量的分辨率也只能達到10。這說(shuō)明測量機體電阻是一個(gè)比較困難的超低阻值測量問(wèn)題。
2 系統設計與誤差分析
將測試線(xiàn)路及測試儀內部的線(xiàn)路電阻考慮在內時(shí),電阻值的測量范圍要達到100毫歐姆;為了準確測量出機體電阻,分辨率要達到0.1毫歐姆。

  從理論上說(shuō)采用24bit的A/D轉換器,若輸入量程為5V,則分辨率可達:
  LSB=5/(224-1)=0.29微伏
  即1mA電流流過(guò)1毫歐姆電阻產(chǎn)生的1微伏電壓降也能測量出來(lái)。但這省略了一個(gè)前提:被測量信號的信噪比必須非常高。如果線(xiàn)路的噪聲達到1mV,那么即使1A電流在1毫歐姆電阻上產(chǎn)生的1mV電壓信號也檢測不出來(lái)。

  根據需要測量的電阻值范圍和對被測量信號信噪比的要求,設計的系統原理結構如圖1所示。

圖1 測試系統原理圖
測試系統的誤差分為量化誤差Δd和模擬誤差Δm兩部分??杀硎緸椋?BR>  Δd=A/D轉換器的積分非線(xiàn)性誤差I(lǐng)NL+A/D轉換器的微分非線(xiàn)性誤差DNL+量化誤差LSB

  Δm=被測量的電阻*比例誤差系數+系統常數誤差十隨機誤差
  上式中決定比例誤差系數的主要因素是恒流源精度、各個(gè)環(huán)節的溫漂和增益誤差等。決定系統常數誤差的主要因素是系統內部線(xiàn)路、測試線(xiàn)路和各個(gè)環(huán)節的調零。決定隨機誤差的主要因素是隨機接觸電阻、系統噪聲和外部干擾。
3 關(guān)鍵電路選型
3.1 低漂移大電流精密恒流源電路

  理論和元器件數據資料表明,以齊納二極管為基準的精密電壓參考源的性能優(yōu)于以能帶為基準的恒流源,因此采用高性能的精密電壓參考源間接得到需要的精密相流源。電路如圖2所示。

圖2 高精密低溫漂恒流源電路
REF102是10V精密電壓參考源,精度為±0.0025V,溫漂為2.5ppm/℃max,可滿(mǎn)足本系統電阻測量的要求。OPA111精密運算放大器作為電壓跟隨器,使得REF102的GND端和放大器的同相端相等,即R*為高精度、低溫漂的精密電阻,則流過(guò)RL的電流為精密恒定電流。整個(gè)電路等效為恒流源電路。

  恒流源擴展電路如圖3所示,運算放大器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài),由于同相端和反相端的壓差幾乎為零,運算放大器的偏置電流可以忽略不計,因此恒流源電流在NR上的壓降與VMOS場(chǎng)效應管的源極電流在R上的壓降必定相等。當選擇

  I1=1mA,NR=999R時(shí)
  則Is=999*I1=999mA

  所以I0=I1+Is=1mA+999mA=1.000A
  選擇NR、R為高精度低溫漂電阻,OPA602為精密運算放大器,則擴展后輸出的電流是精密恒流源。
3.2 A/D轉換與單片機系統
  由于測試量程要達100毫歐、分辨率要小于0.1毫歐,所以A/D轉換器的二進(jìn)制編碼數至少要達到1000個(gè),相當于10位的A/D轉換器??紤]到噪聲的影響以及A/D轉換器的差分非線(xiàn)性DNL、積分非線(xiàn)性NL和量化誤差LSB,選擇16位的串行接口A(yíng)/D轉換器ADS7809。設定其輸入量程為10V,則分辨率為0.1525mV。當被測量的電阻最大值為100毫歐,恒流源電流為1A時(shí),被測電阻上的壓降為0.1V。為提高測試的精度,將此信號放大100倍達到10V,則理論上0.1毫歐的電阻可產(chǎn)生10mV的電壓降,A/D轉換后的讀數可達65LSB,可充分保證測量的精度。

圖3精密擴展恒流源電路
4 關(guān)鍵誤差的消除
4.1 硬件濾波電路
  由于機體是一個(gè)大的導體,其感應的干擾信號很強,機上設備工作時(shí)也會(huì )產(chǎn)生較大的干擾。而機體電阻是一個(gè)比較穩定的值,在恒流源的激勵下產(chǎn)生的電壓信號是比較穩定的信號,理論上近似如直流。因此在將測量信號加到A/D轉換器之前先經(jīng)過(guò)一個(gè)有源低通濾波器,設定較低的截止頻率可濾除一切交流干擾。
4.2 軟件濾波

  為進(jìn)一步提高系統抗干擾和噪聲的能力,保證測試的精度,對獲得的測量值進(jìn)行數字濾波處理,即進(jìn)行256次測量后取平均值。經(jīng)過(guò)軟、硬件濾波處理后的系統誤差僅僅±1LSB。
4.3 測試連接線(xiàn)及其與機上測試點(diǎn)隨機接觸電阻的消除

  恒流源電流流經(jīng)的系統內部線(xiàn)路電阻和連接飛機的測試導線(xiàn)的導線(xiàn)電阻可達三十幾毫歐,可作為系統常數誤差予以消除。
  難以消除的誤差是隨機誤差,來(lái)自于測試線(xiàn)路與機上連接點(diǎn)的隨機接觸電阻。每次測量時(shí),擰緊測試線(xiàn)的力度不同、接觸表面的清潔度不同,其接觸電阻完全是隨機的,變化范圍可達幾個(gè)毫歐。為此采用如圖4所示的測試連接電路予以消除。


圖4 消除隨機誤差的測試連接圖
測試原理是四線(xiàn)測試法。選擇L1~L4四根導線(xiàn)為相同導線(xiàn)電阻的鍍銀導線(xiàn)。M1、M2為機上測試連接點(diǎn)。在同一個(gè)測試點(diǎn)上擰緊兩根測試線(xiàn),L1和L2,L3和L4。導線(xiàn)的另一端接至測試接線(xiàn)盒的接觸電阻小于0.05毫歐的φ6鍍金接線(xiàn)柱。采用手動(dòng)連接活動(dòng)鍍金接線(xiàn)片的辦法,構成三種測試狀態(tài):R+接T1、R―接N1,測量出L1、L2及接觸點(diǎn)M1的接觸電阻;R+接N2、R―接T2,測量出L3、L4及接觸點(diǎn)M2的接觸電阻。將這兩個(gè)電阻值取平均值作為測試線(xiàn)路的系統誤差。最后測出R+接N2、R―接N1的電阻值,減去上述測得的測試線(xiàn)路系統誤差,即得到機體電阻值。
5 測試軟件流程圖
如圖5所示,單片機采用查詢(xún)方式響應測試鍵控。用4個(gè)鍵對應四個(gè)測試狀態(tài),且及時(shí)顯示測試結果以便于操作者判斷。程序判斷四個(gè)電阻測試完后,自

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