毫歐姆級電阻測量電路設計

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電阻必須小于0.005歐姆，即5毫歐姆，才不至于影響飛機的正常供電。

　　以往對于特低電阻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毫歐姆。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