高精度直流微電阻測試儀的研究與開(kāi)發(fā)-----硬件系統設計（一）

高精度直流微電阻測試儀的硬件系統設計

本章主要對高精度微電阻直流測試儀的硬件系統進(jìn)行設計。下面著(zhù)重從本硬件系統的創(chuàng )新點(diǎn)、整體設計思路、誤差分析及圍繞各個(gè)環(huán)節的誤差源解決方案來(lái)展開(kāi)。

本文中的高精度微電阻測試儀，以單片機89E58芯片為核心，82C55及8155作為并行口擴展芯片，采用了恒電流電源技術(shù)和四端子接線(xiàn)方式，利用高精度、低噪聲的OP177芯片作為運算放大器，及ADS78O5作為A/D轉換芯片，能夠有效地減小了測量誤差，提高了測量精度。

本硬件系統有兩個(gè)創(chuàng )新點(diǎn)：

1.高性?xún)r(jià)比處理。本微電阻測試儀在方案討論初期就定下個(gè)重要的目標就是要設計制作成為低成本、高精度、便以產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的測試儀，微電阻測試儀的用途廣泛，其運行環(huán)境差異很大導致這種儀器的損壞、長(cháng)時(shí)間運行后的高精度保證率下降，則需進(jìn)行更換。為了用戶(hù)降低成本，首先得使生產(chǎn)廠(chǎng)家降低生產(chǎn)成本，在設計中大量的選用了低成本、穩定性高、通用型的芯片，如89E58單片機、ADS7805型A/D轉換器、szess及5155并口、OP177運放等，而不是選用集成度高、穩定性低的其他芯片。

2.接地部分處理。傳統的測試儀的只是把模擬地和數字地分開(kāi)來(lái)接地，兩者之間未接電阻，這樣會(huì )導致抗干擾能力差一些，對測試儀的精度也會(huì )有所影響。

而本測試儀把模擬地和數字地用Zko的電阻連接起來(lái)再接地，經(jīng)實(shí)際調試運行情況來(lái)看，抗干擾能力有所增強，從而提高了測量的精度，這是本微電阻測試儀的一個(gè)亮點(diǎn)。

高精度微電阻測試儀的整體設計

硬件組成結構

系統主要分為數字電路模塊、模擬電路模塊和電源模塊。其中數字電路模塊主要實(shí)現系統控制、模擬信號A/D轉換、數碼顯示和與PC機通信功能。模擬電路模塊主要實(shí)現恒流源、信號放大及濾波功能。電源模塊為數字電路和模擬電路提供電源。如圖3.1所示：

硬件系統誤差分析

硬件部分的系統誤差主要由量化誤差與模擬誤差組成，即由A/D轉換的量化誤差、放大器等的線(xiàn)性誤差組成的量化誤差及由恒流源誤差、溫漂及增益誤差組成的模擬誤差構成。

數據采集系統中的元器件很多，從數據采集、信號調理、模/數轉換、直至信號輸出，要經(jīng)過(guò)很多環(huán)節，其中既有模擬電路，又有數字電路，各種誤差源很復雜，總體來(lái)說(shuō)數據采集系統的誤差主要包括模擬電路誤差、采樣誤差和轉換誤差等。

模擬電路的誤差主要來(lái)自放大器的誤差，其非線(xiàn)性誤差、增益誤差、零電位誤差都應該在計算系統誤差時(shí)被考慮進(jìn)去。模擬線(xiàn)性光藕元件有一定的非線(xiàn)性誤差，在考慮系統誤差時(shí)也是要進(jìn)行考慮的。

A/D轉換器是數據采集系統中的重要部件，它的性能對整個(gè)系統起著(zhù)至關(guān)重要的作用，因此它是系統中的重要誤差來(lái)源。A/D轉換器的誤差可以分為兩部分。

一是A/D轉換器的靜態(tài)誤差，它包括量化誤差、失調誤差和非線(xiàn)性誤差。

A/D轉換器的靜態(tài)誤差為上述各主要誤差的組合，根據不同的器件及不同的使用環(huán)境其數值是不一樣的。二是A/D轉換器的速度對誤差的影響。在數據采集系統的通過(guò)速率中，A/D轉換器的轉換時(shí)間占有相當大的比重。選擇A/D轉換器時(shí)，

必須考慮到轉換時(shí)間滿(mǎn)足系統通過(guò)率的要求，否則會(huì )產(chǎn)生較大的采樣誤差。

另外由于要采集的電信號非常小，所以外界環(huán)境產(chǎn)生的干擾信號所產(chǎn)生的誤差也是要加以考慮的。

根據分析，綜合誤差?？捎霉奖磉_為：

綜上所述，系統硬件部分的誤差主要包括以下5個(gè)誤差源：恒流源、放大電路、A/D轉換器、光耦隔離和外界環(huán)境等。因此，需要在設計硬件系統時(shí)特別注意消除上述的幾個(gè)重要誤差源，在下文中將重點(diǎn)解決這些硬件系統電路所存在的誤差源。

恒流源、數據采集放大部分設計

恒流源電路由脈寬調制開(kāi)關(guān)穩壓控制電路和功放電路組成 。

由精密基準電壓源和高性能運放組成，向被測電阻提供精確的測試電流 。

采用以運放和復合放大系統為核心技術(shù)的恒流源設計，恒流源主要由采樣電路、控制電路、比較電路和放大電路四部分組成。

電阻測量分為五個(gè)測試檔：

因為A/D轉換器的飽和電壓為5v，其有效電壓的范圍為。一5v，首先我們定每個(gè)量程的最大測量電阻的放大倍數為100倍，則其輸入電壓為5v/100=0.05v，當我們調至量程1時(shí)，其最大測量電阻為l99.99m歐.，則其測量電流為0.O5V/199.99m歐=250.0125mA；當我們調至量程2時(shí)，其最大測量電阻為1.9999.，則其測量電流為0.05v/1.99“。=25.oo125mA.其他的各量程的測試電流依上述的公式來(lái)確定分別為：量程3：2.500z25oA，量程4：0.2500125mA，量程5：0.02500125mA.