四線制阻值檢測電路實驗研究

薛昭洋，郭 鑫，陳 奎，王山虎，於二軍

(中航工業(yè)西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710065)

0 引言

在電子領(lǐng)域中，電阻元件是應用及其廣泛的電子元件，其測量方法也有許多。目前我們測試電阻的參數(shù)基本上都采用萬用表直接測試元件的兩端以測得元件參數(shù)；也可以使用電壓表和電流表通過應用歐姆定律來計算[1]。這些方法無法傳輸測量數(shù)據(jù)，只能通過手寫方法記錄或者手動導入計算機。本文設(shè)計了一種四線制阻值檢測硬件電路，實現(xiàn)阻值采集并通過實驗研究不同溫度環(huán)境下對阻值采集電路的影響。

1 總體設(shè)計思路

常見的電阻測量方法有伏安表法、三表法、歐姆表法和電橋法等。這些測量方法均需要考慮引線電阻及寄生電勢影響，對于四線制采集電阻使用單獨的電流源和感應電壓電路，可以減少測試電路阻抗對被測電阻值的影響。四線制阻值檢測系統(tǒng)的設(shè)計框圖如圖1所示。首先恒流源作為基準工作電流經(jīng)過待測電阻，由于電流值恒定，將待測電阻值轉(zhuǎn)換成對應電壓值測量；待測電阻兩端電壓為微電壓信號，需經(jīng)過放大調(diào)理電路放大電壓信號，然后使用16位A/D轉(zhuǎn)換芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換[2，3]，經(jīng)過16位數(shù)據(jù)線送給主控FPGA。

圖1 四線制阻值檢測系統(tǒng)設(shè)計圖

1.1 四線制阻值檢測原理

對于阻值檢測系統(tǒng)，采用恒流式[4]如圖2所示。

圖2 阻值檢測原理

對于恒流式阻值檢測主要采用將恒流源輸出0.5 mA作為激勵電流，通過A/D芯片讀取被測電阻電壓，再利用歐姆定律即可求得被測電阻值，如式(1)所示。

(1)

式中：U測為待測電阻對應的實際電壓值；K1為對應放大調(diào)理倍數(shù)。

1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路原理

A/D轉(zhuǎn)換電路是放大調(diào)理電路的下一級，用于將放大調(diào)理電路輸出的模擬信號轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，供FPGA讀取。選擇一種6通道16位逐次逼近型電容結(jié)構(gòu)的A/D轉(zhuǎn)換器。A/D轉(zhuǎn)換芯片的參考源可以選擇通過外部參考源輸入和使用內(nèi)部自身的參考源，A/D轉(zhuǎn)換芯片典型接線如圖3所示。

圖3 A/D轉(zhuǎn)換原理圖

A/D轉(zhuǎn)換芯片的VIN端口最大可以承受±15 V的電壓，為保證A/D轉(zhuǎn)換芯片的安全運行將輸入電壓范圍限制在(0～±10) V，線性誤差典型值為±3 LSB，最大值為±5 LSB，參考電壓為2.50 VDC，轉(zhuǎn)換時間最大3.1 us。

A/D轉(zhuǎn)換芯片的誤差由正滿量程誤差、負滿量程誤差、積分非線性誤差引起。

2 測試過程與結(jié)果

2.1 測試過程

為了進一步驗證所設(shè)計的阻值檢測系統(tǒng)在實際工作環(huán)境中能否有效完成對電阻的采集，將其硬件實現(xiàn)在測試模塊中，并利用溫箱設(shè)置不同的溫度，-50 ℃、25 ℃和70 ℃，并分別給定不同的阻值進行測試。然后使用自己設(shè)計的四線制阻值檢測硬件電路，計算出待測阻值，最后對設(shè)置的阻值與實測阻值進行結(jié)果分析。測試過程流程圖如圖4所示。

圖4 測試過程流程圖

2.2 測試結(jié)果

采用恒流式和高精度恒流式阻值檢測系統(tǒng)，結(jié)果如表1所示。

表1 阻值檢測系統(tǒng)實際測試數(shù)據(jù)

圖5 三種溫度下阻值實測圖圖6 三種溫度下阻值實測偏差圖

將設(shè)定阻值與阻值采集結(jié)果繪制如圖5所示，阻值采集結(jié)果與設(shè)定阻值的偏差如圖6所示。在設(shè)定阻值小于1600 Ω時，阻值采集結(jié)果大于設(shè)定阻值；在設(shè)定阻值大于1600 Ω時，阻值采集結(jié)果小于設(shè)定阻值。在25 ℃和70 ℃下，阻值采集偏差范圍為-4 Ω～4 Ω；在-55 ℃下，阻值采集偏差較大，范圍為-6 Ω～4 Ω。

3 結(jié)語

本文立足于硬件電路設(shè)計，對四線制阻值檢測系統(tǒng)進行實現(xiàn)，并通過改變環(huán)境溫度來探究對硬件電路的影響。經(jīng)試驗驗證：該阻值檢測系統(tǒng)不受溫度影響，均能達到電阻采集精度要求。實際測試結(jié)果表明，在不同溫度環(huán)境下，阻值采集偏差范圍為-6 Ω～4 Ω。如此可見，四線制阻值檢測系統(tǒng)具備推廣實踐應用的重要意義。恒流源的電流受到待測電阻R變化而產(chǎn)生偏差，在接下來的研究中，需要進一步提高阻值采集精度。