基于Tiva Cortex M4的儀用放大及恒流源組合方法電阻測量范圍探究

北京郵電大學(xué)　林泊安

基于Tiva Cortex M4的儀用放大及恒流源組合方法電阻測量范圍探究

北京郵電大學(xué)林泊安

由于恒流源法測電阻和INA333具有有別于傳統(tǒng)電阻測量方法的特點，儀用放大及恒流源組合方法測量電阻具有獨特優(yōu)勢。為探索該方法的應(yīng)用空間，對其可測電阻范圍進行探究并提出可能的改進方案。

儀用放大；恒流源；電阻測量；范圍

1　綜述

電阻測量是工程實踐中的常見環(huán)節(jié)。常見的電阻測量方法有伏安法、三表發(fā)、歐姆表法及電橋法等。而恒流源是模擬集成電路中廣泛使用的一種單元電路，在實際中也有著廣泛的應(yīng)用。應(yīng)用恒流源測電阻具有測量電路簡單、快速、準(zhǔn)確、便于集成等特點。

INA333 是微功耗零漂移軌到軌精密儀表放大器，具有高共模抑制比，小線性誤差，高輸入阻抗和低噪聲等優(yōu)點。因此通過儀用放大及恒流源組合方法測量電阻具有獨特優(yōu)勢。為了探索該方法的應(yīng)用空間，下面對其可測電阻范圍進行探究。

2　實驗原理及方法介紹

2.1實驗原理

2.1.1恒流源原理

如圖2-1所示，LM285-2-5為2.5V穩(wěn)壓管，故A點電位為5V-2.5V=2.5V。OPA330為運算放大器，依據(jù)“虛短虛斷”方法分析可知B點與A點電位相同，且對5V電源電壓均為V1=2.5V。三極管Q1和Q2構(gòu)成達靈頓結(jié)構(gòu)，滿足放大倍數(shù)，因而具有較大的放大倍數(shù)，故構(gòu)成恒流源。恒流值為，也即流經(jīng)待測電阻的電流值。

圖2-1　恒流源原理圖

2.1.2儀表放大器（INA333）原理

如圖2-2所示，儀表放大器（INA333）用來對待測電阻兩端的差分信號差分放大并轉(zhuǎn)換為單端信號輸入launchpad。跳線帽JP7可調(diào)節(jié)INA333的5管腳接地或加偏置電壓。3.3V電源及R19提供偏置電壓，可經(jīng)OPA330放大后輸入到該管腳。

圖2-2　儀用放大原理圖

如圖2-2所示，INA333 內(nèi)部由兩級放大的三個放大器及 RF 濾波電路組成。前面兩個輸入緩沖放大器作為第一級來提高放大器輸入阻抗，并在第一級的外部通過 RG 提供差分信號的增益（保持共模信號不 變），在第二級（即差動放大器）提供第二次差分信號的增益，并抑制共模信號。

圖2-3　INA333結(jié)構(gòu)框圖

2.2電阻測量范圍估算

2.2.1恒流源法對電阻范圍的限制

圖2-4　恒流源局部原理圖

如圖2-4所示，由2.1分析可知B點對5V電壓源電壓為2.5V，由三極管Q2飽和，Q1導(dǎo)通估算知：

故限制可測最大電阻約為1150Ω。

2.2.2INA333對電阻范圍的限制

如圖2-5所示，INA333的共模電壓與輸出電壓曲線限制其工作范圍為圖中三角形區(qū)域，共模電壓不恰當(dāng)時，器件將工作在飽和區(qū)，無法達到要求的放大倍數(shù)。故電阻值不應(yīng)過大。

函數(shù)圖像如圖2-5藍線所示，藍線及下方區(qū)域為可達到10倍放大的正常工作區(qū)域。

圖2-5　INA333共模電壓-輸出電壓曲線（Vs=5V）

由于以上分析均為估算，存在一定誤差，因此將在實驗中進行進一步探究。

2.3實驗方法介紹

將一1000Ω電位器作為待測電阻。先用萬用表歐姆檔測出其阻值作為真實值，再將電阻插到模塊JP4位置記錄其電壓。多次調(diào)節(jié)旋鈕改變電位器阻值，記錄多組數(shù)據(jù)。通過公式計算得到電阻的測量值。

3　實測結(jié)果分析

現(xiàn)給出實測結(jié)果。

表3-1　INA恒流源測電阻真實值、測量值及放大倍數(shù)一覽表

如表3-1所示，當(dāng)電阻值為45.27Ω時，放大倍數(shù)已經(jīng)出現(xiàn)較大誤差，即INA333進入飽和區(qū)不能正常工作。初步認(rèn)為該方法可測量電阻范圍為0-35Ω。下面進行進一步誤差分析。為消除表筆的接觸電阻等誤差，用一次函數(shù)對實測結(jié)果進行標(biāo)定。

標(biāo)定斜率及零點的確定公式如下：

測得標(biāo)定數(shù)據(jù)及算得標(biāo)定斜率及零點如表3-2所示。標(biāo)定后數(shù)據(jù)及誤差分析如表3-3所示。

表3-2　INA恒流源測電阻標(biāo)定值一覽表

表3-3　INA恒流源測電阻標(biāo)定及誤差分析表

由表3-3可驗證電阻阻值為45.27Ω時誤差過大，認(rèn)為已經(jīng)超過了該方法允許的測量范圍。舍去該點后繪圖，如圖3-1所示，對標(biāo)定值進行最小二乘法擬合（黃線所示），發(fā)現(xiàn)與真實值所繪直線（藍線所示）重合度較高。可以認(rèn)為在0-35Ω范圍內(nèi)，INA恒流源測電阻有較好的結(jié)果。

圖3-1　INA恒流源測電阻標(biāo)定值與真實值

4　實驗改進及總結(jié)

4.1測量范圍的改進探索

為使測量范圍擴大，嘗試通過為INA333提供參考電壓的方法提高其最大輸出電壓，從而提高大輸入電壓時的放大倍數(shù)以獲得更大的測量范圍。

如表4-1和表4-2所示，分別以190.40Ω和300.20Ω為標(biāo)準(zhǔn)，調(diào)整參考電壓，使INA333放大倍數(shù)約為10。但改變阻值后發(fā)現(xiàn)均滿足以下規(guī)律：當(dāng)電阻減小時放大倍數(shù)明顯增大，電阻增大時放大倍數(shù)明顯減小。因而需要不斷調(diào)整參考電壓才能進行正常的電阻測量。因而該改進方法并不實用。

表4-1　INA333放大倍數(shù)與電阻關(guān)系表（190.40Ω為標(biāo)準(zhǔn)）

表4-2　INA333放大倍數(shù)與電阻關(guān)系表（300.20Ω為標(biāo)準(zhǔn)）

4.2總結(jié)

基于Tiva Cortex M4電阻測量模塊的INA333及恒流源組合方法測量電阻的測量范圍同時受到INA333的共模電壓與輸出電壓關(guān)系和恒流源恒流條件的限制，最終可測量范圍為0-35Ω。且該模塊集成度高，改進空間較小，因而在較大電阻測量中無實用價值。但可以作為小電阻的一種測量方法得到應(yīng)用。

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［5］www.ti.com.cn/product/cn/INA333？keyMatch=INA333.