基于MSP430的微電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

張安莉， 謝 檬， 王 娟

(西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，陜西 西安 710018)

基于MSP430的微電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

張安莉， 謝 檬， 王 娟

(西安交通大學(xué) 城市學(xué)院，陜西 西安 710018)

傳統(tǒng)測(cè)量微電阻的方法操作繁瑣，且引線(xiàn)電阻和觸點(diǎn)電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果影響較大。本文設(shè)計(jì)的基于交流恒流源激勵(lì)的微電阻測(cè)試儀由交流激勵(lì)源、數(shù)字移相電路、信號(hào)調(diào)理電路以及A/D轉(zhuǎn)換與顯示電路等四部分組成。微電阻由交流激勵(lì)源注入交流信號(hào)后通過(guò)高阻低噪聲運(yùn)算放大器AD620提取響應(yīng)信號(hào)，再經(jīng)過(guò)鎖相放大電路測(cè)得其真實(shí)的響應(yīng)電壓，鎖定后的信號(hào)克服了內(nèi)部噪聲和外部電磁干擾的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微小電阻的準(zhǔn)確測(cè)量。通過(guò)對(duì)樣機(jī)的測(cè)試和比對(duì)標(biāo)稱(chēng)值，該測(cè)試儀工作穩(wěn)定，具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，方便攜帶和使用。

信號(hào)處理； 微電阻測(cè)量； AD630鎖相環(huán)； 低功耗

0 引 言

在工業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)研究中，經(jīng)常遇到微小電阻的測(cè)量問(wèn)題，也經(jīng)常把電阻率測(cè)量當(dāng)成一種對(duì)材料的結(jié)構(gòu)和物質(zhì)形態(tài)變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)的手段[1]。例如，在軍事、工業(yè)和民用中對(duì)蓄電池內(nèi)阻的測(cè)量。蓄電池的內(nèi)阻大小是反映它能否正常提供電流輸出的重要參數(shù)。由于蓄電池內(nèi)阻為mΩ級(jí)，一般的指針和數(shù)字萬(wàn)用表無(wú)法測(cè)出[2，3]。微電阻測(cè)量的傳統(tǒng)方法有電橋法和直接測(cè)量法[4]。電橋法測(cè)量較準(zhǔn)確，但這種測(cè)量方法操作繁瑣，不能在線(xiàn)測(cè)量且無(wú)法直接讀出被測(cè)電阻阻值。直接測(cè)量法簡(jiǎn)單快速，但它不能克服引線(xiàn)電阻和觸點(diǎn)電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，不宜于用在測(cè)量微小電阻的場(chǎng)合[5]。為了方便在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行快捷、準(zhǔn)確的測(cè)量，滿(mǎn)足工程實(shí)際應(yīng)用的需要，本文設(shè)計(jì)了一種基于交流恒流激勵(lì)的微電阻測(cè)試儀。通過(guò)將交流恒流激勵(lì)源經(jīng)探針與待測(cè)電阻串接，有效地克服了探針引線(xiàn)電阻和接觸電阻。選用AD620高阻低噪聲放大器，減小探針與被測(cè)電阻的引線(xiàn)長(zhǎng)度，以改善接觸電阻對(duì)輸出響應(yīng)電壓的影響，提高了測(cè)試準(zhǔn)確度。

1 微電阻測(cè)試儀的硬件結(jié)構(gòu)

1.1 測(cè)試儀結(jié)構(gòu)

微電阻測(cè)試儀測(cè)量的微電阻為mΩ級(jí)，采用常規(guī)的兩端子測(cè)量方法測(cè)量誤差較大，設(shè)計(jì)采用四端子測(cè)量方式。測(cè)量時(shí)兩端子施加頻率為1 kHz的恒定交流激勵(lì)電流信號(hào)，另兩個(gè)端子用于測(cè)量。測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，響應(yīng)信號(hào)是指蓄電池注入交流恒流源后，在其兩端測(cè)出的交流電壓信號(hào)，壓控恒流源的輸入信號(hào)為由D/A產(chǎn)生的正弦信號(hào)。

圖1 微電阻測(cè)試儀結(jié)構(gòu)框圖

1.2 供電電源的設(shè)計(jì)

測(cè)試儀的供電電路分別采用±5，±9,3.3 V供電?！? V電源主要為功率放大電路供電，其工作電流大，電源輸出功率穩(wěn)定，系統(tǒng)采用4個(gè)4 700 μF電容并聯(lián)充分濾波，以保證功放電路供電電源的純凈。3.3 V用于MSP430G2553單片機(jī)及DAC7811芯片供電，采用LM1117—3.3穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。

1.3 交流恒流源的設(shè)計(jì)

為了獲得足夠大的微電阻感應(yīng)電壓，一般對(duì)于容量為數(shù)百Ah的蓄電池，40 mV就可以滿(mǎn)足測(cè)試需求[6]。為了保證內(nèi)阻有較高的測(cè)量精度，要求電流源有足夠的穩(wěn)定度，并且波形失真度要小。交流恒流源采用TIP122和TIP127達(dá)林頓管組成互補(bǔ)推挽式OTL功率放大電路，采用電流負(fù)反饋法產(chǎn)生精確交流恒流源法，交流恒流源電路原理圖如圖2。

圖2 交流恒流源電路原理圖

1.4 AD620微弱信號(hào)放大電路

系統(tǒng)采用高阻差分AD620儀表放大器構(gòu)成微弱信號(hào)的前置放大電路，原理圖如圖3所示。由于前置放大器的高阻特性能夠克服測(cè)試系統(tǒng)引線(xiàn)電阻的影響，但其高阻特性也是將噪聲引入測(cè)量系統(tǒng)的主要方式。

圖3 前置放大電路原理圖

AD620儀表放大器由三個(gè)放大器共同組成，固定電阻為R，通過(guò)調(diào)整Rx來(lái)調(diào)整放大的增益值，其關(guān)系式如式(1)所示，使用時(shí)需注意避免每個(gè)放大器出現(xiàn)飽和現(xiàn)象

(1)

1.5 二階低通濾波器的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用OP07構(gòu)成的巴特沃斯二階低通濾波器。由一級(jí)RC濾波環(huán)節(jié)以及反相比例運(yùn)算電路組成，其中10μF電容接至輸出端，引入適量的負(fù)反饋，改善幅頻特性，220μF電解電容使AD630的脈動(dòng)直流信號(hào)更加平滑。低通濾波之后加了跟隨器，降低A/D的輸入電壓。

1.6 顯示電路的設(shè)計(jì)

顯示電路采用MSP430G2553單片機(jī)作為控制器，將調(diào)理電路輸出的信號(hào)送入單片機(jī)的I/O口進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，結(jié)果通過(guò)QC12864B液晶顯示器進(jìn)行顯示。

2 微電阻測(cè)試儀的軟件設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)字移相功能的程序設(shè)計(jì)

測(cè)試儀采用1kHz的交流電流作為注入電流，使用MSP430單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)頻率穩(wěn)定的1kHz正弦信號(hào)，并經(jīng)整形后實(shí)現(xiàn)0°～180°的掃描移相功能，作為鎖相放大電路的參考信號(hào)輸入。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)字移相程序流程圖

2.2 A/D轉(zhuǎn)換程序

A/D轉(zhuǎn)換程序在測(cè)量電池內(nèi)阻的過(guò)程中，系統(tǒng)工作在兩種狀態(tài)。當(dāng)ENA引腳為低電平時(shí)，系統(tǒng)處于測(cè)量狀態(tài)，MCU和外圍電路都處全速運(yùn)行狀態(tài)；當(dāng)ENA引腳為高電平時(shí)，MCU處于低功耗狀態(tài)和外圍電路供電關(guān)斷，并且全速狀態(tài)的時(shí)間相當(dāng)短，系統(tǒng)工作在突發(fā)狀態(tài)。

2.3 LCD12864顯示程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用QC12864B液晶模塊作為單片機(jī)人機(jī)對(duì)話(huà)中的顯示模塊，主要實(shí)現(xiàn)顯示A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果以及顯示操作提示的功能，是含有簡(jiǎn)體中文字庫(kù)的點(diǎn)陣圖形液晶顯示模塊。LCD顯示子函數(shù)流程圖如圖5所示，主要包括了LCD初始化程序,漢字顯示程序,ASCII碼顯示程序,混合式字符串顯示程序等。

圖5 LCD顯示子函數(shù)程序流程圖

3 系統(tǒng)的測(cè)試及結(jié)果分析

測(cè)試儀器：選擇精度達(dá)0.05 %的專(zhuān)用阻抗測(cè)試儀和本測(cè)試儀。

測(cè)量方法：采用比對(duì)測(cè)試，采用所設(shè)計(jì)的微電阻測(cè)試儀對(duì)購(gòu)買(mǎi)的標(biāo)準(zhǔn)電阻進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)多次測(cè)量取平均值的方法。將二者進(jìn)行比較，得到修正系數(shù)，并將修正系數(shù)記錄在MSP430的存儲(chǔ)器中，以便測(cè)試儀在測(cè)量過(guò)程中實(shí)時(shí)修正。

測(cè)試對(duì)象：分別選用新購(gòu)買(mǎi)的阻值范圍10～100 mΩ的電阻。

測(cè)試過(guò)程：將激勵(lì)源產(chǎn)生的1 kHz交流信號(hào)注入0.1 Ω電阻中，測(cè)試電阻兩端的交流信號(hào)，觀察被測(cè)電阻兩端的響應(yīng)信號(hào)。

測(cè)試結(jié)果：分別測(cè)得待測(cè)電阻的標(biāo)準(zhǔn)值和測(cè)量值，計(jì)算出絕對(duì)誤差和相對(duì)誤差，測(cè)試結(jié)果分析見(jiàn)表1。

表1 測(cè)試結(jié)果分析

測(cè)試結(jié)論：由表1中測(cè)試數(shù)據(jù)分析可知，測(cè)試系統(tǒng)基本能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)能夠?qū)?0 ～100 mΩ電阻進(jìn)行測(cè)量，測(cè)試性能穩(wěn)定。

誤差分析：測(cè)試系統(tǒng)的誤差，還可以采用一定的措施加以改進(jìn)，以減小系統(tǒng)的測(cè)量誤差，提高系統(tǒng)的測(cè)量準(zhǔn)確度。

1)對(duì)AD采樣算法進(jìn)行濾波處理以，剔除在采樣過(guò)程中產(chǎn)生的誤差數(shù)據(jù)。

2)采用標(biāo)準(zhǔn)微電阻測(cè)試儀器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，盡量多采集一些數(shù)據(jù)，取平均值作為標(biāo)定值，降低系統(tǒng)誤差。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文所設(shè)計(jì)的微電阻測(cè)試儀選用1 kHz交流激勵(lì)源，克服了交流注入法因50 Hz工頻信號(hào)對(duì)測(cè)試設(shè)備產(chǎn)生的干擾；響應(yīng)信號(hào)由高阻低噪聲前置放大器放大，調(diào)理電路采用集成鎖相放大技術(shù)，有效地抑制了噪聲和外界干擾。測(cè)試儀采用分檔位測(cè)試的方法，利用自動(dòng)移相代替手動(dòng)移相，使測(cè)試儀更智能化，同時(shí)降低測(cè)試系統(tǒng)的功耗，優(yōu)化系統(tǒng)性能，使測(cè)試系統(tǒng)能夠支持電池供電，便于操作和使用。通過(guò)對(duì)樣機(jī)的測(cè)試和比對(duì)標(biāo)稱(chēng)值，結(jié)果表明：該測(cè)試儀工作穩(wěn)定，具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度，方便攜帶和使用。

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申忠如，郭福田，丁 暉．現(xiàn)代測(cè)試技術(shù)與系統(tǒng)設(shè)計(jì)．西安：西安交通大學(xué)出版社，2006．

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Design of micro resistance testing instrument based on MSP430

ZHANG An-li, XIE Meng, WANG Juan

(Xi’an Jiaotong University City College,Xi’an 710018,China)

Operation of traditional methods of micro resistance measuring are complicated,and it has great influence on result of the micro resistance testing. The designed micro tester AC constant current source excitation based on the tester by AC excitation source,digital phase shifter circuit,signal conditioning circuit and A/D conversion and display circuit is composed of four parts. Micro resistance by AC excitation source into AC signal through high impedance low noise amplifier AD620 to extract the response signal,and then after AD630 phase-locked amplifier circuit which measured the true response voltage signal after locking to overcome the influence of noise and external electromagnetic interference in a large extent,can realize the accurate measurement of small resistance. Through the test and comparison of the prototype nominal value,results show that the instrument works stably,has high measuring accuracy,convenient to carry and use.

signal processing； micro resistance testing； AD630 PLL； low-power consumption

2016—07—15

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0112—02

TP 216

A

1000—9787(2017)06—0112—02

張安莉(1974-)，女，講師，從事電子技術(shù)及信號(hào)處理工作。

謝 檬(1982-)，女，通訊作者，副教授，從事測(cè)控技術(shù)與儀器及智能儀器的設(shè)計(jì)工作，Email：123428296@qq.com。