一种微小电阻测试系统的设计_段雯.pdf

收稿日期：第一作者：段雯（），女，陕西周至人，硕士，工程师，从事电子技术和仪器仪表与自动化检测技术的实验教学及科研工作。：一种微小电阻测试系统的设计段 雯（西安交通大学城市学院 电气与信息工程系，陕西 西安）摘要：为了精确测试微小电阻，基于开尔文四线检测法，设计了一种精度较高的微小电阻测试系统。设计方案为：微小电阻施加稳定恒流源信号后，通过采用 为核心的一级放大电路、巴特沃斯二阶有源低通滤波和二级放大电路，获取放大、去噪、平稳的电压信号，经由 采集转换后显示被测电阻的阻值。采用最小二乘法拟合曲线对系统测试数据进行误差分析，显示误差小于 ，表明该系统测量精度高，可用于精准测量微小电阻以及微弱信号调理放大的场合。关键词：微小电阻测试；开尔文四线检测法；微弱信号；最小二乘法中图分类号：文章编号：（）文献标识码：（，）：，：，：；引言在科学研究和现场测试中，通过测量超导材料、继电器开关、精密仪器、甚至大功率发射机的微小电阻，来表征材料的性能优劣、判断设备的运行情况。由于微小电阻多为 级甚至是 级，导致常规电阻测量仪表无法精准测量。此外，较长的测试时间、较大的通电电流，使得被测电阻温度上升，引起被测电阻阻值偏高，这些现象都给测试带来误差。同时，微弱信号检测过程中，出现的容易失真、易受噪声信号影响、不利于有用信号提取的情况，也存在于微小电阻测量过程中。为了解决这些问题，设计出一款稳定度和精确度都满足科学研究和现场测试要求的微小电阻测试系统。该微小电阻测试系统基于开尔文四线检测法，将施加恒流源信号的微小电阻转换为微弱电压信号，经由调理电路进行放大和滤波，滤波的目的是去除有用信号中夹杂的噪声干扰，提高系统放大的精确度。因此该设计也适用于微弱信号调理放大的电路中。工业仪表与自动化装置 年第 期 系统整体设计为了满足系统测试微小电阻的需求，根据欧姆定律，设计了此方案：系统主要包括稳定恒流源电路、一次放大电路、二阶有源低通滤波电路和二次放大电路，系统框图如图 所示。各模块功能概述为：稳定恒流源电路给系统提供稳定的恒定电流源，并且施加于被测微小电阻上，得到被测电阻两端的电压差。由于这个电压差属于微弱信号，同时伴随干扰信号，因此经由电压调理电路进行两次放大和滤波除噪。电压调理电路输出的信号进行两路处理：一是通过 变换电路将电压信号转换为 的标准电流信号。二是通过单片机的 采集处理信号，计算得到被测微小电阻的阻值。图 系统总框图 系统硬件电路设计 开尔文四线检测法原理通常测量电阻的方法就是在被测电阻 两端施加恒流源，测量出压降，根据欧姆定律 ，计算出被测电阻的阻值。但是传统的二线法测量得到的，除了包含有被测电阻 上的电压，还有测试导线上的引线电阻（图 中的、）和接触电阻（图 中的、）上的电压。其中：引线电阻的值在 间，接触电阻的值与测量夹具的使用次数、夹具力度以及接触面清洁度有关，因此是随机的。二线法测量电阻具有电路简单、容易实现的优点，但是如果被测电阻等于甚至小于引线电阻或者接触电阻，此法的测量结果难以令人信服。图 二线法测量电路图 为了消除二线法中引线电阻对测量结果的影响，提高测量结果的准确性，系统采用开尔文四线检测法。如图 所示。其中：、为引线电阻，、为接触电阻，电压表内阻为，电压表支路电流为，被测电阻为，被测电阻支路电流为，被测电阻压降为。根据欧姆定律，有：；根据 有 ；根据 有 （）；若 ，则 ；因为 ，则 ；得出：（）通过式（）表明，采用开尔文四线检测法，利用电压表内阻无限大的特点，可以忽略支路电阻和引线电阻的影响，提高了测量结果的准确性和稳定性。图 开尔文四线法测量电路图 恒流源电路为了提高系统的精确度和可靠性，设计负反馈结构的恒流源。如图 所示：选用温度系数低的、稳定性能高的基准电压 通过电阻 接入运放的同相端，采样电阻 接入运放的反向端。根据负反馈和运算放大器的“虚短”特性，电阻上的电压 等于运放的同相端电压，促使系统保持动态平衡。其中：采用低噪、高输入阻抗、高共模抑制比的运算放大器，来确保采样电阻 两端的电压稳定。采用 型晶体管，输入电阻、和取值分别为 、和 。的引入是为了消除电源开、关时产生的涌浪冲击。图 恒流源电路 图 设计中，根据运算放大器的“虚短”和“虚断”特性，得到：，当、和 恒定，而 增大，使得 增大，导致和 之间的电压差降低，影响 的基极电流 年第 期 工业仪表与自动化装置减小，迫使 的集电极电流 减小。同样，当、和 恒定，而 减小，使得 减小，导致 和 之间的电压差增大，影响 的基极电流 增大，迫使 的集电极电流 增大。以上分析表明：该电路具有自主调节输出电流大小的功能。的大小仅取决于 与 的比值，的精确度和稳定性也由 决定。此电路利用运放设计负反馈构成恒流源，有效抑制了外界干扰，符合设计一款精度高、稳定性好的恒流源要求。一次放大电路的设计微小电阻施加恒流源输出微弱的电压信号，在传输过程中容易产生失真和易受各种干扰信号影响的现象，且不利于后续的分析和利用。针对此信号的调理电路要同时具有放大和抑噪的功能，因此，设计具有输入阻抗高、共模抑制比高、抗干扰能力强及噪声低等特点的一次放大电路。该设计选用增益可调、性能较好的高精度仪表放大器 为核心组建一次放大电路，且采用抑噪能力较强的差动输入方式，具体电路如图 所示。具有线性度好，共模抑制比高、电压漂移低、噪声低的优点。此外，仅通过调节管脚、之间的电阻的阻值就可以方便改变增益，其增益 的计算公式如式（）所示：（）图 一次放大电路 在 组成的一次放大电路中，如果增益设置较大，有用信号和夹杂的噪声同时被放大，导致降低电路的信噪比。其次，设计放大电路的目的是将 的微小信号放大至 ，使用 软件仿真得出，如果放大倍数超过，输出波形就产生失真现象。为了获取合适的信噪比以及使放大电路工作在放大区，达到放大且不失真的目的，设置一次放大电路和二次放大电路，且设计一次放大电路的增益为，即式 中的 取 ，和 同取 。设置输入正弦波信号的频率为，幅值为，选用 软件仿真，并用虚拟示波器观察 和 结果如图 所示。图 频率为 、幅值为 的 和 波形 观察图，（上侧）和（下侧）的相位差为，通过移动光标（左侧）、（右侧）测量出 和振幅分别为 和 ，算出此刻的放大倍数 ，符合设计要求。巴特沃斯二阶低通滤波器经过一次放大电路的调理后，滤除了共模信号的干扰，但是电压信号里面依旧夹杂有高频噪声信号，需要通过低通滤波器去噪。根据组建滤波器采用的元件，将滤波器分为无源滤波器和有源滤波器。前者电路简单，但是存在负载效应，导致滤波器的性能易受负载改变的影响；后者易于调试、负载效应较低、适用于对性能和精度要求较高的信号调理场合。为了获得较好的滤波效果，设计巴特沃斯二阶有源低通滤波器，如图 所示。输入信号接至运放的反相输入端，输出信号通过 和 构成两路反馈。构成此滤波器的核心器件为运算放大器，而理想运放的增益为无穷大，因此又称为无限增益多路反馈型滤波器。它具有参数调整方便、特性相对均衡、系统稳定可靠的优点。图 巴特沃斯二阶低通滤波器 图 中，、和分别取、工业仪表与自动化装置 年第 期 和 ，和 分别取 和。根据滤波器的性能指标，匹配电路元件参数，得出放大增益、截止角频率和截止频率分别为：（）（）（）设置输入正弦波信号的 频率为 ，幅值为 ，选用 软件仿真，并用虚拟示波器观察 和 的波形，结果如图 所示，频率特性如图 所示。图 频率为 、幅值为 的 和 波形 观察图，（下侧）的振幅降低，和 的相位差小于，通过移动光标（左侧）、（右侧）测量出 和 的振幅分别为 和 ，算出此刻的放大倍数 ，因此，为此滤波器的截止频率，满足设计要求。二次放大电路的设计二次放大电路的作用是将一次放大电路输出的信号进行进一步放大，使其达到设计指标的要求。一次放大电路输出 电压信号经过滤波电路滤除高频干扰后，在经过二次放大电路放大 倍，得到 的平稳电压信号。电路图如图 所示。图 二次放大电路 图 中，、和 分别设置为 、和 ，则二级放大电路放大倍数为：（）转换电路在工程现场比如信号远距离传输时，由于电流信号的抗干扰性和稳定性优于电压信号，因此需要将电压信号转换为电流信号。本设计中，将二次放大电路输出的 的平稳电压信号转换为 的电流信号，可适用于信号长距离传输和要求以电流方式配送的工业仪器仪表中。转换电路如图 所示。图中，运算放大器构成反向加法电路，输出电压 与两路输入 和 之间的关系为：（）输出电流 与输入电压之间的关系为：（）（）图 转换电路 图 中，设计 、，调整，使得 ，当 时，带入式（）有：，带入式（）有：；当 ，带入式（）有：，带入式（）有：。此电路实现了将二次放大电路输出的 的平稳电压信号转换为 的电流信号。系统性能测试通过如下测试，验证系统的可行性：将毫欧级别被测标准电阻接入此系统，并加载高精度恒流源信号，将其转换为微弱电压信号，经过两级放大和二阶低通滤波器，微弱电压信号已经转换为无失真放大的、滤除高频干扰的平稳电压信号。将此信号送入，在单片机控制下，编写应用程序实现对微小电 年第 期 工业仪表与自动化装置阻阻值的采集、计算和显示的功能。为了节约软、硬件资源，将被测电阻接入系统后，使用 高精度 位半数字万用表测量系统的输出端电压，测试结果如表 所示。表 标准电阻与系统输出电压标准电阻 实际输出电压 对测试结果采用最小二乘法拟合出数据曲线，得出被测电阻和输出电压的线性关系式：（）在式（）中，为被测标准电阻的阻值，单位为；为系统输出端电压，单位为。根据式（）拟合出的被测电阻和输出电压的数据曲线，得出被测电阻的阻值，计算出系统的误差。测试数据如表 所示。表 系统精度测试标准电阻 实际输出电压 计算得到电阻值 相对误差 由表 中数据得出：系统的相对误差在 以内，表明该微小电阻测试系统具有测量精度高、稳定性好的特点。结论该设计实现了微小电阻测量。采用开尔文四线法消除引线电阻对系统的影响，将微弱电压信号进行两级放大和二阶低通滤波，提高了系统的信噪比和稳定度。此外，输出端设计 转换电路，扩展了系统的工作场合和使用范围。测试结果显示系统相对误差小于 ，表明该微小电阻测试系统测量精度高、稳定性好、可用于精确测量微小电阻以及微弱信号调理放大的场合。参考文献：杨秀增，宋俊慷，韦树贡 基于单片机的微小电阻测量系统设计 电子设计工程，（）：张朵，许宜申，吴茂成，等 基于四线测量法的智能微电阻测试仪设计 电测与仪表，（）：王浩，肖晶晶 基于四线法的微电阻现场测量方法 电子设计工程，（）：雷武，朱平 一种微小型增益可调调理电路的设计及实现 电子设计工程，（）：闫岩，行鸿彦 微伏级直流电压信号放大电路设计 现代电子技术，（）：罗博文，叶晨，汤祥虎 微小电阻的测量及提高精度的方法 测控技术，（）：黄惠琳，陆小飞，杨羽佳，等 一种可调节低噪声恒流源电路 现代电子技术，（）：杨新磊，陈龙，张新亮，等 超微晶合金磁特性测量高频小信号放大电路设计 现代电子技术，（）：阎群，李擎，崔家瑞，等 多重反馈二阶有源低通滤波器优化设计与仿真 现代电子技术，（）：窦如凤，井娥林 基于 的微弱信号放大器设计 仪表技术与传感器，（）：欢迎订阅 年工业仪表与自动化装置国内邮发代号：国际发行代号：定价：元 期 元 年地址：西安市高新区沣惠南路 号 邮编：电话：网址：电子邮箱：工业仪表与自动化装置 年第 期