使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比例電阻測量基礎(chǔ)知識

電壓被傳遞到模擬輸出電路或 A/D 轉(zhuǎn)換器。電流源電路必須準確、無漂移，并且不受測量電阻和電源電壓變化的影響。設(shè)計這樣的電路并不是特別困難，但需要、穩(wěn)定的元件。如果以這種方式使用 A/D 轉(zhuǎn)換器，則需要同樣和穩(wěn)定的參考電壓。

A/D 轉(zhuǎn)換器是比率式的，也就是說，它們的結(jié)果與輸入電壓與參考電壓的比值成正比。這可用于簡化電阻測量。

測量電阻的標準方法是讓電流通過電阻并測量其壓降 （見圖 1）。然后，歐姆定律(V = I x R) 可用于計算電壓和電流的電阻。終輸出可以是模擬的或數(shù)字的。

圖 1.顯示電阻測量的示例框圖。

電壓被傳遞到模擬輸出電路或 A/D 轉(zhuǎn)換器。電流源電路必須準確、無漂移，并且不受測量電阻和電源電壓變化的影響。設(shè)計這樣的電路并不是特別困難，但需要、穩(wěn)定的元件。如果以這種方式使用 A/D 轉(zhuǎn)換器，則需要同樣和穩(wěn)定的參考電壓。

比例電阻測量

如果相同的電流通過兩個電阻器，則即使電流發(fā)生變化，它們的電壓比也將保持不變。這可以用公式 1 在數(shù)學上表示為：

電壓(2)電壓(1)=(I×R2)(I×R1)=R2R1電壓(2)電壓(1)=(I×R2)(I×R1)=R2R1
等式 1。

我們可以使用此信息來開發(fā) A/D 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，如圖 2 所示，該系統(tǒng)執(zhí)行比例電阻測量，不需要恒流源或的參考電壓。

圖 2.顯示使用 A/D 轉(zhuǎn)換器進行比例電阻測量的框圖。 

在哪里：

R(set) 設(shè)置近似電流 (I)，但確切的電流會隨著被測電阻的變化而變化
測得的電壓 V(in) 等于 I 乘以測得的電阻 R(meas)
參考電壓 V(ref) 等于 I 乘以參考電阻 R(ref)

總體而言，數(shù)字結(jié)果將與 R(meas) / R(ref) 成正比，而不管電流的確切值如何。與標準方法相比，不需要電流源電路和精密參考電壓。只有一個組件 R(ref) 需要穩(wěn)定和。

重要的是要注意，這僅在 A/D 轉(zhuǎn)換器具有差分輸入時才有效，這應(yīng)該不是問題，正如大多數(shù)人所做的那樣。大多數(shù)轉(zhuǎn)換器沒有差分參考輸入，因此 R(ref) 必須連接到電路公共端。兩個電阻器必須具有相同的電流，因此，R(meas)與 R(ref)串聯(lián)。圖 2 的配置對于簡單的儀表來說是可以的；但是，它可能不適用于輸出連接到公共端的傳感器測量系統(tǒng)。要解決這個問題，您需要一個帶有差分參考輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器。我們將在下面的微處理器部分介紹它。

考慮到這一點，讓我們看一下圖 3 中的框圖，其中添加了兩個新細節(jié)。

圖 3.添加了詳細信息的比例測量：參考微調(diào)調(diào)整和可選的四線電阻測量。

個添加是參考修剪調(diào)整。沒有它，轉(zhuǎn)換將只能與參考電阻器一樣準確。例如，0.05% 的準確度需要 0.05% 或更好的電阻器。通過微調(diào)，可以通過測量高精度 R(meas) 并調(diào)整微調(diào)器以獲得正確的數(shù)字輸出或讀數(shù)來校準精度。固定參考微調(diào)電阻應(yīng)高于 R(ref)。微調(diào)器應(yīng)該只是固定電阻器的一小部分。

第二個細節(jié)增加了一個可選的四線（開爾文）輸入測量，有時需要進行的低電阻測量。沒有它，引線連接電阻會增加到 R(meas)，增加幾分之一歐姆。要查看這一點，只需使用標準萬用表，將測試導線的末端夾在一起，然后測量電阻。它將讀取幾分之一歐姆，而不是零。

此外，四線連接通過一組引線提供電流，并使用第二對引線測量輸入。沒有電流流過測量導線，因此它們不會降低電壓。測得的電壓是真正的 I x R(meas)，沒有由于引線電阻引起的誤差。高精度儀表通常包括四線電阻測量功能。

使用低成本 DMM 的電阻測量示例

掌握所有這些信息后，讓我們深入研究一個使用低成本DMM 的示例。假設(shè)我有一個低成本的 3-1/2 數(shù)字萬用表，在五金店僅需幾美元即可購買。由于IC芯片埋在環(huán)氧樹脂下，我無法完全探索它的電路；但是，我進行了測試，它似乎使用非恒定電流源以這種方式運行。下面的表 1 包含測量電阻器具有 +1% 容差的結(jié)果：

表 1.  DMM 設(shè)置為 200 歐姆范圍的數(shù)據(jù)結(jié)果。

另一方面，表 2 顯示了設(shè)置為 20 KΩ 范圍時的數(shù)據(jù)結(jié)果。 

表 2.  DMM 設(shè)置為 20 KΩ 范圍時的數(shù)據(jù)結(jié)果。 

結(jié)果？即使電流變化，讀數(shù)也都在百分之一的公差范圍內(nèi)。 

請注意，我的高精度實驗室歐姆表不是這樣工作的。無論測得的電阻如何，它的電流都地保持恒定。

使用微處理器進行比例測量

許多微處理器和微控制器都包含一個 A/D 轉(zhuǎn)換器。與圖 3 類似，圖 4 顯示了如何連接示例微處理器的示例框圖。

圖 4.使用帶有差分參考輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器，您可以將測得的電阻連接到電路公共端。

使用帶有差分參考輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器，您可以將測得的電阻連接到電路公共端。 但是，您的微處理器的 A/D 可能包含一個差分參考輸入。如果是這樣，您可以利用它將被測電阻器連接到電路公共端。如圖 4 所示，被測電阻和參考電阻互換。

大多數(shù)微處理器允許使用代碼切換 A/D 輸入。正參考可以切換為內(nèi)部或外部參考，負參考可以切換為外部參考或公共參考。如果兩者都切換到外部，則參考輸入變?yōu)椴罘植⑶也恍枰B接到公共端。

此外，圖 4 顯示 R(meas) 現(xiàn)在可以連接到公共端，參考電阻“浮動”。系統(tǒng)現(xiàn)在可以將輸入和輸出連接到一個公共端。雖然圖中顯示的是四線輸入，但對于兩線輸入，只需將+IN 連接到電流源，-IN 連接到公共端即可。

電阻傳感器的比例測量基礎(chǔ)知識 

電阻式傳感器包括熱敏電阻、RTD（電阻式溫度檢測器）和位置測量電位器。比率測量可用于所有情況，我們將在以下部分中進行解釋。 

熱敏電阻

圖 5 顯示了一些示例熱敏電阻封裝類型。

圖 5.熱敏電阻封裝類型示例。圖片由EE Power提供

測量部分很簡單——熱敏電阻變?yōu)?R(meas)，兩線輸入應(yīng)該可以正常工作。困難的部分是將電阻測量值轉(zhuǎn)換為溫度。NTC  （負溫度系數(shù)） 和PTC（正溫度系數(shù)）熱敏電阻都是非線性的，并且隨著溫度的變化而改變電阻。

轉(zhuǎn)換需要查找表或復雜的方程式。一些模擬技術(shù)可以使讀數(shù)近似線性化；但是，僅在狹窄的溫度范圍內(nèi)。

電阻式溫度檢測器 (RTD)

RTD 的電阻不低，而許多在 0 °C 時為 100 歐姆，200、500 和 1,000 歐姆的版本也很常見。但是，零點幾歐姆可能會轉(zhuǎn)化為不可接受的溫度測量誤差。

鉑 RTDS（常見的類型）的靈敏度約為每 °C 0.4%。在 100 歐姆的設(shè)備中，0.4 歐姆的引線電阻會產(chǎn)生 1 °C (1.8 °F) 的誤差，因此建議使用四線輸入。這在 500 或 1,000 歐姆時可能沒有必要。

RTD 與溫度不完全成線性關(guān)系，但它們的方程相當簡單（這超出了本文的范圍）。

電位器

電位器相當簡單?；旧?，將 (+) A/D 輸入連接到抽頭，將 (-) 輸入連接到低端或逆時針端 (-)。輸出將與電位計的位置成正比。

比例電阻測量結(jié)論

比例電阻測量概念很簡單：將相同的電流流過被測電阻和參考電阻，A/D 輸出將與它們的比值成正比。我們通過詳細信息對其進行了擴展，希望對您的下一個設(shè)計有所幫助。