高精度直流微電阻測試儀的研究與開發(fā)-----硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)（一）

高精度直流微電阻測試儀的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本章主要對高精度微電阻直流測試儀的硬件系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)。下面著重從本硬件系統(tǒng)的創(chuàng)新點(diǎn)、整體設(shè)計(jì)思路、誤差分析及圍繞各個(gè)環(huán)節(jié)的誤差源解決方案來展開。

本文中的高精度微電阻測試儀，以單片機(jī)89E58芯片為核心，82C55及8155作為并行口擴(kuò)展芯片，采用了恒電流電源技術(shù)和四端子接線方式，利用高精度、低噪聲的OP177芯片作為運(yùn)算放大器，及ADS78O5作為A/D轉(zhuǎn)換芯片，能夠有效地減小了測量誤差，提高了測量精度。

本硬件系統(tǒng)有兩個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)：

1.高性價(jià)比處理。本微電阻測試儀在方案討論初期就定下個(gè)重要的目標(biāo)就是要設(shè)計(jì)制作成為低成本、高精度、便以產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的測試儀，微電阻測試儀的用途廣泛，其運(yùn)行環(huán)境差異很大導(dǎo)致這種儀器的損壞、長時(shí)間運(yùn)行后的高精度保證率下降，則需進(jìn)行更換。為了用戶降低成本，首先得使生產(chǎn)廠家降低生產(chǎn)成本，在設(shè)計(jì)中大量的選用了低成本、穩(wěn)定性高、通用型的芯片，如89E58單片機(jī)、ADS7805型A/D轉(zhuǎn)換器、szess及5155并口、OP177運(yùn)放等，而不是選用集成度高、穩(wěn)定性低的其他芯片。

2.接地部分處理。傳統(tǒng)的測試儀的只是把模擬地和數(shù)字地分開來接地，兩者之間未接電阻，這樣會導(dǎo)致抗干擾能力差一些，對測試儀的精度也會有所影響。

而本測試儀把模擬地和數(shù)字地用Zko的電阻連接起來再接地，經(jīng)實(shí)際調(diào)試運(yùn)行情況來看，抗干擾能力有所增強(qiáng)，從而提高了測量的精度，這是本微電阻測試儀的一個(gè)亮點(diǎn)。

高精度微電阻測試儀的整體設(shè)計(jì)

硬件組成結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要分為數(shù)字電路模塊、模擬電路模塊和電源模塊。其中數(shù)字電路模塊主要實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制、模擬信號A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)碼顯示和與PC機(jī)通信功能。模擬電路模塊主要實(shí)現(xiàn)恒流源、信號放大及濾波功能。電源模塊為數(shù)字電路和模擬電路提供電源。如圖3.1所示：

硬件系統(tǒng)誤差分析

硬件部分的系統(tǒng)誤差主要由量化誤差與模擬誤差組成，即由A/D轉(zhuǎn)換的量化誤差、放大器等的線性誤差組成的量化誤差及由恒流源誤差、溫漂及增益誤差組成的模擬誤差構(gòu)成。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的元器件很多，從數(shù)據(jù)采集、信號調(diào)理、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、直至信號輸出，要經(jīng)過很多環(huán)節(jié)，其中既有模擬電路，又有數(shù)字電路，各種誤差源很復(fù)雜，總體來說數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的誤差主要包括模擬電路誤差、采樣誤差和轉(zhuǎn)換誤差等。

模擬電路的誤差主要來自放大器的誤差，其非線性誤差、增益誤差、零電位誤差都應(yīng)該在計(jì)算系統(tǒng)誤差時(shí)被考慮進(jìn)去。模擬線性光藕元件有一定的非線性誤差，在考慮系統(tǒng)誤差時(shí)也是要進(jìn)行考慮的。

A/D轉(zhuǎn)換器是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的重要部件，它的性能對整個(gè)系統(tǒng)起著至關(guān)重要的作用，因此它是系統(tǒng)中的重要誤差來源。A/D轉(zhuǎn)換器的誤差可以分為兩部分。

一是A/D轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)誤差，它包括量化誤差、失調(diào)誤差和非線性誤差。

A/D轉(zhuǎn)換器的靜態(tài)誤差為上述各主要誤差的組合，根據(jù)不同的器件及不同的使用環(huán)境其數(shù)值是不一樣的。二是A/D轉(zhuǎn)換器的速度對誤差的影響。在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的通過速率中，A/D轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換時(shí)間占有相當(dāng)大的比重。選擇A/D轉(zhuǎn)換器時(shí)，

必須考慮到轉(zhuǎn)換時(shí)間滿足系統(tǒng)通過率的要求，否則會產(chǎn)生較大的采樣誤差。

另外由于要采集的電信號非常小，所以外界環(huán)境產(chǎn)生的干擾信號所產(chǎn)生的誤差也是要加以考慮的。

根據(jù)分析，綜合誤差。可用公式表達(dá)為：

綜上所述，系統(tǒng)硬件部分的誤差主要包括以下5個(gè)誤差源：恒流源、放大電路、A/D轉(zhuǎn)換器、光耦隔離和外界環(huán)境等。因此，需要在設(shè)計(jì)硬件系統(tǒng)時(shí)特別注意消除上述的幾個(gè)重要誤差源，在下文中將重點(diǎn)解決這些硬件系統(tǒng)電路所存在的誤差源。

恒流源、數(shù)據(jù)采集放大部分設(shè)計(jì)

恒流源電路由脈寬調(diào)制開關(guān)穩(wěn)壓控制電路和功放電路組成 。

由精密基準(zhǔn)電壓源和高性能運(yùn)放組成，向被測電阻提供精確的測試電流 。

采用以運(yùn)放和復(fù)合放大系統(tǒng)為核心技術(shù)的恒流源設(shè)計(jì)，恒流源主要由采樣電路、控制電路、比較電路和放大電路四部分組成。

電阻測量分為五個(gè)測試檔：

因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器的飽和電壓為5v，其有效電壓的范圍為。一5v，首先我們定每個(gè)量程的最大測量電阻的放大倍數(shù)為100倍，則其輸入電壓為5v/100=0.05v，當(dāng)我們調(diào)至量程1時(shí)，其最大測量電阻為l99.99m歐.，則其測量電流為0.O5V/199.99m歐=250.0125mA；當(dāng)我們調(diào)至量程2時(shí)，其最大測量電阻為1.9999.，則其測量電流為0.05v/1.99“。=25.oo125mA.其他的各量程的測試電流依上述的公式來確定分別為：量程3：2.500z25oA，量程4：0.2500125mA，量程5：0.02500125mA.