毫歐姆級電阻測量電路設(shè)計(jì)

飛機(jī)上，通常利用機(jī)體作為一根供電導(dǎo)線。為了保證飛機(jī)的正常供電，要求從機(jī)頭到機(jī)尾的機(jī)體電阻必須小于0.005歐姆，即5毫歐姆，才不至于影響飛機(jī)的正常供電。

　　以往對于特低電阻值的測量通常采用比較的方法，即手動調(diào)節(jié)電橋平衡，在精密電阻箱上得到讀數(shù)，此方法既慢又不準(zhǔn)確。即使采用6位半的高精度數(shù)字表直接測量電阻，其電阻測量的分辨率也只能達(dá)到10毫歐姆。這說明測量機(jī)體電阻是一個(gè)比較困難的超低阻值測量問題。
2　系統(tǒng)設(shè)計(jì)與誤差分析
將測試線路及測試儀內(nèi)部的線路電阻考慮在內(nèi)時(shí)，電阻值的測量范圍要達(dá)到100毫歐姆；為了準(zhǔn)確測量出機(jī)體電阻，分辨率要達(dá)到0.1毫歐姆。

　　從理論上說采用24bit的A/D轉(zhuǎn)換器，若輸入量程為5V，則分辨率可達(dá)：
　　LSB=5/(224-1)=0.29微伏
　　即1mA電流流過1毫歐姆電阻產(chǎn)生的1微伏電壓降也能測量出來。但這省略了一個(gè)前提：被測量信號的信噪比必須非常高。如果線路的噪聲達(dá)到1mV，那么即使1A電流在1毫歐姆電阻上產(chǎn)生的1mV電壓信號也檢測不出來。

　　根據(jù)需要測量的電阻值范圍和對被測量信號信噪比的要求，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 測試系統(tǒng)原理圖
測試系統(tǒng)的誤差分為量化誤差Δd和模擬誤差Δm兩部分?？杀硎緸椋?br>　　Δd=A/D轉(zhuǎn)換器的積分非線性誤差I(lǐng)NL+A/D轉(zhuǎn)換器的微分非線性誤差DNL+量化誤差LSB

　　Δm=被測量的電阻*比例誤差系數(shù)+系統(tǒng)常數(shù)誤差十隨機(jī)誤差
　　上式中決定比例誤差系數(shù)的主要因素是恒流源精度、各個(gè)環(huán)節(jié)的溫漂和增益誤差等。決定系統(tǒng)常數(shù)誤差的主要因素是系統(tǒng)內(nèi)部線路、測試線路和各個(gè)環(huán)節(jié)的調(diào)零。決定隨機(jī)誤差的主要因素是隨機(jī)接觸電阻、系統(tǒng)噪聲和外部干擾。
3　關(guān)鍵電路選型
3.1　低漂移大電流精密恒流源電路

　　理論和元器件數(shù)據(jù)資料表明，以齊納二極管為基準(zhǔn)的精密電壓參考源的性能優(yōu)于以能帶為基準(zhǔn)的恒流源，因此采用高性能的精密電壓參考源間接得到需要的精密相流源。電路如圖2所示。

圖2 高精密低溫漂恒流源電路
REF102是10V精密電壓參考源，精度為±0.0025V，溫漂為2.5ppm/℃max，可滿足本系統(tǒng)電阻測量的要求。OPA111精密運(yùn)算放大器作為電壓跟隨器，使得REF102的GND端和放大器的同相端相等，即R*為高精度、低溫漂的精密電阻，則流過RL的電流為精密恒定電流。整個(gè)電路等效為恒流源電路。

　　恒流源擴(kuò)展電路如圖3所示，運(yùn)算放大器工作在開環(huán)狀態(tài)，由于同相端和反相端的壓差幾乎為零，運(yùn)算放大器的偏置電流可以忽略不計(jì)，因此恒流源電流在NR上的壓降與VMOS場效應(yīng)管的源極電流在R上的壓降必定相等。當(dāng)選擇

　　I1=1mA,NR=999R時(shí)
　　則Is=999*I1=999mA

　　所以I0=I1+Is=1mA+999mA=1.000A
　　選擇NR、R為高精度低溫漂電阻，OPA602為精密運(yùn)算放大器，則擴(kuò)展后輸出的電流是精密恒流源。
3.2　A/D轉(zhuǎn)換與單片機(jī)系統(tǒng)
　　由于測試量程要達(dá)100毫歐、分辨率要小于0.1毫歐，所以A/D轉(zhuǎn)換器的二進(jìn)制編碼數(shù)至少要達(dá)到1000個(gè)，相當(dāng)于10位的A/D轉(zhuǎn)換器?？紤]到噪聲的影響以及A/D轉(zhuǎn)換器的差分非線性DNL、積分非線性NL和量化誤差LSB，選擇16位的串行接口A/D轉(zhuǎn)換器ADS7809。設(shè)定其輸入量程為10V，則分辨率為0.1525mV。當(dāng)被測量的電阻最大值為100毫歐，恒流源電流為1A時(shí)，被測電阻上的壓降為0.1V。為提高測試的精度，將此信號放大100倍達(dá)到10V，則理論上0.1毫歐的電阻可產(chǎn)生10mV的電壓降，A/D轉(zhuǎn)換后的讀數(shù)可達(dá)65LSB，可充分保證測量的精度。

圖3 精密擴(kuò)展恒流源電路
4　關(guān)鍵誤差的消除
4.1　硬件濾波電路
　　由于機(jī)體是一個(gè)大的導(dǎo)體，其感應(yīng)的干擾信號很強(qiáng)，機(jī)上設(shè)備工作時(shí)也會產(chǎn)生較大的干擾。而機(jī)體電阻是一個(gè)比較穩(wěn)定的值，在恒流源的激勵(lì)下產(chǎn)生的電壓信號是比較穩(wěn)定的信號，理論上近似如直流。因此在將測量信號加到A/D轉(zhuǎn)換器之前先經(jīng)過一個(gè)有源低通濾波器，設(shè)定較低的截止頻率可濾除一切交流干擾。
4.2　軟件濾波

　　為進(jìn)一步提高系統(tǒng)抗干擾和噪聲的能力，保證測試的精度，對獲得的測量值進(jìn)行數(shù)字濾波處理，即進(jìn)行256次測量后取平均值。經(jīng)過軟、硬件濾波處理后的系統(tǒng)誤差僅僅±1LSB。
4.3　測試連接線及其與機(jī)上測試點(diǎn)隨機(jī)接觸電阻的消除

　　恒流源電流流經(jīng)的系統(tǒng)內(nèi)部線路電阻和連接飛機(jī)的測試導(dǎo)線的導(dǎo)線電阻可達(dá)三十幾毫歐，可作為系統(tǒng)常數(shù)誤差予以消除。
　　難以消除的誤差是隨機(jī)誤差，來自于測試線路與機(jī)上連接點(diǎn)的隨機(jī)接觸電阻。每次測量時(shí)，擰緊測試線的力度不同、接觸表面的清潔度不同，其接觸電阻完全是隨機(jī)的，變化范圍可達(dá)幾個(gè)毫歐。為此采用如圖4所示的測試連接電路予以消除。


圖4 消除隨機(jī)誤差的測試連接圖
測試原理是四線測試法。選擇L1~L4四根導(dǎo)線為相同導(dǎo)線電阻的鍍銀導(dǎo)線。M1、M2為機(jī)上測試連接點(diǎn)。在同一個(gè)測試點(diǎn)上擰緊兩根測試線，L1和L2，L3和L4。導(dǎo)線的另一端接至測試接線盒的接觸電阻小于0.05毫歐的φ6鍍金接線柱。采用手動連接活動鍍金接線片的辦法，構(gòu)成三種測試狀態(tài)：R+接T1、R―接N1，測量出L1、L2及接觸點(diǎn)M1的接觸電阻；R+接N2、R―接T2，測量出L3、L4及接觸點(diǎn)M2的接觸電阻。將這兩個(gè)電阻值取平均值作為測試線路的系統(tǒng)誤差。最后測出R+接N2、R―接N1的電阻值，減去上述測得的測試線路系統(tǒng)誤差，即得到機(jī)體電阻值。
5　測試軟件流程圖
如圖5所示，單片機(jī)采用查詢方式響應(yīng)測試鍵控。用4個(gè)鍵對應(yīng)四個(gè)測試狀態(tài)，且及時(shí)顯示測試結(jié)果以便于操作者判斷。程序判斷四個(gè)電阻測試完后，自動修正各種誤差，顯示并打印出所測得的機(jī)體電阻值，并附帶其他信息，以便于保存和驗(yàn)證。


圖5 鍵控流程圖
6　結(jié)論
針對待測電阻和測試線路的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了超高精度、超低漂移的精密恒流源，巧妙地采用了四線測試法消除了難以克服的隨機(jī)接觸電阻的影響，經(jīng)過元器件的反復(fù)選型和測驗(yàn)，最后達(dá)到滿足測試需求的效果?？蓽?zhǔn)確地測出1厘米長的粗導(dǎo)線的導(dǎo)線電阻值。此設(shè)備已成功用于飛機(jī)機(jī)體電阻的測量和大功率開關(guān)電器額定功率的檢測。