李昌銀

摘 要：本文基于歐姆定律，介紹了低測試電流的微電阻測量系統(tǒng)的整體架構(gòu)，深入探究了系統(tǒng)硬件、軟件的設(shè)計(jì)思路與方法，具有一定的指導(dǎo)意義與參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：低測試電流；微電阻；測量系統(tǒng)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.259

0 引言

在實(shí)際工程應(yīng)用過程中，通常都需要測定出具體高導(dǎo)電材料的電阻大小。并且，在進(jìn)行科研工作時(shí)，電阻率的測量也是對相關(guān)材料結(jié)構(gòu)、物態(tài)變化進(jìn)行有效監(jiān)測的重要方法。然而，因?yàn)榇蟛糠纸饘僭嚇佣际艿綆缀纬叽缦拗频挠绊?，電阻值都?huì)較小，通常僅為幾微歐甚至是更低，因此對其進(jìn)行精確測量難度較大。目前，有關(guān)低測試電流的微電阻測量系統(tǒng)的研究已經(jīng)成為了國內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。

1 系統(tǒng)整體架構(gòu)

一般來說，進(jìn)行測量的總體思路為：將電流測的電壓施加在被測電阻的兩端，采用歐姆定律進(jìn)行相關(guān)計(jì)算與分析，得出相應(yīng)的電阻。因?yàn)殡娮璧淖柚荡笮∈俏⑷跣盘?hào)，因此在整個(gè)系統(tǒng)中不僅僅需要設(shè)計(jì)精度較高的電壓電流采集系統(tǒng)，對測量時(shí)有可能造成噪音干擾以及相關(guān)誤差的原因也應(yīng)當(dāng)認(rèn)真分析，并盡可能避免其帶來的影響。低測試電流的微電阻測量系統(tǒng)主要由變頻電源模塊、弱信號(hào)調(diào)理模塊以及主芯片模塊等構(gòu)成，圖1為整個(gè)系統(tǒng)的主要架構(gòu)圖。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 變頻電源模塊

所謂變頻電源，即是把220 V的工頻的電源經(jīng)“交—直—交”的變換來輸出可以有效控制頻率與電壓的交流電。在本文中，擬采用DSP 控制方法以生成 SPWM波，并采用集成功率模塊以及相應(yīng)的LC 濾波器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，從而達(dá)到輸出頻率與電壓能夠有效控制的交流電源的目的。

2.2 弱信號(hào)調(diào)理模塊

在弱信號(hào)調(diào)理模塊中主要分為四大部分，分別為：A/D 轉(zhuǎn)換模塊、低噪聲前置放大器、低通濾波電路以及鎖相放大電路。因?yàn)樵谶M(jìn)行微電阻測量時(shí)其精度要求相對較高，因此A/D 轉(zhuǎn)換模塊選擇采用AD7767。其動(dòng)態(tài)范圍和輸入帶相對較寬，且芯片中的集成數(shù)字濾波器能夠幫助消除部分噪聲。另外，其有利于信號(hào)輸入前濾波要求的降低。對于放大器，因?yàn)榻Y(jié)型場效應(yīng)管要求具有高輸入阻抗、低噪聲系數(shù)以及小柵源電容特性，因而前置放大器采用結(jié)型場效應(yīng)管直接耦合連接成的電壓負(fù)反饋放大電路。在鎖相放大電路中采用了AD630元件，其屬于高精度平衡調(diào)制器。包括鎖相放大、平衡調(diào)制解調(diào)器、方波乘法計(jì)算、相敏檢測、以及正交檢測等都是AD630元件信號(hào)處理使用的范圍。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 主芯片軟件的設(shè)計(jì)

對于下位機(jī)主芯片軟件的設(shè)計(jì)，有四點(diǎn)主要工作內(nèi)容：①對于讀寫EEPROM，其設(shè)計(jì)時(shí)要注意初始化 EEPROM以及讀取、存儲(chǔ)相關(guān)的預(yù)設(shè)參數(shù)。②對于控制 A/D芯片，其工作內(nèi)容主要涉及對采樣頻率進(jìn)行設(shè)置、控制A/D采樣芯片開始和停止的采集、接收 A/D采樣數(shù)據(jù)以及SPI通訊的初始化等。③對于數(shù)據(jù)處理，應(yīng)當(dāng)以有關(guān)的檢測原理的信號(hào)分析為依據(jù)，并采用最小均方差自適應(yīng)算法對數(shù)字進(jìn)行濾波，在得出處理分析后的電流與電壓信號(hào)之后，選擇性提取有用的成分，從而優(yōu)化測量的結(jié)果。在此基礎(chǔ)上再按照歐姆定律算出電阻。④對于通訊功能，可以有效結(jié)合RS232來達(dá)到和顯示設(shè)備通訊的目的，可以對數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)進(jìn)行自定義，并配置合理的SCI 模塊。

3.2 變頻電源模塊軟件的設(shè)計(jì)。

變頻電源可以采用脈寬調(diào)制技術(shù)實(shí)現(xiàn)對三相橋式逆變器的控制，從而達(dá)到調(diào)整輸出頻率與幅值，形成相對穩(wěn)定的三相正弦信號(hào)的目的。其可以實(shí)時(shí)監(jiān)控電壓信號(hào)與電流信號(hào)，如果出現(xiàn)了欠壓或者是過壓現(xiàn)象，則可以及時(shí)切斷三相逆變橋的輸出，從而保護(hù)電源模塊。其中的壓頻開環(huán)控制子程序是通過TIM1上溢中斷觸發(fā)實(shí)現(xiàn)的，圖2給出了其基本流程。

4 結(jié)語

本文基于歐姆定律對低測試電流的微電阻測量系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，其采用了雙相鎖相放大技術(shù)對微電阻上的弱電壓信號(hào)、弱電流信號(hào)進(jìn)行采集、分析，并將微弱電壓信號(hào)從低性噪比環(huán)境中提取出來，再充分利用自適應(yīng)濾波技術(shù)排除了噪音的干擾。這種方式對于微弱信號(hào)的精密測量效果明顯，且滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

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