，，，

(1.青島大學(xué) 電子信息學(xué)院，山東 青島 266071;2.中國計量科學(xué)研究院, 北京 100029;3. 國家質(zhì)檢總局 電子量子標(biāo)準(zhǔn)重點實驗室,北京 100029 )

基于零磁通電流傳感的自動電阻電橋設(shè)計

王艷萍1，魯云峰2,3，遲宗濤1，李陽1

(1.青島大學(xué)電子信息學(xué)院，山東青島266071;2.中國計量科學(xué)研究院,北京100029;3.國家質(zhì)檢總局電子量子標(biāo)準(zhǔn)重點實驗室,北京100029 )

因商用直流電流比較儀(DCC)精度高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高昂，基于商用零磁通電流傳感器基礎(chǔ)上研制了一套直流比較儀自動電阻電橋，以降低成本、滿足電阻測量精度要求較低應(yīng)用場合的需求;圍繞零磁通電流傳感器的原、副邊線圈安匝平衡機制下，其原、副邊電流比例一定的特點，設(shè)計了自動電阻電橋電路;采用基于DSP的嵌入式數(shù)字電路實現(xiàn)系統(tǒng)控制和算法，使用自制且經(jīng)過校準(zhǔn)的24位AD采集電路讀取電橋中電阻兩端的壓差信號，經(jīng)實時處理及屏幕顯示，最終得到被測電阻(Rx)和標(biāo)準(zhǔn)電阻值(Rs)的比例值;采用經(jīng)校準(zhǔn)過的標(biāo)準(zhǔn)電阻(Rs)對該電阻電橋100 Ω：10 Ω和10 Ω：1 Ω的比例進(jìn)行校準(zhǔn)，實驗結(jié)果表明：該電阻電橋測量的比例準(zhǔn)確度可達(dá)10-6量級，測量的相對標(biāo)準(zhǔn)差為10-6～10-7量級。

零磁通電流傳感器；直流電流比較儀；電阻電橋；DSP控制器

0 引言

在電磁計量領(lǐng)域中，電阻量溯源到量子化霍爾電阻基準(zhǔn)，并通過實物電阻逐級向下傳遞。為保證電阻傳遞和測量的準(zhǔn)確性，用于比較標(biāo)準(zhǔn)電阻的測量儀器顯得尤為重要。[1-6]

國際上，兩端鈕電阻的測量大多采用惠斯頓電橋測量，四端電阻的測量則大多采用開爾文電橋。[7-10]然而，在一些高精度的電阻比對測量中，需考慮電壓引線電阻，此情況下多采用具有兩個獨立回路的電阻電橋電路，以消除引線誤差。主流的DCC廠商如高聯(lián)，MI等大都采用這種結(jié)構(gòu)的電阻電橋電路。但，這種電流平衡的結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜，對于磁材料和工藝的要求極高，所以價格非常昂貴。基于此現(xiàn)狀，本文提出一種新的設(shè)計思路，采用現(xiàn)有的商用零磁通電流傳感器，通過利用其原副邊線圈安匝平衡的工作機制，設(shè)計了一套直流比較儀自動電阻電橋。本系統(tǒng)中選用了Hitec公司的MACC零磁通電流傳感器，此系統(tǒng)具有體積小、精度高、穩(wěn)定性強的特點。

1 系統(tǒng)原理及硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)及工作原理

系統(tǒng)的主要功能為實現(xiàn)相對于標(biāo)準(zhǔn)電阻器的待校準(zhǔn)電阻器的阻值校準(zhǔn)。系統(tǒng)主要分為三個部分：DSP-FPGA核心控制及人機交互模塊、電阻電橋及商用MACC模塊、模擬前端采集模塊。

圖1 直流電流比較儀原理圖

如圖1所示，系統(tǒng)中主動電流源和標(biāo)準(zhǔn)電阻器(Rs)構(gòu)成電橋主回路，從動電流和待校準(zhǔn)電阻器(Rx)構(gòu)成電橋的次回路。零磁通商用電流傳感器(MACC)以主動電流源電流作為原邊輸入，基于其安匝平衡工作機制，在副邊感應(yīng)出與原邊線圈匝數(shù)成反比例的從動電流。電橋中電流的正負(fù)方向由DSP-FPGA控制繼電器進(jìn)行切換。不平衡電橋電路中兩個電阻的一端相連，另一端的電位差就是兩個電阻的壓降差。使用自制且經(jīng)過校準(zhǔn)的24位AD采集電路采集該電位差，送入DSP中進(jìn)行分析計算，最終得到Rx和Rs的比值，顯示在前面的液晶屏上，此外，用戶可通過液晶屏實現(xiàn)數(shù)據(jù)的設(shè)定及讀取等人機交互操作。

1.2 電橋平衡原理

具有兩個獨立回路的電橋電路的平衡條件為，兩個被比較的電阻上的電壓降相等。因此，對待測電阻進(jìn)行校準(zhǔn)，需測得待校準(zhǔn)電阻Rx和標(biāo)準(zhǔn)電阻Rs的比值，即為流經(jīng)其電流的反比。根據(jù)MACC的安匝平衡機制，可獲得系統(tǒng)中電橋的主、次回路的電流比例。假設(shè)，在主回路中，主動電流流過RS標(biāo)準(zhǔn)電阻，產(chǎn)生的電壓降為VS；次回路中，從動電流流過待校準(zhǔn)電阻RX，產(chǎn)生電壓降VX，電路中RX相對于RS的差模電壓，即電橋的不平衡量Vmoff，其運算方程式為：

Voff=VS-VX

(1)

對VS及VX進(jìn)行展開，得到下式：

Voff=IS*RS-IX*RX

(2)

為了去除電橋中引線電阻產(chǎn)生的誤差及電壓的熱電勢，在進(jìn)行不平衡電壓的采集時，首先，利用AD采集電路采集同一方向上的20個數(shù)據(jù)并取其平均值；其次，等待DSP處理器接收到3組平均值，即Voff1、Voff2、Voff3；最后，經(jīng)過運算得到不平衡電壓，其運算公式為：

Voff=(Voff1+Voff3-2Voff2)/4

(3)

設(shè)N為MACC的匝數(shù)比，對方程式(2)做相應(yīng)變換，得到電阻RX和RS的比值方程式為：

RX/RS=N-Voff/RS*IX

(4)

其中，方程式中Voff為雙極性的電壓值，利用經(jīng)過校準(zhǔn)的24位AD采集電路可將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，RX是標(biāo)準(zhǔn)電阻值常量，IX為次回路電流，可依據(jù)MACC的安匝平衡原理換算得到。

1.3 硬件設(shè)計

1.3.1 DSP-FPGA核心控制及人機交互模塊

本系統(tǒng)的控制核心為DSP-FPGA相結(jié)合的控制方式。利用DSP控制整個直流電流比較儀的運行狀態(tài)、數(shù)據(jù)分析及處理、時序邏輯以及實現(xiàn)對人機交互界面的管理。FPGA則用來嚴(yán)格控制電阻電橋回路的正負(fù)換向過程，并將狀態(tài)信息通過IO口實時反饋給DSP。

本系統(tǒng)中采用的DSP控制器，擁有高性能的靜態(tài)CMOS技術(shù)，時鐘頻率可達(dá)150 Mhz，并且具有豐富的片內(nèi)外設(shè)電路。其所具備的片內(nèi)存儲器以及運行內(nèi)存完全能夠支持整個DCC系統(tǒng)的開銷，其強大的數(shù)字信號處理及事件管理能力，能夠?qū)崿F(xiàn)對多數(shù)據(jù)的快速分析及準(zhǔn)確運算。

DSP控制人機交互界面過程為，用戶通過系統(tǒng)前端的觸摸屏，輸入所需的Rs、Rx及采樣數(shù)據(jù)個數(shù)等信息。觸摸屏將用戶設(shè)置的數(shù)據(jù)幀通過串口以UART通信協(xié)議的方式發(fā)送給DSP控制器。同時，DSP控制器將分析運算后得出的Rx和Rs的比值、平均值和相對標(biāo)準(zhǔn)差信息通過串口返回觸摸屏，顯示最終的結(jié)果信息，實現(xiàn)人機交互。該觸摸屏的底層基本功能由其內(nèi)嵌的芯片實現(xiàn)，使用時只需對其進(jìn)行框架搭建，通過SD卡加載人機交互界面的顯示頁面及字庫，通過串口實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。此觸摸屏的優(yōu)點為，基于內(nèi)嵌接口的二次開發(fā)，節(jié)約開發(fā)時間，顯示穩(wěn)定。

1.3.2 電阻電橋及商用MACC模塊

自動電阻電橋電路為兩路獨立的電阻回路，主回路電流由主動電流源給出。主動電流源由自制的基準(zhǔn)電壓板，換向電路板以及電流源核心板組成。

基準(zhǔn)電壓板的+10 V精密電壓由精密電壓基準(zhǔn)芯片提供，該芯片具有極低的溫度漂移(2.5 ppm/℃)，較小的噪聲系數(shù)(5 uVpp 0.1 Hz to 10 Hz)，且穩(wěn)定性極好(5 ppm/1000 hr)。經(jīng)差動放大器可產(chǎn)生-10 V電壓，用于換向的負(fù)電流。

換向電路中，繼電器收到FPGA傳來的正負(fù)脈沖，切換與之對應(yīng)的正、負(fù)電壓值提供給電流源核心板。為避免電壓在正負(fù)切換過程中，產(chǎn)生的沖擊對維持電橋回路穩(wěn)定的電流傳感器造成損害，影響兩個電橋回路的電流比，造成整個電阻電橋電路測量結(jié)果的不穩(wěn)定。本設(shè)計中，在換向電路中設(shè)計了緩慢換向積分電路，如圖2所示。

圖2 緩慢轉(zhuǎn)向積分電路

緩慢換向積分電路由兩個基本的二階RC運放電路構(gòu)成，其作用是：在電壓發(fā)生正負(fù)變化時，通過配置RC電路的積分時間，減緩正負(fù)電壓跳變的過程。其中，RC電路的積分時間可通過調(diào)節(jié)兩個運放間的可變電阻進(jìn)行配置。

電流源核心板由三個精密運放組成的前端儀表放大器，電流源電路和采樣電阻切換電路組成。儀表放大器的作用是減少板間串?dāng)_，保證電流源的穩(wěn)定性。因運放功率的限制，電路中使用功率放大器放大電流，以保證電流源輸出功率。采樣電阻使用的是中國計量科學(xué)研究院張鐘華院士提出的低負(fù)載系數(shù)精密電阻。[11-12]參考電壓、采樣電阻的穩(wěn)定度及電橋電路的精度，保證了電流源電流的穩(wěn)定度，能夠滿足儀器整體的穩(wěn)定性要求。

電橋的從回路電流由零磁通商用MACC的副線圈感應(yīng)得出。其工作機制為基于磁調(diào)制原理，通過內(nèi)部磁芯實現(xiàn)原、副邊線圈的安匝平衡。該模塊的主、從動電流的轉(zhuǎn)換比率為1000:1，可通過在其外部增加纏繞匝數(shù)的方式改變其電流轉(zhuǎn)換比率。主、從動電流比值系數(shù)能夠通過其原、副邊線圈纏繞匝數(shù)保持在一定數(shù)值上。本系統(tǒng)中，在其外部纏繞了500匝，并將50匝、100匝、200匝、500匝的線圈分別引出，連接至繼電器，通過繼電器可實現(xiàn)不同比例的匝數(shù)比，繼而實現(xiàn)不同比例電流的切換。該商用MACC模塊，性能優(yōu)良，具有較高的精度，極低的線性誤差(lt;4 ppm)，極低的溫度漂移(lt;0.15 ppm/K)，極低的漂移時間(0.3 ppm/month)。這些優(yōu)良的性能，為電阻電橋中電流比例的準(zhǔn)確性及穩(wěn)定性提供了保障。

1.3.3 模擬前端采集模塊

核心器件為高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)選用了適合高精密應(yīng)用的低噪聲完整模擬前端，內(nèi)置低噪聲、24位∑-Δ型的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)，且內(nèi)置緩沖器，可直接和電阻電橋等低阻抗輸出連接。[13-16]片內(nèi)內(nèi)接數(shù)字濾波器對50Hz和60Hz進(jìn)行帶阻抑制，進(jìn)一步降低噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

該模塊的配置是通過寫內(nèi)部的配置寄存器和模式寄存器完成。因電橋不平衡量的量級為uV，所以可通過配置其增益系數(shù)，將信號內(nèi)部增益至mV量級，從而提高轉(zhuǎn)換精度。為了減少誤差將模擬地和數(shù)字地進(jìn)行了分離鋪設(shè)，并用高頻磁珠相連，可降低數(shù)字接口電路的高頻開關(guān)噪聲對其的串?dāng)_。此外， ADC模塊的數(shù)字接口經(jīng)三個光耦器件與DSP通信，可實現(xiàn)電氣上的完全隔離，消除了DSP控制核心板對ADC模塊的串?dāng)_。

在系統(tǒng)設(shè)計的過程中，利用多功能校準(zhǔn)源對本模塊進(jìn)行了校準(zhǔn)，校準(zhǔn)結(jié)果如下文所述。

2 軟件設(shè)計

本文采用基于CCS(Code Composer Studio)的軟件編程方法，對系統(tǒng)進(jìn)行了軟件的設(shè)計，達(dá)到了很好的效果。CCS是TI 公司推出的為TMS320 系列DSP 進(jìn)行軟件開發(fā)的集成開發(fā)環(huán)境(IDE)。其工作環(huán)境為Windows 操作系統(tǒng)，類似于VC++的集成開發(fā)環(huán)境，采用圖形接口界面。CCS 所集成的代碼調(diào)試工具能對TMS320 系列DSP 進(jìn)行指令級的仿真和可視化的實時數(shù)據(jù)分析。此外，提供了豐富的輸入/輸出庫函數(shù)及信號處理庫函數(shù), 極大的簡化了控制器開發(fā)過程。

為了構(gòu)建控制器軟件框架, 使編程易于測試和維護(hù),本文采用了模塊化設(shè)計, 將整個軟件劃分為初始化模塊，信號采集模塊，數(shù)據(jù)處理模塊等主要模塊。系統(tǒng)的軟件設(shè)計流程為：儀器上電后，DSP從片內(nèi)Flash加載程序代碼，F(xiàn)PGA從EPCS-4加載芯片加載電路代碼。完成初始化，執(zhí)行代碼：首先向電流源模塊的模數(shù)轉(zhuǎn)換器寫電壓指令字，開啟電流輸出。其次，初始化ADC模塊，配置電壓采樣參數(shù)。進(jìn)而初始化液晶屏顯示，并讀取用戶的參數(shù)設(shè)置。完成以上操作后，進(jìn)入主循環(huán)，查詢FPGA反饋的換向狀態(tài)。如正處于換向階段，則不采集電壓值，等待換向結(jié)束，采集電壓值。根據(jù)電流的正負(fù)狀態(tài)，將數(shù)據(jù)分別存入正、負(fù)暫存數(shù)組，通過運算，在每次方向改變后，得到一個數(shù)據(jù)，并存入結(jié)果數(shù)組，同時刷新液晶屏顯示。之后進(jìn)入下一次循環(huán)，重復(fù)上述過程。

本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計流程圖

3 系統(tǒng)測試與分析

如前文所述，本設(shè)計中采用自制的24位AD采集卡對電橋中電阻兩端的壓差信號進(jìn)行讀取。在實驗室環(huán)境下(20 ℃+0.5 ℃)，利用多功能校準(zhǔn)源(FLUKE 5720)產(chǎn)生0.5 V、1 V標(biāo)準(zhǔn)直流信號，采集卡采集到的電壓數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 自制AD采集卡校準(zhǔn)參數(shù)表

利用本文研制的DCC系統(tǒng)，分別對100 Ω：10 Ω以及10 Ω：1 Ω比例的Rx和Rs進(jìn)行測試，其中利用經(jīng)過校準(zhǔn)的商用電流比較儀(高聯(lián)6622A)對100 Ω：10 Ω、10 Ω：1 Ω的測量值分別為：10.0000179、9.9999795。

測試方法為，儀器上電后等待一段時間，使儀器進(jìn)入穩(wěn)定的工作狀態(tài)。根據(jù)顯示屏提示，輸入被測電阻信息、電橋電壓大小、換向時間以及測量數(shù)據(jù)個數(shù)等，本測試中電阻比例100 Ω：10 Ω電橋電壓0.5 V，10 Ω：1 Ω電橋電壓0.1 V，換向時間均為30 s，單次測量數(shù)據(jù)個數(shù)20個。

表2、表3分別給出了電阻100 Ω：10 Ω以及10 Ω：1 Ω的10次測量結(jié)果，其中10 Ω：1 Ω每次測量數(shù)據(jù)分散性均達(dá)到10-7量級，而100 Ω：10 Ω比例單次測量數(shù)據(jù)分散性為10-6量級。

表2 10 Ω:1 Ω測試結(jié)果

表3 100 Ω:10 Ω測試結(jié)果

通過對以上原始數(shù)據(jù)的分析計算，可得到直流電流比較儀(DCC)在該兩組比例下的實際比例相對偏差為10-6量級，分散性和重復(fù)性均達(dá)到10-6～10-7量級。

分析表明，系統(tǒng)的誤差主要來源于以下幾個方面：一、主、從電流回路電流的比例由MACC電流傳感器維持，MACC的安匝平衡精度，限制了精度的進(jìn)一步提高。二、盡管經(jīng)過了兩級隔離，ADC模數(shù)轉(zhuǎn)換器仍會受到周圍環(huán)境的噪聲影響，最終損失一些位數(shù)。三、雖然接線端子經(jīng)過精心挑選，但是接線端子仍然存在一定的誤差。在連接被校準(zhǔn)電阻和標(biāo)準(zhǔn)電阻時，接線電阻與四線制電阻連接處也存在接觸熱電勢，引入了測量誤差。

以上因素綜合起來，造成了系統(tǒng)的誤差。

4 結(jié)論

本設(shè)計中使用了商用MACC零磁通電流傳感器，保證了電橋中的兩個回路電流比例的精確性。通過自制的已校準(zhǔn)的AD采集電路讀取自動電阻電橋電路中電阻兩端的壓差信號，經(jīng)DSP的嵌入式數(shù)字電路的控制和運算，最終能夠?qū)崿F(xiàn)被測電阻的實時校準(zhǔn)。實驗表明，本文設(shè)計的DCC測量精度可到達(dá) 10-6～10-7量級，能夠滿足該測量精度要求下的電阻測量應(yīng)用場合。該系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，精度較高，穩(wěn)定性較好，易于使用的特點，具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1] 張鐘華.量子計量基準(zhǔn)的現(xiàn)狀[J].儀器儀表學(xué)報，2011，32(1)：1-5.

[2]張鐘華.量子計量基準(zhǔn)及SI基本單位的重新定義[J].電子測量與儀器學(xué)報，2007，21(1): 1-5.

[3]李繼東,黃小釘.電學(xué)計量技術(shù)發(fā)展綜述[J].宇航計測技術(shù)，2009，29 (5)：67-70.

[4]Zhong Qing，Wang Xueshen，Li Jinjin，et al.Development of 10 kΩ quantum Hall array resistor[A].2016 Conference on Precision Electromagnetic Measurements (CPEM 2016)[C]. IEEE Conference Publications. Pages: 1 - 2

[5]魯云峰,趙建亭,賀 青,等.基于低溫電流比較儀的微弱電流精密測量技術(shù)[J]．儀器儀表學(xué)報，2013(12)12：2812-2817

[6]任士焱,丁欣穎,邵濱海,等.基于滯后相位校正的高精度直流大電流比較儀[J].電子測量與儀器學(xué)報, 2013, 27(5): 415-420.

[7]黃 璐,張鐘華,趙 偉,等.一種提高交直流開爾文電橋測量準(zhǔn)確度的新方法[A].第四屆全國電磁計量大會文集[C].2007，9：152-154.

[8]黃 璐，張鐘華，趙 偉，等.精密寬頻開爾文電橋的研制[J].計量學(xué)報，2008，29(2)：97-101.

[9]王佑明,張志利,龍勇.直流雙臂電橋測量低電阻的誤差分析[J].電子測量技術(shù), 2007, 30(1): 154-156.

[10]任子生, 施大申. 電阻負(fù)載系數(shù)的精密測量[J]. 電測與儀表, 2000, 37(7):19-21.

[11]Li Jidong, Cai Jianzhen, Huang Xiaoding. Method and device for verifying high-accuracy direct-current comparator[Z]. CN 2010.

[12]張鐘華, 王 維, 賀 青,等. 一種分布式低負(fù)載系數(shù)精密電阻及其實現(xiàn)方法: CN, 103149410 A[P]. 2013.

[13]張修太,胡雪惠,翟亞芳,等.基于 PT100 的高精度溫度采集系統(tǒng)設(shè)計與實驗研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報, 2010, 23(6): 812-815.

[14]鄭永秋,史 赟,李圣昆,等.多通道高精度數(shù)據(jù)采集電路的設(shè)計與實踐[J].電測與儀表, 2011, 48(9): 86-90.

[15]劉 東,鄭恩讓,馬令坤. 基于FPGA的AD73360數(shù)據(jù)采集方法[J]. 計算機測量與控制,2010(1):223-225.

[16]劉九慶. 基于∑-Δ技術(shù)高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計[J]. 自動化儀表,2006(1):25-27.

DesignofAutomaticResistorBridgeBasedonZero-fluxCurrentSensing

Wang Yanping1,Lu Yunfeng2，3,Chi Zongtao1,Li Yang1

(1.School of Electronic and Information Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071,China; 2.National Institute of Metrology, Beijing 100029, China; 3.Key Laboratory for Electrical Quantum Standard of AQSIQ, Beijing 100029, China)

Based on the commercial zero-flux DC measuring system to develop a set of DC current comparator automatic resistance bridge to reduce costs and satisfy the application of low precision of resistance measurement conditions. Around the ampere-turns balance of the zero-flux DC measuring system, automatic resistance bridge circuit is designed. Using the embedded digital circuit based on DSP to realize the control system and algorithm, and using homemade and calibrated 24 AD data acquisition circuit to read the differential voltage signal of the the resistance in the bridge. By the real-time processing and display, and ultimately get the ratio of the resistance value and standard resistance. Using the calibrated standard resistance to correct the bridge of 100 Ω: 10 Ω and 10 Ω:1 Ω, proportion accuracy reached orders of magnitude at 10-6,and relative standard deviation of the measurement for 10-6～10-7.

zero-flux DC measuring system；DC current comparator；resistance bridge；ADC

2017-05-05；

2017-06-20。

國家質(zhì)檢總局質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督能力提升專項(ANL1612)。

王艷萍(1991-)，女，山東青島人，碩士研究生，主要從事信號與信息處理方向的研究。

遲宗濤(1964-)，男，山東青島人，教授，碩士研究生導(dǎo)師，主要從事傳感器與電子測量方向的研究。

1671-4598(2017)09-0258-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.066

TM93

A