王磊

（電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川成都，611731）

0 引言

對于微電阻的腐蝕情況即阻值變化測量，需要利用一定的處理來消除導(dǎo)線干擾，這里采用四線接線法。其中待測電阻和參考電阻串聯(lián)在一起，電流源驅(qū)動兩個(gè)電阻得出正比于電阻阻值的電壓信號。利用電壓幅度比即可得出微小電阻阻值變化情況。在測量電路中必定會存在著噪聲，使得測量過程中有用信號完全淹沒在噪聲中，信號與噪聲比很低。為了系統(tǒng)能夠把有用信號測量出來，采用低頻率恒流源測量方法。由于參考電阻具有高精度，并且處于保護(hù)殼中，并不會被腐蝕，因此可以較高精度地得出腐蝕情況。

1 設(shè)計(jì)思路

對于毫歐以及毫歐以下電阻阻值變化的測量，利用電流源以及四線接線法可以有效消除包括導(dǎo)線電阻在內(nèi)的各種干擾，能夠達(dá)到極高的精度。由于本次待測量微電阻阻值為微歐到毫歐級別，考慮到模擬運(yùn)放放大倍數(shù)過大會帶來額外失調(diào)電壓和噪聲，因此在設(shè)計(jì)方面傾向增強(qiáng)電流源驅(qū)動能力，本次電壓控制電流源輸出電流大于300mA。電流源驅(qū)動微小電路后一路直接送入單片機(jī)做數(shù)字相敏檢波處理，另外兩路送入正交的兩個(gè)模擬乘法器做模擬相敏檢波。在設(shè)計(jì)中采用單片機(jī)自帶ADC，32MHz 外部晶振作為系統(tǒng)時(shí)鐘，以200kHz 的采樣頻率對1.6kHz 的正弦信號進(jìn)行采樣，即每個(gè)正弦周期采樣120 個(gè)點(diǎn)。對于模擬數(shù)字相敏檢波即模擬乘法器而言，需要待測正弦信號與參考正弦信號。而參考正弦信號需要兩路正交正弦信號，因此采用AD9958 四通道輸出芯片，利用MSP430F5529 驅(qū)動AD9958 產(chǎn)生測量信號與相干信號。

設(shè)計(jì)核心在于電流源驅(qū)動電路、模擬乘法器和低通濾波器組成都模擬相敏檢波電路或者是單片機(jī)代碼實(shí)現(xiàn)的數(shù)字相敏檢波算法。

模擬乘法器型相敏檢波器以AD835 芯片為核心進(jìn)行設(shè)計(jì)。乘法器AD835 芯片有著較高的乘法計(jì)算精度，能夠進(jìn)行四象限乘法運(yùn)算，并不需要考慮輸入信號的極性問題。將相干信號和待測進(jìn)行積化和差變換后得出兩路正交2 倍頻和帶有幅度信息的直流信號，采用低通濾波器濾除2 倍頻即可得出正交的幅度信號，單片機(jī)采用后即可通過開平方算出幅度信號。

MSP430 單片機(jī)是一個(gè)16 位、具有精簡指令集、超低功耗的混合處理器，具有以下幾大特點(diǎn)[3]：

（1）超低功耗：工作電壓僅為1.8～3.6V、耗電電流??；靈活的時(shí)鐘系統(tǒng)和數(shù)量眾多的向量中斷源，非常適合高精度和低功耗電路系統(tǒng)。

（2）強(qiáng)大的數(shù)字處理能力：一個(gè)周期執(zhí)行一個(gè)命令，MSP430 單片機(jī)指令速度可高達(dá)25MIPS。

（3）系統(tǒng)工作穩(wěn)定：數(shù)字控制振蕩器啟動CPU，保證程序從正確位置開始執(zhí)行，看門狗定時(shí)器讓單片機(jī)出現(xiàn)死機(jī)時(shí)能夠自動重啟。

最后采用MSP430F5529 芯片。電路設(shè)計(jì)分為兩大模塊：發(fā)送模塊和接收模塊，接收模塊：DDS 驅(qū)動模塊、濾波模塊、電壓控制電流源模塊。發(fā)送模塊：電子開關(guān)選通模塊、差分放大模塊、帶通濾波模塊、模擬乘法器模塊、低通濾波模塊。主控模塊為單片機(jī)。

2 電路設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包括供電系統(tǒng)、發(fā)射電路、接收電路。

圖1 整體框架

■2.1 電源電壓轉(zhuǎn)換模塊

本文的電路是蓄電池12V 來進(jìn)行設(shè)計(jì)的，由于電路中各個(gè)模塊的芯片的工作電壓可歸為-12V、5V、3.3V、1.8V，所以電源電壓轉(zhuǎn)換模塊分別為12V，12V 轉(zhuǎn)5V 以及5V 轉(zhuǎn)3.3V，+5V 通過高精度電阻分壓產(chǎn)生1.25V 作為偏置電路的參考電壓。3.3V 轉(zhuǎn)1.8V，3V 轉(zhuǎn)-12V，其中±12V 作為電壓控制電流源供電極為重要，采用TI 官網(wǎng)的TPS63700 升壓芯片產(chǎn)生-12V。整個(gè)系統(tǒng)供電如圖2 所示。

圖2 電壓模塊

圖3 電壓控制電流源

圖4 帶通濾波器

圖5 模擬檢波電路

圖6 模擬相敏檢波

圖7 電路實(shí)物圖

■2.2 DDS 驅(qū)動模塊

通過單片機(jī)驅(qū)動DDS 模塊產(chǎn)生預(yù)期的正弦信號，然后輸入給模擬信號處理模塊。AD9958 內(nèi)部擁有10 個(gè)寄存器。本模塊采用單bit 串行模式進(jìn)行數(shù)據(jù)寫入，實(shí)現(xiàn)對AD9958片內(nèi)寄存器的配置。每次傳輸16bit 的數(shù)據(jù)，其中前8bit指令周期，其中I7 決定數(shù)據(jù)的讀寫模式，I0～I(xiàn)4 是寄存器的地址，后8bit 是寄存器中的數(shù)據(jù)。

根據(jù)數(shù)字相敏通過MATLAB 進(jìn)行數(shù)據(jù)框架搭建，然后對采樣電進(jìn)行仿真處理，發(fā)現(xiàn)在單片機(jī)的采樣率為200kbps 時(shí)，正弦波信號1.6kHz 是一個(gè)比較合適的頻率。通過對相應(yīng)的寄存器寫指令便可得出相應(yīng)幅度相位正弦波，本系統(tǒng)采用雙通道正交正弦波，頻率為1.6kHz，幅度為500mV。

■2.3 電壓控制電流源

電壓控制電流源是此系統(tǒng)的核心模塊，一個(gè)精度高、驅(qū)動能力強(qiáng)的電流源對系統(tǒng)整體性能起著至關(guān)重要的作用。DDS 信號出來后由于驅(qū)動能力不足，不足以驅(qū)動毫歐級別電阻，因此需要設(shè)計(jì)驅(qū)動電路，加大電路的電流輸出能力。本次系統(tǒng)電流源模塊是通過MOS 管和運(yùn)放來搭建電壓控制電流模塊。利用運(yùn)放的負(fù)反饋，根據(jù)虛短虛斷以及電壓跟隨器的性質(zhì)可得輸出電流為輸入電壓與電阻R10 的比值，再通過MOS 管進(jìn)行增加電路的電流驅(qū)動能力，使其最后的電流輸出達(dá)到400mA 左右。此電壓控制電流源通過調(diào)節(jié)電阻阻值或者改變輸入電壓幅值來改變電流大小。兩路正弦電流源流經(jīng)串聯(lián)電路負(fù)載，如圖中R11，驅(qū)動負(fù)載并產(chǎn)生正比與負(fù)載阻值的正弦電壓，提取出負(fù)載兩端幅值，將其與參考阻值幅值進(jìn)行比較，得出腐蝕比例。因此乘法器后接兩路低通濾波器，分別提取正交兩路正弦幅值。

由于信號為一個(gè)正弦波信號，因此電流源輸出驅(qū)動端由推挽式P 溝道和N 溝道兩種MOS 管構(gòu)成，當(dāng)正弦信號處于負(fù)半軸時(shí)，P 溝道作為主要反饋端，與運(yùn)放構(gòu)成負(fù)反饋，強(qiáng)制使輸出電流按標(biāo)準(zhǔn)電阻的阻值決定；當(dāng)正弦波處于正半軸時(shí)，N 溝道作為反饋端，與運(yùn)放構(gòu)成負(fù)反饋。

■2.4 差分放大與濾波模塊

由于恒流源在不超過工作的負(fù)載功率范圍內(nèi)，能提供恒定大小的電流源，所以導(dǎo)線電阻對于恒流源電流大小沒有影響。恒流源流經(jīng)串聯(lián)電阻，在串聯(lián)電阻兩端形成正比于電阻的電壓。檢測電阻兩端電壓信號的兩根導(dǎo)線上存在導(dǎo)線電阻，雖然測量電壓信號的導(dǎo)線上也有導(dǎo)線電阻，但是電路中的差分放大器對其進(jìn)行差分放大檢測之后得出被測電阻兩端的電壓，而且這個(gè)電壓信號跟導(dǎo)線電阻無關(guān)，所以這種方法就完全規(guī)避了測量過程中的導(dǎo)線電阻。由于恒流源的驅(qū)動強(qiáng)度很高，并且可調(diào)，因此能夠測量不同范圍內(nèi)的微電阻比值，從而得出電阻腐蝕情況。差分放大之后再接模擬濾波。

第一級差分放大為儀表放大器組成的差分放大電路，采用的芯片是INA217。根據(jù)增益公式A=1+10000/R,可以通過選取R 來設(shè)計(jì)放大倍數(shù)。由于本次電流源電流為300mA 左右，驅(qū)動1mΩ 電阻得到300μV 左右正弦幅度，因此設(shè)計(jì)增益為100。

第一級濾波為帶通濾波，被測微小電阻連入DDS，輸出的信號不僅包含缺陷的有用信息，一般還有毫不相關(guān)的帶外噪聲。如果僅僅對檢測腐蝕電阻輸出的信號進(jìn)行儀表放大，不進(jìn)行濾波處理，很大程度上，會加大后續(xù)數(shù)字信號處理的難度。因此，為了提高輸出信號的信噪比，采用中心頻率1.6kHz 左右、通帶帶寬為1kHz 帶通通濾波。

第二級放大、濾波作為補(bǔ)充前級放大濾波的作用。濾波芯片均采用ADI 公司的AD8676，利用LTSPICE 對模擬前端處理電路對噪聲信號進(jìn)行分析。最后將帶寬定位1kHz。

■2.5 模擬檢波電路

根據(jù)積化和差公式可知，將帶有噪聲的信號與其同頻的信號兩路正交信號相乘可得2 倍頻信號、噪聲與直流信號，再通過一個(gè)低通濾波器即可消除噪聲與2 倍頻，只留下帶有幅相信息的確定值，即為i、q 信號，將i、q 信號先平方后開放即可得到幅度信息。本次系統(tǒng)采用模擬乘法器與低通濾波器的組合，將源信號與本地兩路正交相干信號相乘，再經(jīng)過低通濾波器輸入給單片機(jī)。

本系統(tǒng)采用ADI 公司的AD835 模擬乘法器以及低噪聲運(yùn)放LT1128 作為乘法器輸出后的低通濾波器。低通濾波器的截止頻率設(shè)置在100Hz 左右，即可濾除1.6kHz 左右的干擾和2倍頻高頻干擾。最后即可得出信號。該芯片的輸出公式按如下所示，W=(X1-X2)(Y1+Y2)+Z，其中Y 的一路信號接入DDS 本地正交一路與信號同頻同相正弦相干信號，另一路接地。X 端一路接來自濾波偏置的源信號，另一路直接接地。

3 實(shí)驗(yàn)室電路測試分析

常溫下，電路測試主要用到的儀器為：USB 轉(zhuǎn)RS232 串口、電腦、示波器、直流穩(wěn)壓源。電腦通過串口讀取電路處理過的數(shù)據(jù)，示波器接在輸出兩端，觀察輸入到單片機(jī)之前的是否為理論波形。而電壓控制電流源產(chǎn)生大概50℃?？梢酝ㄟ^判斷電流源溫度初步判斷電路是否正常工作。

經(jīng)測試，首先電路在MSP430 單片機(jī)的控制下輸出正常正弦波波形，正弦波經(jīng)過電壓控制電流源驅(qū)動待測電阻與參考電阻，用示波器測量電阻兩端電壓信號觀察到與理論值一致的幅度信息。該信號通過兩路模擬檢波之后觀察到偏置的2 倍頻信號，經(jīng)過低通濾波器之后為直流信號，根據(jù)示波器讀出直流信號幅度。

根據(jù)仿真，模擬數(shù)字相敏檢波結(jié)果與理論值匹配，最后經(jīng)過低通濾波器后提取幅度信號，輸入到單片機(jī)的值與正弦波幅度匹配，都為820mV 左右。

4 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)了一款可以測量微歐級別電阻阻值變化的電路。此外電路具有指令儲存、電壓控制電流源高精度且可調(diào)、串口指令調(diào)試三個(gè)功能，為微電阻測量電路提供一種設(shè)計(jì)思路。