CN101498749B

CN101498749B - 一种精密电阻测量装置和方法

Info

Publication number: CN101498749B
Application number: CN2008100492119A
Authority: CN
Inventors: 张德林; 滕军
Original assignee: Cama Luoyang Measurement and Control Equipments Co Ltd
Current assignee: Kaimai (Luoyang) limited measuring ring
Priority date: 2008-02-01
Filing date: 2008-02-01
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2028-02-01
Also published as: CN101498749A

Abstract

一种精密电阻测量装置，其中，待测电阻一端通过基准电阻、限流电阻接入电源正极，另一端通过偏置电阻接地；一交叉开关的四个输入端分别连接在基准电阻、待测电阻的两端，其两个输出端分别连接在一信号放大电路的同、反相输入端，该信号放大电路通过A/D转换器接中央处理器的数据信号输入端，中央处理器的数据信号输出端连接存储器，中央处理器的控制信号输出端连接交叉开关的控制信号输入端，控制交叉开关的两输出端依次输出基准电阻两端的正反向电压、待测电阻两端的正反向电压，经信号放大电路处理及A/D转换后由中央处理器存入存储器；中央处理器调取存储器中基准电阻上正反向电压差、待测电阻上正反向电压差进行运算得到待测电阻的阻值。

Description

一种精密电阻测量装置和方法

技术领域

本发明涉及一种测量精密电阻阻值的装置和方法。

背景技术

目前，常规的精密电阻测量是采用精密电流源向待测电阻施加电流，测量电阻两端电压，然后通过待测电阻上电流、电压和待测电阻之间的关系计算出电阻阻值。这种方法需要高稳定精密电流源和高精度电压表，成本比较高。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度、高稳定性且成本低廉的精密电阻测量装置，本发明的另一目的是提供一种控制该测量装置进行自动测量的精密电阻测量方法。

一种精密电阻测量装置，其中：待测电阻(Rs)一端通过基准电阻(Rbase)、限流电阻(Rlim)接入电源正极(V+)，待测电阻(Rs)另一端通过偏置电阻(Rbias)接地，一四选二交叉开关(MUX)的四个输入端分别连接在基准电阻(Rbase)、待测电阻(Rs)的两端，其第一、第二两个输出端分别连接在一信号放大电路的同、反相输入端，该信号放大电路的输出端连接A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端连接中央处理器(CPU)的数据信号输入端，中央处理器(CPU)的数据信号输出端连接一存储器，中央处理器(CPU)的控制信号输出端连接交叉开关(MUX)的控制信号输入端，用于控制交叉开关(MUX)的两输出端依次输出基准电阻(Rbase)两端的正反向电压、待测电阻(Rs)两端的正反向电压。

所述的精密电阻测量装置，其中：所述信号放大电路包括一缓冲放大器

(BUF)和一放大器(AMP)，缓冲放大器(BUF)的同、反相输入端与交叉开关(MUX)的两输出端分别对应连接，缓冲放大器(BUF)的输出端连接放大器(AMP)的输入端，放大器(AMP)的输出端连接A/D转换器的输入端。

所述的精密电阻测量装置，其中：所述交叉开关(MUX)由两个四选一模拟开关构成，每个模拟开关的四个输入端均分别对应连接在基准电阻(Rbase)、待测电阻(Rs)的两端，两模拟开关的输出端分别与信号放大电路的同、反相输入端对应连接。

所述的精密电阻测量装置，其中：所述中央处理器(CPU)采用单片机。

所述的精密电阻测量装置，其中：所述基准电阻(Rbase)选用温漂系数＜5ppm/℃的电阻。

所述的精密电阻测量装置，其中：所述基准电阻(Rbase)的阻值等于待测电阻(Rs)阻值范围的中间值。

一种精密电阻测量方法，其中：包括如下步骤：

a)、***初始化；

b)、中央处理器(CPU)的控制信号输出端对交叉开关(MUX)的控制信号输入端输送控制信号，控制交叉开关(MUX)的第一输出端连接基准电阻(Rbase)的输入端、第二输出端连通基准电阻(Rbase)的输出端，即缓冲放大器(BUF)的同相输入端(in+)接收基准电阻(Rbase)的输入端电压(bp)、反相输入端(in-)接收基准电阻(Rbase)的输出端电压(bn)，缓冲放大器(BUF)输出端输出的信号(BUF1)为基准电阻(Rbase)的输入端电压(bp)、输出端电压(bn)之差(BUF1＝bp-bn)，该信号(BUF1)经放大器(AMP)放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号(Bp)经中央处理器(CPU)送入存储器存储；

c)、中央处理器(CPU)的控制信号输出端对交叉开关(MUX)的控制信号输入端输送控制信号，控制交叉开关(MUX)的第一输出端连接基准电阻(Rbase)的输出端、第二输出端连通基准电阻(Rbase)的输入端，即缓冲放大器(BUF)的同相输入端(in+)接收基准电阻(Rbase)的输出端电压(bn)、反相输入端(in-)接收基准电阻(Rbase)的输入端电压(bp)，缓冲放大器(BUF)输出端输出的信号(BUF2)为基准电阻(Rbase)的输出端电压(bn)、输入端电压(bp)之差(BUF2＝bn-bp)，该信号(BUF2)经放大器(AMP)放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号(Bn)经中央处理器(CPU)送入存储器存储；

d)、中央处理器(CPU)的控制信号输出端对交叉开关(MUX)的控制信号输入端输送控制信号，控制交叉开关(MUX)的第一输出端连接待测电阻(Rs)的输入端、第二输出端连通待测电阻(Rs)的输出端，即缓冲放大器(BUF)的同相输入端(in+)接收待测电阻(Rs)的输入端电压(sp)、反相输入端(in-)接收待测电阻(Rs)的输出端电压(sn)，缓冲放大器(BUF)输出端输出的信号(BUF3)为待测电阻(Rs)的输入端电压(sp)、输出端电压(sn)之差(BUF3＝sp-sn)，该信号(BUF3)经放大器(AMP)放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号(Sp)经中央处理器(CPU)送入存储器存储；

e)、中央处理器(CPU)的控制信号输出端对交叉开关(MUX)的控制信号输入端输送控制信号，控制交叉开关(MUX)的第一输出端连接待测电阻(Rs)的输出端、第二输出端连通待测电阻(Rs)的输入端，即缓冲放大器(BUF)的同相输入端(in+)接收待测电阻(Rs)的输出端电压(sn)、反相输入端(in-)接收待测电阻(Rs)的输入端电压(sp)，缓冲放大器(BUF)输出端输出的信号(BUF4)为待测电阻(Rs)的输出端电压(sn)、输入端电压(sp)之差(BUF4＝sn-sp)，该信号(BUF4)经放大器(AMP)放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号(Sn)经中央处理器(CPU)送入存储器存储；

f)、中央处理器(CPU)从存储器中调取Bp、Bn、Sp、Sn，计算中间数据Rb1＝Bp-Bn，Rs1＝Sp-Sn，根据得到的Rb1、Rs1，计算待测电阻(Rs)的阻值Rs＝K·(Rs1/Rb1)，其中，K为校准系数；

g)、结束本次测量。

所述的精密电阻测量方法，其中：该方法的步骤a)中还包括调整校准系数K的步骤：调整校准系数K，使K值接近基准电阻(Rbase)的阻值Rb。

所述的精密电阻测量方法，其中：所述基准电阻(Rbase)选用温漂系数＜5ppm/℃的电阻。

所述的精密电阻测量方法，其中：所述基准电阻(Rbase)的阻值等于待测电阻(Rs)阻值范围的中间值。

本发明采用上述技术方案将达到如下的技术效果：

本发明的精密电阻测量装置中，待测电阻Rs与基准电阻Rbase串联，保证电流一致，这两个电阻的测量采用四线连接方法，避免导线电阻影响(一般导线<超导导线除外>都有电阻，这里的导线指的是跟关键元件有关的连接线，包括连接待测电阻的接线和电路板上的印刷汇流条)。本发明的精密电阻测量方法，是由中央处理器CPU控制交叉开关MUX的连通，分别测量待测电阻Rs与基准电阻Rbase的正向电压(Bp，Sp)、负向电压(Bn，Sn)，并将二者作减法运算(即Rb1＝Bp-Bn，Rs1＝Sp-Sn)，减法运算后得到中间数据Rb1和Rs1，将它们作除法运算(即Rs1/Rb1)，并乘以校准系数K得到待测电阻的阻值Rs。本技术方案涉及到的中央处理器是单片机，相比DSP来说价格低廉且具有更好的通用性。

这里，减法运算的目的是消除A/D转换器的零偏误差，同时也避免了该偏置误差漂移的影响。以基准电阻(Rbase)测量说明消除零偏误差的原理，如下所述：假设A/D转换器零偏电压为Vbi，该零偏在短时间内变化很小，因此可忽略不计，测得的基准电阻Rbase正向电压Bp可分解为Bp1和Vbi，即

Bp＝Bp1+Vbi＝i×Rb+Vbi

其中：i.........流经电阻的电流

Rb......基准电阻Rbase阻值

同样，负向电压Bn可分解如下：

Bn＝Bn1+Vbi＝-i×Rb+Vbi

减法运算Rb1＝Bp-Bn可表示为

Rb1＝Bp-Bn＝(i×Rb+Vbi)-(-i×Rb+Vbi)＝2×i×Rb

同理

Rs1＝2×i×Rs

可见，减法运算后消除了A/D转换器的零偏电压Vbi。

待测电阻Rs与基准电阻Rbase串联，因此流经它们的电流是一致的，根据欧姆定律，这两个电阻上的电压与电阻阻值成正比，因此，在单片机CPU中将两个电阻上的电压数据(分别正负相减后)相除，然后乘以校准系数K即可得到待测电阻的阻值，这一过程用公式表述如下：

(Rs1/Rb1)×K＝[(2×i×Rs)/(2×i×Rb)]×K＝(Rs/Rb)×K

当校准后K≈Rb，上式的结果(Rs/Rb)×K即是待测电阻阻值Rs，可见，最后得到的待测电阻阻值与待测电阻上的电流无关，所以不需要精密电流源。(其中，这里所述的校准是采用本技术领域通用的校准方法：用标准测量电阻的设备测试被测电阻得到Rs’，若用本技术方案的装置和方法测试得到的被测电阻Rs与Rs’的差值大于要求的误差，则调整校准系数K使得差值小于要求的误差；校准系数K存储在数字处理器(单片机)内，通过一套命令和程序实现该系数的调整，这里不再赘述。)

中间数据Rb1和Rs1都与放大器AMP的增益系数ka成正比，在一次测量过程中ka保持不变，最终计算结果中将Rs1和Rb1相除，所以最后的计算结果即待测电阻的阻值Rs与ka无关，避免了放大器AMP的增益系数ka的漂移影响。同理，A/D转换器增益(主要由A/D转换器的基准电压决定)与最后计算结果即待测电阻的阻值Rs无关，避免了A/D转换器增益漂移的影响。

另外，选用小温漂系数(温漂系数＜5ppm/℃)电阻作为基准电阻Rbase，可使温度影响降低，在测量过程中可忽略不计。选择基准电阻Rbase的大小，使其阻值等于待测电阻Rs阻值范围的中间值，以便充分利用A/D转换器的动态范围。

由上可见，本发明装置和方法在测量过程中消除和避免了多种因素引起的测量误差，从而具有较高的测量精度和良好的稳定性，另外，其不需要精密电流源，成本低廉。

附图说明

图1为本发明精密电阻测量装置的结构示意图；

图2为本发明精密电阻测量方法的流程图；

图3为一种精密电阻测量装置实例的结构示意图。

具体实施方式

实施例：

一种精密电阻测量装置，其中：待测电阻Rs一端通过基准电阻Rbase、限流电阻Rlim接入电源正极V+，待测电阻Rs另一端通过偏置电阻Rbias接地(GND)，一四选二交叉开关MUX的四个输入端分别连接在基准电阻Rbase、待测电阻Rs的两端，分别用于接收基准电阻Rbase的输入端电压bp、输出端电压bn、待测电阻Rs的输入端电压sp、输出端电压sn，交叉开关MUX的第一、第二两个输出端分别连接在一缓冲放大器BUF的同、反相输入端(in+、in-)，缓冲放大器BUF的输出端连接放大器AMP的输入端，放大器AMP的输出端连接A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端连接中央处理器CPU的数据信号输入端，中央处理器CPU的数据信号输出端连接一存储器，中央处理器CPU的控制信号输出端连接交叉开关MUX的控制信号输入端，用于控制交叉开关MUX的两输出端依次输出基准电阻Rbase两端的正反向电压、待测电阻Rs两端的正反向电压。

本实施例中的中央处理器CPU采用单片机，相比DSP芯片来说价格低廉且具有更好的通用性，所述中央处理器CPU的数据信号输入端、输出端及控制信号输出端是分别用单片机上的相应接口实现。

利用缓冲放大器高输入阻抗(大于10⁹Ω)、低输出阻抗(小于5Ω)的特性能够大大降低交叉开关和导线的电阻造成的测量误差。

所述交叉开关MUX由两个四选一模拟开关构成，每个模拟开关的四个输入端均分别对应连接在基准电阻Rbase、待测电阻Rs的两端，两模拟开关的输出端分别与缓冲放大器的同、反相输入端(in+、in-)对应连接。

所述基准电阻(Rbase)选用温漂系数＜5ppm/℃的电阻，其阻值Rb为待测电阻Rs阻值范围的中间值。

利用本发明精密电阻测量装置进行精密电阻测量的流程如图2所示，其具体测量步骤如下：

a)、先进行***初始化，并将校准系数K调整为接近基准电阻Rbase的阻值Rb；

b)、单片机CPU的控制信号输出端对交叉开关MUX的控制信号输入端输送第一个控制信号，控制交叉开关MUX的第一输出端连接基准电阻Rbase的输入端、第二输出端连通基准电阻Rbase的输出端，即缓冲放大器BUF的同相输入端in+接收基准电阻Rbase的输入端电压bp、反相输入端in-接收基准电阻Rbase的输出端电压bn，缓冲放大器BUF输出端输出的信号BUF1为基准电阻Rbase的输入端电压bp、输出端电压bn之差，即BUF1＝bp-bn，该信号BUF1经放大器AMP放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号Bp经单片机CPU的数据信号输入端进入单片机中处理后再经单片机CPU的数据信号输出端送入存储器存储；

c)、单片机CPU的控制信号输出端对交叉开关MUX的控制信号输入端输送第二个控制信号，控制交叉开关MUX的第一输出端连接基准电阻Rbase的输出端、第二输出端连通基准电阻Rbase的输入端，即缓冲放大器BUF的同相输入端in+接收基准电阻Rbase的输出端电压bn、反相输入端in-接收基准电阻Rbase的输入端电压bp，缓冲放大器BUF输出端输出的信号BUF2为基准电阻Rbase的输出端电压bn、输入端电压bp之差，即BUF2＝bn-bp，该信号BUF2经放大器AMP放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号Bn经单片机CPU送入存储器存储；

d)、单片机CPU的控制信号输出端对交叉开关MUX的控制信号输入端输送第三个控制信号，控制交叉开关MUX的第一输出端连接待测电阻Rs的输入端、第二输出端连通待测电阻Rs的输出端，即缓冲放大器BUF的同相输入端in+接收待测电阻Rs的输入端电压sp、反相输入端in-接收待测电阻Rs的输出端电压sn，缓冲放大器BUF输出端输出的信号BUF3为待测电阻Rs的输入端电压sp、输出端电压sn之差，即BUF3＝sp-sn，该信号BUF3经放大器AMP放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号Sp经单片机CPU送入存储器存储；

e)、单片机CPU的控制信号输出端对交叉开关MUX的控制信号输入端输送第四个控制信号，控制交叉开关MUX的第一输出端连接待测电阻Rs的输出端、第二输出端连通待测电阻Rs的输入端，即缓冲放大器BUF的同相输入端in+接收待测电阻Rs的输出端电压sn、反相输入端in-接收待测电阻Rs的输入端电压sp，缓冲放大器BUF输出端输出的信号BUF4为待测电阻Rs的输出端电压sn、输入端电压sp之差，即BUF4＝sn-sp，该信号BUF4经放大器AMP放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号Sn经单片机CPU送入存储器存储；

f)、单片机CPU从存储器中调取Bp、Bn、Sp、Sn，计算中间数据Rb1＝Bp-Bn，Rs1＝Sp-Sn，根据得到的Rb1、Rs1，计算待测电阻Rs的阻值Rs＝K·(Rs1/Rb1)，其中，K为校准系数；

g)、结束本次测量。

本发明的装置应用在一型号为ZQX-1的气象采集器中铂电阻温度传感器上精密铂电阻的测量，图3为测量铂电阻的测量装置结构连接图，待测铂电阻Rs一端通过基准电阻Rbase、限流电阻Rlim串接入电源正极V+，另一端通过偏置电阻Rbias接地GND，测量装置中采用了芯片ADS1241(24位∑-Δ器件)，该芯片集成了交叉开关MUX、缓冲放大器BUF、放大器AMP和A/D转换器的功能，单片机CPU选取C8051F020，芯片ADS1241通过其SPI接口与单片机C8051F020的SPI端口连接，单片机C8051F020的RS232接口与上位机PC的RS232接口连接，由上位机提供存储功能，上位机还能将测量结果进行显示、打印等操作，另外，单片机C8051F020的一I/O端口连接在ADS1241上的交叉开关功能模块的控制接脚上，用于控制交叉开关的连通；另外，待测量的铂电阻Rs阻值在50～150Ω范围内，选取100Ω的基准电阻，本实施例中采用基准电阻的型号为RS201-9848；按照图2所示的流程测量待测电阻Rs，经试验，测试精度达到0.02Ω，在近半年的实际测量工作中，测试结果几乎无变化，具有很好的稳定性。

Claims

1.一种精密电阻测量装置，其特征在于：待测电阻(Rs)一端通过基准电阻(Rbase)、限流电阻(Rlim)接入电源正极(V+)，待测电阻(Rs)另一端通过偏置电阻(Rbias)接地，一四选二交叉开关(MUX)的四个输入端分别连接在基准电阻(Rbase)、待测电阻(Rs)的两端，其第一、第二两个输出端分别连接在一信号放大电路的同、反相输入端，该信号放大电路的输出端连接A/D转换器的输入端，A/D转换器的输出端连接中央处理器(CPU)的数据信号输入端，中央处理器(CPU)的数据信号输出端连接一存储器，中央处理器(CPU)的控制信号输出端连接交叉开关(MUX)的控制信号输入端，用于控制交叉开关(MUX)的两输出端依次输出基准电阻(Rbase)两端的正反向电压、待测电阻(Rs)两端的正反向电压。

2.如权利要求1所述的精密电阻测量装置，其特征在于：所述信号放大电路包括一缓冲放大器(BUF)和一放大器(AMP)，缓冲放大器(BUF)的同、反相输入端与交叉开关(MUX)的两输出端分别对应连接，缓冲放大器(BUF)的输出端连接放大器(AMP)的输入端，放大器(AMP)的输出端连接A/D转换器的输入端。

3.如权利要求1或2所述的精密电阻测量装置，其特征在于：所述交叉开关(MUX)由两个四选一模拟开关构成，每个模拟开关的四个输入端均分别对应连接在基准电阻(Rbase)、待测电阻(Rs)的两端，两模拟开关的输出端分别与信号放大电路的同、反相输入端对应连接。

4.如权利要求1或2所述的精密电阻测量装置，其特征在于：所述中央处理器(CPU)为单片机。

5.如权利要求1或2所述的精密电阻测量装置，其特征在于：所述基准电阻(Rbase)选用温漂系数＜5ppm/℃的电阻。

6.如权利要求5所述的精密电阻测量装置，其特征在于：所述基准电阻(Rbase)的阻值等于待测电阻(Rs)阻值范围的中间值。

7.一种精密电阻测量方法，其特征在于：包括如下步骤：

a)、***初始化；

b)、中央处理器CPU的控制信号输出端对交叉开关MUX的控制信号输入端输送控制信号，控制交叉开关MUX的第一输出端连接基准电阻Rbase的输入端、第二输出端连通基准电阻Rbase的输出端，即缓冲放大器BUF的同相输入端in+接收基准电阻Rbase的输入端电压bp、反相输入端in-接收基准电阻Rbase的输出端电压bn，缓冲放大器BUF输出端输出的信号BUF1为基准电阻Rbase的输入端电压bp、输出端电压bn之差，BUF1＝bp-bn，该信号BUF1经放大器AMP放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号Bp经中央处理器CPU送入存储器存储；

c)、中央处理器CPU的控制信号输出端对交叉开关MUX的控制信号输入端输送控制信号，控制交叉开关MUX的第一输出端连接基准电阻Rbase的输出端、第二输出端连通基准电阻Rbase的输入端，即缓冲放大器BUF的同相输入端in+接收基准电阻Rbase的输出端电压bn、反相输入端in-接收基准电阻Rbase的输入端电压bp，缓冲放大器BUF输出端输出的信号BUF2为基准电阻Rbase的输出端电压bn、输入端电压bp之差，BUF2＝bn-bp，该信号BUF2经放大器AMP放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号Bn经中央处理器CPU送入存储器存储；

d)、中央处理器CPU的控制信号输出端对交叉开关MUX的控制信号输入端输送控制信号，控制交叉开关MUX的第一输出端连接待测电阻Rs的输入端、第二输出端连通待测电阻Rs的输出端，即缓冲放大器BUF的同相输入端in+接收待测电阻Rs的输入端电压sp、反相输入端in-接收待测电阻Rs的输出端电压sn，缓冲放大器BUF输出端输出的信号BUF3为待测电阻Rs的输入端电压sp、输出端电压sn之差，BUF3＝sp-sn，该信号BUF3经放大器AMP放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号Sp经中央处理器CPU送入存储器存储；

e)、中央处理器CPU的控制信号输出端对交叉开关MUX的控制信号输入端输送控制信号，控制交叉开关MUX的第一输出端连接待测电阻Rs的输出端、第二输出端连通待测电阻Rs的输入端，即缓冲放大器BUF的同相输入端in+接收待测电阻Rs的输出端电压sn、反相输入端in-接收待测电阻Rs的输入端电压sp，缓冲放大器BUF输出端输出的信号BUF4为待测电阻Rs的输出端电压sn、输入端电压sp之差，BUF4＝sn-sp，该信号BUF4经放大器AMP放大后送入A/D转换器进行A/D转换，A/D转换后的信号Sn经中央处理器CPU送入存储器存储；

f)、中央处理器CPU从存储器中调取Bp、Bn、Sp、Sn，计算中间数据Rb1＝Bp-Bn，Rs1＝Sp-Sn，根据得到的Rb1、Rs1，计算待测电阻Rs的阻值Rs＝K·(Rs1/Rb1)，其中，K为校准系数；

g)、结束本次测量。

8.如权利要求7所述的精密电阻测量方法，其特征在于：该方法的步骤a)中还包括调整校准系数K的步骤：调整校准系数K，使K值接近基准电阻Rbase的阻值Rb。

9.如权利要求7或8所述的精密电阻测量方法，其特征在于：所述基准电阻(Rbase)选用温漂系数＜5ppm/℃的电阻。

10.如权利要求9所述的精密电阻测量方法，其特征在于：所述基准电阻(Rbase)的阻值等于待测电阻Rs阻值范围的中间值。