CN111090006A

CN111090006A - 一种基于微弱信号的小电阻测量装置

Info

Publication number: CN111090006A
Application number: CN201811237425.9A
Authority: CN
Inventors: 徐佳宏; 张龙
Original assignee: Shenzhen Ipanel TV Inc
Current assignee: Shenzhen Ipanel TV Inc
Priority date: 2018-10-23
Filing date: 2018-10-23
Publication date: 2020-05-01

Abstract

本申请公开了一种基于微弱信号的小电阻测量装置，包括：信号发生模块，用于由RC桥式振荡电路产生一个频率已知、峰值已知的正弦信号；测量电路模块，用于根据正弦信号得到待测电阻两端的正弦信号；锁定放大器模块，用于将待测电阻两端的正弦信号与参考信号完成乘法运算，得到直流信号；处理模块，用于将直流信号进行ADC转换，得到数字量，将数字量与当前量程档对应的数字量进行匹配，若匹配成功，则计算出所述待测电阻的阻值；量程转换模块，用于当数字量与当前量程档对应的数字量不匹配时，自动切换量程档。本申请能够提取出待测电阻两端微弱的正弦电压信号，且能够判断当前待测电阻的阻值与量程档是否匹配，当不匹配时，能够自动完成量程档的切换。

Description

一种基于微弱信号的小电阻测量装置

技术领域

本申请涉及电阻测量技术领域，尤其涉及一种基于微弱信号的小电阻测量装置。

背景技术

目前，传统的测量电阻的方法主要有伏安法、等效替代法、电桥法等，在测量小电阻时，容易存在较大的误差。并且，在传统的用万用表测量电阻时，都需要人为选择量程档位，操作复杂。

发明内容

有鉴于此，本申请提供了一种基于微弱信号的小电阻测量装置，能够根据被测电阻的阻值所属的不同量程档位，进行有效的交流放大，且能够实现量程档位的自动切换。

本申请提供了一种基于微弱信号的小电阻测量装置，包括：

信号发生模块，用于由RC桥式振荡电路产生一个频率已知、峰值已知的正弦信号；

测量电路模块，用于根据所述正弦信号得到待测电阻两端的正弦信号；

锁定放大器模块，用于将所述待测电阻两端的正弦信号与参考信号完成乘法运算，得到直流信号；

处理模块，用于将所述直流信号进行ADC转换，得到数字量，将所述数字量与当前量程档对应的数字量进行匹配，若匹配成功，则计算出所述待测电阻的阻值；

量程转换模块，用于当所述数字量与当前量程档对应的数字量不匹配时，自动切换量程档。

优选地，所述信号发生模块包括RC桥式振荡电路。

优选地，所述测量电路模块包括：参考电阻和所述待测电阻，其中：

所述参考电阻的一端与所述RC桥式振荡电路的输出端相连，另一端与所述锁定放大器模块的输入端和所述待测电阻的一端相连；

所述待测电阻的一端与所述参考电阻的一端相连，另一端接地。

优选地，所述锁定放大器模块包括相敏检波芯片AD630。

优选地，所述相敏检波芯片AD630包括：交流放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路、触发整形电路、移相器电路、方波驱动电路、低通滤波器和直流放大器。

优选地，所述处理模块包括STM32单片机。

优选地，所述量程转换模块包括：继电器、三极管和二极管。

优选地，所述装置还包括：用于显示待测电阻的显示电路。

优选地，所述显示电路包括：LCD显示器。

优选地，所述带通滤波电路包括：滤波芯片UFA42。

综上所述，本申请公开了一种基于微弱信号的小电阻测量装置，包括：信号发生模块，用于由RC桥式振荡电路产生一个频率已知、峰值已知的正弦信号；测量电路模块，用于根据正弦信号得到待测电阻两端的正弦信号；锁定放大器模块，用于将待测电阻两端的正弦信号与参考信号完成乘法运算，得到直流信号；处理模块，用于将直流信号进行ADC转换，得到数字量，将数字量与当前量程档对应的数字量进行匹配，若匹配成功，则计算出所述待测电阻的阻值；量程转换模块，用于当数字量与当前量程档对应的数字量不匹配时，自动切换量程档。本申请能够提取出待测电阻两端微弱的正弦电压信号，且能够判断当前待测电阻的阻值与量程档是否匹配，当不匹配时，能够自动完成量程档的切换。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请公开的一种基于微弱信号的小电阻测量装置实施例1的结构示意图；

图2为本申请公开的一种基于微弱信号的小电阻测量装置实施例2的结构示意图；

图3为本申请公开的交流放大电路的电路拓扑图；

图4为本申请公开的带通滤波电路的电路拓扑图；

图5为本申请公开的相敏检波电路的电路拓扑图；

图6为本申请公开的触发整形电路的电路拓扑图；

图7为本申请公开的移相器电路的电路拓扑图；

图8为本申请公开的方波驱动电路的电路拓扑图；

图9为本申请公开的低通滤波器的电路拓扑图；

图10为本申请公开的量程转换模块的电路拓扑图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

如图1所示，为本申请公开的一种基于微弱信号的小电阻测量装置实施例1的结构示意图，所述装置可以包括：

信号发生模块101，用于由RC桥式振荡电路产生一个频率已知、峰值已知的正弦信号；

测量电路模块102，用于根据正弦信号得到待测电阻两端的正弦信号；

锁定放大器模块103，用于将待测电阻两端的正弦信号与参考信号完成乘法运算，得到直流信号；

处理模块104，用于将直流信号进行ADC转换，得到数字量，将数字量与当前量程档对应的数字量进行匹配，若匹配成功，则计算出待测电阻的阻值；

量程转换模块105，用于当数字量与当前量程档对应的数字量不匹配时，自动切换量程档。

上述实施例公开的基于微弱信号的小电阻测量装置的工作原理是：当需要测量待测电阻的电阻时，通过信号发生模块101提供一个频率已知、峰值已知的正弦信号，经过测量电路模块102中的参考电阻分压后，得到待测电阻两端的正弦信号，作为锁定放大器模块103的输入信号。

锁定放大器模块103将输入的待测电阻两端的正弦信号和另一路输入的参考信号进行乘法运算，利用两个信号同频率同相位的相关性，得到一个与待测电阻两端的正弦信号的幅值成正比的直流信号和若干个交流信号之后，经过滤波后得到直流信号，作为处理模块104的输入信号。

处理模块104接收到输入信号后，将直流信号进行ADC转换后，得到数字量，与当前量程档所对应的数字量进行匹配，若匹配成功，则反推计算出待测电阻的阻值，若匹配失败，则处理模块104控制量程转换模块105，通过量程转换模块105改变锁定放大器模块103中的交流放大器的放大倍数，最终实现量程的自动切换。

综上所述，本实施例能够提取出待测电阻两端微弱的正弦电压信号，且能够判断当前待测电阻的阻值与量程档是否匹配，当不匹配时，能够自动完成量程档的切换。

如图2所示，为本申请公开的一种基于微弱信号的小电阻测量装置实施例2的结构示意图，所述装置可以包括：RC桥式振荡电路201、参考电阻R0、待测电阻Rx、锁定放大器模块202、STM32单片机203、量程转换模块204和显示电路205；其中：

参考电阻R0的一端与RC桥式振荡电路201的输出端相连，另一端与锁定放大器模块202的输入端和待测电阻Rx的一端相连；

待测电阻Rx的一端与参考电阻R0的一端相连，另一端接地；

锁定放大器模块包括相敏检波芯片AD630，相敏检波芯片AD630包括：交流放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路、触发整形电路、移相器电路、方波驱动电路、低通滤波器和直流放大器；

量程转换模块204包括：继电器、三极管和二极管。

上述实施例公开的基于微弱信号的小电阻测量装置的工作原理是：当需要测量待测电阻的电阻时，RC桥式振荡电路201产生一个频率为1KHz，峰峰值为700mV的正弦信号，参考电阻R0采用2千欧的精密电阻，流过待测电阻Rx的电流满足欧姆定律,由于后级模块的输入阻抗近乎无穷大，远远大于待测电阻Rx的阻值，所以流过参考电阻R0的电流近似等于流过待测电阻Rx的电流，于是满足公式(1)：

待测电阻Rx的阻值满足公式(2)：

由于U0和R0已知，由公式(2)可知:只需要利用锁定放大器提取出待测电阻两端的电压UR即可求出Rx的阻值。

具体的，锁定放大器模块202提取待测电阻Rx两端的微弱的正弦电压信号的原理为：

基于相敏检波芯片AD630的锁定放大器来设计，由于其能够提取出微弱的正弦信号的特点，故可以利用锁定放大器模块来提取出待测电阻Rx两端的电压信号。该锁定放大器模块的设计主要由交流放大电路、带通滤波电路、触发整形电路、移相器电路，方波驱动电路、相敏检波电路、低通滤波器以及直流放大器组成。其中，交流放大电路主要对被测电阻两端微弱的正弦信号进行交流放大、带通滤波电路主要是滤除噪声等处理。触发整形电路主要是对正弦信号触发为方波信号，移相器电路主要是完成相位的调节，保证与相敏检波电路的另一路输入信号同相位。相敏检波电路的作用是完成对两路输入信号进行乘法运算，利用两个同频率同相位信号的相关性，可得到一个与待测电阻两端的正弦信号的幅值成正比的直流信号和多个交流信号之和。经过低通滤波器后，即可提取出被测信号。再将低通滤波器输出的直流信号给STM32单片机内置的AD转换器，得到数字量。最后STM32单片机根据每个模块电路的公式，反推计算出待测电阻两端的正弦电压信号的幅值，将其转化为有效值，即可计算出待测电阻的阻值。

具体的，如图3所示，为交流放大电路的电路拓扑，测量电路模块中的正弦信号由RC桥式振荡电路产生一个频率为1KHz、峰峰值为700mV的正弦信号,参考电阻为2千欧，待测电阻的阻值范围为0～2000欧(0-2欧，2-200欧，200-2000欧)，所以经过参考电阻分压后的交流放大器的输入信号的峰峰值为0～350mV,因此，需要对不同幅值的正弦电压信号放大不同的倍数后作为相敏检波芯片AD630的一路信号，因此，需要对不同量程档的电阻设计出不同的放大倍数。由于三个量程档需要设计3个不同的放大倍数(20倍、100倍、800倍)，所以本实施例分两级放大通过级联可实现用STM32单片机任意控制三个量程档的放大倍数。第一级放大20倍，第二级分别放大1倍、5倍、40倍来实现三个量程档放大20倍、100倍、800倍的目的。

具体的，如图4所示，为带通滤波电路的电路拓扑，本电路设计的带通滤波器的中心频率为1000HZ，只允许以中心频率附近的频带范围内的信号通过，而将此频带以外的频率信号进行有效的衰减。由于小信号中参杂了太多的噪声信号及其他信号的干扰，小信号放大的同时，噪声信号和其他的信号也将会被放大。本实施例的带通滤波器选用的是集成滤波芯片UAF42，可以很好的衰减以中心频率为1000Hz附近频带范围以外的其它噪声信号以及其它信号的干扰。

中心频率的计算:由于RC桥式振荡电路产生的频率为1000Hz，由此根据UAF42芯片手册上的公式和电路图计算出UAF42芯片***电路的电阻RF1和RF2的阻值。计算公式为：

由于UAF42芯片内集成了R1、R2、C1、C2，其中R1＝R2＝50K,C1＝C2＝1000pF,W＝2πf所以：

由公式可知：RF1＝RF2≈158K。

具体的，如图5所示，为相敏检波电路的电路拓扑，相敏检波电路的主要作用是用来完成对信号通道的输入信号与参考通道的参考信号的乘法运算，利用两个信号同频率同相位的相关性，得到一个与被测信号的幅值成正比的直流信号和若干个交流信号之和，其中直流信号的值就是其两路同频率同相位的输入信号后的最大值。设被测信号(正弦信号)如公式(3)：

X(t)＝V_sCOS(ω₀t+θ) (3)

参考信号为方波信号，其公式如(4)：

经过相敏检波电路后的输出如公式(5)：

经过低通滤波器后的输出满足公式(6)：

由公式(6)可知，为了使相敏检波电路的输出值达到最大，使相敏检波芯片AD630的两路信号同相位，即θ＝0，由于开关式相敏检波器的输出信号的大小不受参考信号(方波信号)幅值大小的影响，所以经过低通滤波器后的相敏检波器的输出如公式(7)：

具体的，如图6所示，为触发整形电路的电路拓扑，本电路利用开环电压增益的值较高，两输入端之间的输入电阻的值较大，而输出电阻的值较小，而工作在线性区近乎是一条垂直线的特点，可将正弦信号转换为方波信号。由于输入到AD630的两路信号存在180°反相，所以本电路采用反相输入，使输入到AD630的两路信号能通过信号通道中的移相器的调节保证其两路信号的相位相同，这样输出值达到最大且为正值，否则输出的值虽然也达到最大，但为负值，后期还需要增设反相器模块，这样就会违背达到相同的功能，尽可能简化的原则。

具体的，如图7所示，为移相器电路的电路拓扑，本电路采用的是RC移相，可实现参考通道的参考信号与信号通道的被测信号之间相位差0°～180°的相位可调。容易求出电路的传递函数如公式(8)的虚部为负数，而实部会根据R18、R20、W、R、C的值决定其实部是正值还是负值，所以该移相电路的移相角度会出现在第三象限和第四象限内，即可实现0°～180°的移相，当R18和R20的电阻值相等时，如果角频率W的值在1/(RC)左右，且不等于1/(RC)时,移相角度将分别在0～-90°和-90°～-180°这两个范围内移相。其中，公式(8)如下：

具体的，如图8所示，为方波驱动电路的电路拓扑，本电路利用开环电压增益很大的特点，将正弦信号转换为方波信号，信号比较稳定。

具体的，如图9所示，为低通滤波器的电路拓扑，本电路设计的是截止频率为5Hz的低通滤波器，它的作用是滤除交流信号，使带宽变窄，从而可以提取出与待测信号成正比的直流信号。

由公式(9)和公式(10)

ω_c＝2πf(9)

可知，当截止频率为5HZ时，R*C＝0.031831，所以当C＝1uf时，R≈32K。由于输入到AD630的两路信号的相位差为0°，所以两路的输入信号经过AD630后的输出信号是由一个直流信号和若干个交流信号之和,所以本实施例的截止频率是5Hz，其核心功能是滤除交流分量，得到与被测信号成正比的直流信号。

具体的，如图10所示，为量程转换模块的电路拓扑，量程转换模块是STM32单片机通过判断当前被测电阻的阻值与量程档是否匹配，来决定是否控制三极管的导通或者截止来控制继电器线圈的吸合或者释放触点进而控制交流放大器模块的放大倍数，自动完成量程档的切换；本硬件电路的设计主要由4片SRD-09VDC-SL-C型号的继电器，4片s9013NPN型三极管，4片IN4001二极管，以及4千欧,500欧，0欧电阻组成。其原理主要是用STM32f407单片机控制量程转换电路来控制交流放大器模块中的放大倍数从而可以实现在不同量程档下的电阻有不同的放大倍数从而实现量程的自动切换。

若Uo为700mV的Vpp正弦信号,参考电阻Ro为2k,待测电阻为1欧，那么待测电阻两端的电压值近似为0.350mV峰峰值的正弦信号。锁定放大器就需要把这0.350mV峰峰值的正弦信号提取出来，由于待测电阻的阻值在0～2千欧不等，其待测电阻两端的电压也在0-350mV峰峰值不等，锁定放大器若要提取这些正弦信号，在交流放大器部分需要针对不同的量程档设计不同的放大倍数，所以在锁定放大器的交流放大部分需要进行分档，针对不同量程档的阻值范围设计出不同的放大倍数，还要兼顾在本量程档的两个极端值，若选择的量程档为0～2欧，那么STM32单片机就会控制相应I/O口使相应三极管(NPN型)的基极处于导通状态，进而控制相应的继电器线圈吸合触点，从而实现了不同的放大倍数，而STM32单片机同时也会控制其它量程档所对应的I/O口，使其它的三极管处于截止状态，致使相应的继电器线圈释放触点，从而实现了在不同量程档的范围内有不同的放大倍数。

具体的，待测电阻测量的工作原理为：

通过依次测量1000欧、100欧、1欧的电阻来实现该过程。通过理论分析和计算可得到三个量程档所对应的数字量的范围分别如下：0-2欧(数字量0-221)、2-200欧(数字量27-2517)、200-2000欧(数字量503-2766)。

第一步：***上电初始化后，首先通过控制量程转换电路将量程切换到第三档200-2000欧。

第二步：测量1000欧的电阻(此时我们不知道阻值是1000欧)，待测电阻两端的电压信号通过锁定放大器、STM32内置的ADC转换后的数字量是1843，STM32判断该数字量在200-2000欧量程档的数字量的范围内(503-2766)，所以量程继续会保持在该档位，STM32根据各种公式进行相应的运算，将计算出待测电阻的阻值显示到LCD上。

第三步：若再次测量电阻的阻值为100欧，此时量程档处于第三档，放大倍数为20，(尽管100欧是2-200欧的量程档，放大倍数为100)，待测电阻两端的电压信号经过锁定放大器、AD转换后得到的数字量为263，STM32判断经过AD转换得到数字量263不在200-2000欧量程档范围内，就会控制量程转换电路将200～2000欧的量程档切换到2～200欧量程档。此时，待测电阻的阻值处于2-200欧量程档，放大倍数为100，然后，待测电阻两端的电压信号经过锁定放大器、AD转换后的数字量由原来的263变为1316，STM32通过判断该数字量在2-200欧量程档的数字量的范围内(27-2517)，STM32根据各种公式进行相应的运算，将计算出待测电阻的阻值数字显示到LCD上。

第四步：若测量的阻值为1欧，此时量程档处于第二档，放大倍数为100，(尽管1是0-2欧的量程档，放大倍数为800)，待测电阻两端的电压信号经过锁定放大器、AD转换后得到的数字量为11，STM32通过判断其得到的数字量11不在2-200欧量程档的范围内，就会控制量程转换电路将2～200欧的量程档切换到0～2欧量程档。此时，待测电阻的阻值处于0～2欧量程档，放大倍数为800，待测电阻两端的电压信号再次经过锁定放大器、AD转换后数字量由原来的11变为89，STM32判断该数字量在0～2欧量程档数字量的范围内(0-221)，根据各种公式进行运算，将计算出待测电阻的阻值显示到LCD上。

具体的，ADC采用的是STM32f407内置的12位AD转换器每转换60次取一次平均值，然后返回给主函数中的被调用函数。

将经过ADC每转换60次取一次平均值的数字量除以ADC的位数，其商再乘以3.37，即可得到数字量对应的模拟量，由于在相敏检波器模块满足2Vr/π＝输出的模拟量，由此即可反推出输入到相敏检波器输入端的电压信号，由于交流放大器部分放大了一定的倍数，所以将反推出的信号电压再除以相应量程档的放大倍数即可得到待测电阻两端的电压信号值，最后根据测量电路的功能可求出待测电阻的阻值可满足如公式(11)：

用RC桥式振荡电路产生一个频率为1000Hz,峰峰值为700mV的正弦信号给测量电路，通过用三位半的数字万用表测量待测电阻的阻值作为理想的电阻值，本设计所制作的装置测得的待测电阻的阻值作为实际电阻值，测量结果如表4.1所示；

表4.1电阻测量数据

综上所述，假设被测电阻的阻值为100毫欧(RC桥式振荡电路产生一个峰峰值为700mv的正弦信号+2K的参考电阻)，根据分压原理，电阻两端的正弦信号的峰峰值为0.035mv,该装置可以提取出该电阻两端的正弦信号，(提取方法:该正弦信号经过锁定放大器、STM32内置的AD转换得到数字量，根据每个模块电路的公式，可以反推计算出该正弦信号的峰峰值),从而计算出该电阻的阻值；STM32单片机通过判断当前被测电阻的阻值与量程档是否匹配，来决定是否控制相应量程档下(0-2欧，2-200欧，200-2000欧)的三极管的导通或者截止来控制继电器线圈的吸合或者释放触点进而控制交流放大器模块的放大倍数，进行有效的交流放大，来完成量程档的自动切换。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，

而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于微弱信号的小电阻测量装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述信号发生模块包括RC桥式振荡电路。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述测量电路模块包括：参考电阻和所述待测电阻，其中：

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述锁定放大器模块包括相敏检波芯片AD630。

5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述相敏检波芯片AD630包括：交流放大电路、带通滤波电路、相敏检波电路、触发整形电路、移相器电路、方波驱动电路、低通滤波器和直流放大器。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述处理模块包括STM32单片机。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述量程转换模块包括：继电器、三极管和二极管。

8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，还包括：用于显示待测电阻的显示电路。

9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述显示电路包括：LCD显示器。

10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述带通滤波电路包括：滤波芯片UFA42。