低測試電流的微電阻測量系統研究

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的整體架構，深入探究了系統硬件、軟件的設計思路與方法，具有一定的指導意義與參考價值。

關鍵詞：低測試電流；微電阻；測量系統

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

0 引言

在實際工程應用過程中，通常都需要測定出具體高導電材料的電阻大小。并且，在進行科研工作時，電阻率的測量也是對相關材料結構、物態變化進行有效監測的重要方法。然而，因為大部分金屬試樣都受到幾何尺寸限制的影響，電阻值都會較小，通常僅為幾微歐甚至是更低，因此對其進行精確測量難度較大。目前，有關低測試電流的微電阻測量系統的研究已經成為了國內外學者關注的重點與熱點。

1 系統整體架構

一般來說，進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，采用歐姆定律進行相關計算與分析，得出相應的電阻。因為電阻的阻值大小是微弱信號，因此在整個系統中不僅僅需要設計精度較高的電壓電流采集系統，對測量時有可能造成噪音干擾以及相關誤差的原因也應當認真分析，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主要由變頻電源模塊、弱信號調理模塊以及主芯片模塊等構成，圖1為整個系統的主要架構圖。

2 系統硬件設計

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“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的LC 濾波器進行轉換，從而達到輸出頻率與電壓能夠有效控制的交流電源的目的。

2.2 弱信號調理模塊

在弱信號調理模塊中主要分為四大部分，分別為：A/D 轉換模塊、低噪聲前置放大器、低通濾波電路以及鎖相放大電路。因為在進行微電阻測量時其精度要求相對較高，因此A/D 轉換模塊選擇采用AD7767。其動態范圍和輸入帶相對較寬，且芯片中的集成數字濾波器能夠幫助消除部分噪聲。另外，其有利于信號輸入前濾波要求的降低。對于放大器，因為結型場效應管要求具有高輸入阻抗、低噪聲系數以及小柵源電容特性，因而前置放大器采用結型場效應管直接耦合連接成的電壓負反饋放大電路。在鎖相放大電路中采用了AD630元件，其屬于高精度平衡調制器。包括鎖相放大、平衡調制解調器、方波乘法計算、相敏檢測、以及正交檢測等都是AD630元件信號處理使用的范圍。

3 系統軟件設計

3.1 主芯片軟件的設計

對于下位機主芯片軟件的設計，有四點主要工作內容：①對于讀寫EEPROM，其設計時要注意初始化 EEPROM以及讀取、存儲相關的預設參數。②對于控制 A/D芯片，其工作內容主要涉及對采樣頻率進行設置、控制A/D采樣芯片開始和停止的采集、接收 A/D采樣數據以及SPI通訊的初始化等。③對于數據處理，應當以有關的檢測原理的信號分析為依據，并采用最小均方差自適應算法對數字進行濾波，在得出處理分析后的電流與電壓信號之后，選擇性提取有用的成分，從而優化測量的結果。在此基礎上再按照歐姆定律算出電阻。④對于通訊功能，可以有效結合RS232來達到和顯示設備通訊的目的，可以對數據包結構進行自定義，并配置合理的SCI 模塊。

3.2 變頻電源模塊軟件的設計。

變頻電源可以采用脈寬調制技術實現對三相橋式逆變器的控制，從而達到調整輸出頻率與幅值，形成相對穩定的三相正弦信號的目的。其可以實時監控電壓信號與電流信號，如果出現了欠壓或者是過壓現象，則可以及時切斷三相逆變橋的輸出，從而保護電源模塊。其中的壓頻開環控制子程序是通過TIM1上溢中斷觸發實現的，圖2給出了其基本流程。

4 結語

本文基于歐姆定律對低測試電流的微電阻測量系統進行設計，其采用了雙相鎖相放大技術對微電阻上的弱電壓信號、弱電流信號進行采集、分析，并將微弱電壓信號從低性噪比環境中提取出來，再充分利用自適應濾波技術排除了噪音的干擾。這種方式對于微弱信號的精密測量效果明顯，且滿足實際應用的要求。

參考文獻：

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