基于MSP430的微電阻測試儀的設計

張安莉， 謝 檬， 王 娟

(西安交通大學 城市學院，陜西 西安 710018)

基于MSP430的微電阻測試儀的設計

張安莉， 謝 檬， 王 娟

(西安交通大學 城市學院，陜西 西安 710018)

傳統測量微電阻的方法操作繁瑣，且引線電阻和觸點電阻對測量結果影響較大。本文設計的基于交流恒流源激勵的微電阻測試儀由交流激勵源、數字移相電路、信號調理電路以及A/D轉換與顯示電路等四部分組成。微電阻由交流激勵源注入交流信號后通過高阻低噪聲運算放大器AD620提取響應信號，再經過鎖相放大電路測得其真實的響應電壓，鎖定后的信號克服了內部噪聲和外部電磁干擾的影響，能夠實現對微小電阻的準確測量。通過對樣機的測試和比對標稱值，該測試儀工作穩定，具有較高的測量準確度，方便攜帶和使用。

信號處理； 微電阻測量； AD630鎖相環； 低功耗

0 引 言

在工業生產和科學研究中，經常遇到微小電阻的測量問題，也經常把電阻率測量當成一種對材料的結構和物質形態變化進行監測的手段[1]。例如，在軍事、工業和民用中對蓄電池內阻的測量。蓄電池的內阻大小是反映它能否正常提供電流輸出的重要參數。由于蓄電池內阻為mΩ級，一般的指針和數字萬用表無法測出[2，3]。微電阻測量的傳統方法有電橋法和直接測量法[4]。電橋法測量較準確，但這種測量方法操作繁瑣，不能在線測量且無法直接讀出被測電阻阻值。直接測量法簡單快速，但它不能克服引線電阻和觸點電阻對測量結果的影響，不宜于用在測量微小電阻的場合[5]。為了方便在現場進行快捷、準確的測量，滿足工程實際應用的需要，本文設計了一種基于交流恒流激勵的微電阻測試儀。通過將交流恒流激勵源經探針與待測電阻串接，有效地克服了探針引線電阻和接觸電阻。選用AD620高阻低噪聲放大器，減小探針與被測電阻的引線長度，以改善接觸電阻對輸出響應電壓的影響，提高了測試準確度。

1 微電阻測試儀的硬件結構

1.1 測試儀結構

微電阻測試儀測量的微電阻為mΩ級，采用常規的兩端子測量方法測量誤差較大，設計采用四端子測量方式。測量時兩端子施加頻率為1 kHz的恒定交流激勵電流信號，另兩個端子用于測量。測試儀結構框圖如圖1所示，響應信號是指蓄電池注入交流恒流源后，在其兩端測出的交流電壓信號，壓控恒流源的輸入信號為由D/A產生的正弦信號。

圖1 微電阻測試儀結構框圖

1.2 供電電源的設計

測試儀的供電電路分別采用±5，±9,3.3 V供電。±9 V電源主要為功率放大電路供電，其工作電流大，電源輸出功率穩定，系統采用4個4 700 μF電容并聯充分濾波，以保證功放電路供電電源的純凈。3.3 V用于MSP430G2553單片機及DAC7811芯片供電，采用LM1117—3.3穩壓芯片進行穩壓。

1.3 交流恒流源的設計

為了獲得足夠大的微電阻感應電壓，一般對于容量為數百Ah的蓄電池，40 mV就可以滿足測試需求[6]。為了保證內阻有較高的測量精度，要求電流源有足夠的穩定度，并且波形失真度要小。交流恒流源采用TIP122和TIP127達林頓管組成互補推挽式OTL功率放大電路，采用電流負反饋法產生精確交流恒流源法，交流恒流源電路原理圖如圖2。

圖2 交流恒流源電路原理圖

1.4 AD620微弱信號放大電路

系統采用高阻差分AD620儀表放大器構成微弱信號的前置放大電路，原理圖如圖3所示。由于前置放大器的高阻特性能夠克服測試系統引線電阻的影響，但其高阻特性也是將噪聲引入測量系統的主要方式。

圖3 前置放大電路原理圖

AD620儀表放大器由三個放大器共同組成，固定電阻為R，通過調整Rx來調整放大的增益值，其關系式如式(1)所示，使用時需注意避免每個放大器出現飽和現象

(1)

1.5 二階低通濾波器的設計

系統采用OP07構成的巴特沃斯二階低通濾波器。由一級RC濾波環節以及反相比例運算電路組成，其中10μF電容接至輸出端，引入適量的負反饋，改善幅頻特性，220μF電解電容使AD630的脈動直流信號更加平滑。低通濾波之后加了跟隨器，降低A/D的輸入電壓。

1.6 顯示電路的設計

顯示電路采用MSP430G2553單片機作為控制器，將調理電路輸出的信號送入單片機的I/O口進行A/D轉換，結果通過QC12864B液晶顯示器進行顯示。

2 微電阻測試儀的軟件設計

2.1 數字移相功能的程序設計

測試儀采用1kHz的交流電流作為注入電流，使用MSP430單片機編程實現頻率穩定的1kHz正弦信號，并經整形后實現0°～180°的掃描移相功能，作為鎖相放大電路的參考信號輸入。軟件流程圖如圖4所示。

圖4 數字移相程序流程圖

2.2 A/D轉換程序

A/D轉換程序在測量電池內阻的過程中，系統工作在兩種狀態。當ENA引腳為低電平時，系統處于測量狀態，MCU和外圍電路都處全速運行狀態；當ENA引腳為高電平時，MCU處于低功耗狀態和外圍電路供電關斷，并且全速狀態的時間相當短，系統工作在突發狀態。

2.3 LCD12864顯示程序設計

系統采用QC12864B液晶模塊作為單片機人機對話中的顯示模塊，主要實現顯示A/D轉換結果以及顯示操作提示的功能，是含有簡體中文字庫的點陣圖形液晶顯示模塊。LCD顯示子函數流程圖如圖5所示，主要包括了LCD初始化程序,漢字顯示程序,ASCII碼顯示程序,混合式字符串顯示程序等。

圖5 LCD顯示子函數程序流程圖

3 系統的測試及結果分析

測試儀器：選擇精度達0.05 %的專用阻抗測試儀和本測試儀。

測量方法：采用比對測試，采用所設計的微電阻測試儀對購買的標準電阻進行測試，通過多次測量取平均值的方法。將二者進行比較，得到修正系數，并將修正系數記錄在MSP430的存儲器中，以便測試儀在測量過程中實時修正。

測試對象：分別選用新購買的阻值范圍10～100 mΩ的電阻。

測試過程：將激勵源產生的1 kHz交流信號注入0.1 Ω電阻中，測試電阻兩端的交流信號，觀察被測電阻兩端的響應信號。

測試結果：分別測得待測電阻的標準值和測量值，計算出絕對誤差和相對誤差，測試結果分析見表1。

表1 測試結果分析

測試結論：由表1中測試數據分析可知，測試系統基本能夠達到設計要求，系統能夠對10 ～100 mΩ電阻進行測量，測試性能穩定。

誤差分析：測試系統的誤差，還可以采用一定的措施加以改進，以減小系統的測量誤差，提高系統的測量準確度。

1)對AD采樣算法進行濾波處理以，剔除在采樣過程中產生的誤差數據。

2)采用標準微電阻測試儀器對系統進行校準，盡量多采集一些數據，取平均值作為標定值，降低系統誤差。

4 結束語

本文所設計的微電阻測試儀選用1 kHz交流激勵源，克服了交流注入法因50 Hz工頻信號對測試設備產生的干擾；響應信號由高阻低噪聲前置放大器放大，調理電路采用集成鎖相放大技術，有效地抑制了噪聲和外界干擾。測試儀采用分檔位測試的方法，利用自動移相代替手動移相，使測試儀更智能化，同時降低測試系統的功耗，優化系統性能，使測試系統能夠支持電池供電，便于操作和使用。通過對樣機的測試和比對標稱值，結果表明：該測試儀工作穩定，具有較高的測量準確度，方便攜帶和使用。

史 翔，張岳濤，王曉剛．基于AT89C51單片機微電阻測量系統．甘肅科技，2007，23(8)：31-32，216．

權曉紅．基于AVR單片機的微電阻測試儀研究．自動化與儀器儀表，2015，185(3)：20-20，23．

申忠如，郭福田，丁 暉．現代測試技術與系統設計．西安：西安交通大學出版社，2006．

張 朵，許宜申，吳茂成,等．基于四線測量法的智能微電阻測試儀設計．電測與儀表，2015，52(10)：29-34，55．

王德銀，張 晨．MSP430系列單片機實用C語言程序設計．北京：人民郵電出版社，2005．

王 冰，唐勝武，劉 慧．基于LabVIEW的鉑電阻器自動測試系統．傳感器與微系統，2012，31(12)：124-125，129．

Design of micro resistance testing instrument based on MSP430

ZHANG An-li, XIE Meng, WANG Juan

(Xi’an Jiaotong University City College,Xi’an 710018,China)

Operation of traditional methods of micro resistance measuring are complicated,and it has great influence on result of the micro resistance testing. The designed micro tester AC constant current source excitation based on the tester by AC excitation source,digital phase shifter circuit,signal conditioning circuit and A/D conversion and display circuit is composed of four parts. Micro resistance by AC excitation source into AC signal through high impedance low noise amplifier AD620 to extract the response signal,and then after AD630 phase-locked amplifier circuit which measured the true response voltage signal after locking to overcome the influence of noise and external electromagnetic interference in a large extent,can realize the accurate measurement of small resistance. Through the test and comparison of the prototype nominal value,results show that the instrument works stably,has high measuring accuracy,convenient to carry and use.

signal processing； micro resistance testing； AD630 PLL； low-power consumption

2016—07—15

10.13873/J.1000—9787(2017)06—0112—02

TP 216

A

1000—9787(2017)06—0112—02

張安莉(1974-)，女，講師，從事電子技術及信號處理工作。

謝 檬(1982-)，女，通訊作者，副教授，從事測控技術與儀器及智能儀器的設計工作，Email：123428296@qq.com。