基于四線接線法的微電阻測量電路設計

王磊

（電子科技大學 電子科學與工程學院，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在一起，電流源驅動兩個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 設計思路

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線電阻在內的各種干擾，能夠達到極高的精度。由于本次待測量微電阻阻值為微歐到毫歐級別，考慮到模擬運放放大倍數過大會帶來額外失調電壓和噪聲，因此在設計方面傾向增強電流源驅動能力，本次電壓控制電流源輸出電流大于300mA。電流源驅動微小電路后一路直接送入單片機做數字相敏檢波處理，另外兩路送入正交的兩個模擬乘法器做模擬相敏檢波。在設計中采用單片機自帶ADC，32MHz 外部晶振作為系統時鐘，以200kHz 的采樣頻率對1.6kHz 的正弦信號進行采樣，即每個正弦周期采樣120 個點。對于模擬數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 驅動AD9958 產生測量信號與相干信號。

設計核心在于電流源驅動電路、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代碼實現的數字相敏檢波算法。

模擬乘法器型相敏檢波器以AD835 芯片為核心進行設計。乘法器AD835 芯片有著較高的乘法計算精度，能夠進行四象限乘法運算，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，單片機采用后即可通過開平方算出幅度信號。

MSP430 單片機是一個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[3]：

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

（2）強大的數字處理能力：一個周期執行一個命令，MSP430 單片機指令速度可高達25MIPS。

（3）系統工作穩定：數字控制振蕩器啟動CPU，保證程序從正確位置開始執行，看門狗定時器讓單片機出現死機時能夠自動重啟。

最后采用MSP430F5529 芯片。電路設計分為兩大模塊：發送模塊和接收模塊，接收模塊：DDS 驅動模塊、濾波模塊、電壓控制電流源模塊。發送模塊：電子開關選通模塊、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。

2 電路設計

整個系統的電路結構如圖1 所示，包括供電系統、發射電路、接收電路。

圖1 整體框架

■2.1 電源電壓轉換模塊

本文的電路是蓄電池12V 來進行設計的，由于電路中各個模塊的芯片的工作電壓可歸為-12V、5V、3.3V、1.8V，所以電源電壓轉換模塊分別為12V，12V 轉5V 以及5V 轉3.3V，+5V 通過高精度電阻分壓產生1.25V 作為偏置電路的參考電壓。3.3V 轉1.8V，3V 轉-12V，其中±12V 作為電壓控制電流源供電極為重要，采用TI 官網的TPS63700 升壓芯片產生-12V。整個系統供電如圖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 電路實物圖

■2.2 DDS 驅動模塊

通過單片機驅動DDS 模塊產生預期的正弦信號，然后輸入給模擬信號處理模塊。AD9958 內部擁有10 個寄存器。本模塊采用單bit 串行模式進行數據寫入，實現對AD9958片內寄存器的配置。每次傳輸16bit 的數據，其中前8bit指令周期，其中I7 決定數據的讀寫模式，I0～I4 是寄存器的地址，后8bit 是寄存器中的數據。

根據數字相敏通過MATLAB 進行數據框架搭建，然后對采樣電進行仿真處理，發現在單片機的采樣率為200kbps 時，正弦波信號1.6kHz 是一個比較合適的頻率。通過對相應的寄存器寫指令便可得出相應幅度相位正弦波，本系統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的核心模塊，一個精度高、驅動能力強的電流源對系統整體性能起著至關重要的作用。DDS 信號出來后由于驅動能力不足，不足以驅動毫歐級別電阻，因此需要設計驅動電路，加大電路的電流輸出能力。本次系統電流源模塊是通過MOS 管和運放來搭建電壓控制電流模塊。利用運放的負反饋，根據虛短虛斷以及電壓跟隨器的性質可得輸出電流為輸入電壓與電阻R10 的比值，再通過MOS 管進行增加電路的電流驅動能力，使其最后的電流輸出達到400mA 左右。此電壓控制電流源通過調節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串聯電路負載，如圖中R11，驅動負載并產生正比與負載阻值的正弦電壓，提取出負載兩端幅值，將其與參考阻值幅值進行比較，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。

由于信號為一個正弦波信號，因此電流源輸出驅動端由推挽式P 溝道和N 溝道兩種MOS 管構成，當正弦信號處于負半軸時，P 溝道作為主要反饋端，與運放構成負反饋，強制使輸出電流按標準電阻的阻值決定；當正弦波處于正半軸時，N 溝道作為反饋端，與運放構成負反饋。

■2.4 差分放大與濾波模塊

由于恒流源在不超過工作的負載功率范圍內，能提供恒定大小的電流源，所以導線電阻對于恒流源電流大小沒有影響。恒流源流經串聯電阻，在串聯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線上存在導線電阻，雖然測量電壓信號的導線上也有導線電阻，但是電路中的差分放大器對其進行差分放大檢測之后得出被測電阻兩端的電壓，而且這個電壓信號跟導線電阻無關，所以這種方法就完全規避了測量過程中的導線電阻。由于恒流源的驅動強度很高，并且可調，因此能夠測量不同范圍內的微電阻比值，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。根據增益公式A=1+10000/R,可以通過選取R 來設計放大倍數。由于本次電流源電流為300mA 左右，驅動1mΩ 電阻得到300μV 左右正弦幅度，因此設計增益為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，一般還有毫不相關的帶外噪聲。如果僅僅對檢測腐蝕電阻輸出的信號進行儀表放大，不進行濾波處理，很大程度上，會加大后續數字信號處理的難度。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行分析。最后將帶寬定位1kHz。

■2.5 模擬檢波電路

根據積化和差公式可知，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，再經過低通濾波器輸入給單片機。

本系統采用ADI 公司的AD835 模擬乘法器以及低噪聲運放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 實驗室電路測試分析

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

經測試，首先電路在MSP430 單片機的控制下輸出正常正弦波波形，正弦波經過電壓控制電流源驅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，經過低通濾波器之后為直流信號，根據示波器讀出直流信號幅度。

根據仿真，模擬數字相敏檢波結果與理論值匹配，最后經過低通濾波器后提取幅度信號，輸入到單片機的值與正弦波幅度匹配，都為820mV 左右。

4 結語

本文設計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、串口指令調試三個功能，為微電阻測量電路提供一種設計思路。