高精度直流微電阻測試儀的硬件系統設計

本章主要對高精度微電阻直流測試儀的硬件系統進行設計。下面著重從本硬件系統的創新點、整體設計思路、誤差分析及圍繞各個環節的誤差源解決方案來展開。

本文中的高精度微電阻測試儀，以單片機89E58芯片為核心，82C55及8155作為并行口擴展芯片，采用了恒電流電源技術和四端子接線方式，利用高精度、低噪聲的OP177芯片作為運算放大器，及ADS78O5作為A/D轉換芯片，能夠有效地減小了測量誤差，提高了測量精度。

本硬件系統有兩個創新點：

1.高性價比處理。本微電阻測試儀在方案討論初期就定下個重要的目標就是要設計制作成為低成本、高精度、便以產業化生產的測試儀，微電阻測試儀的用途廣泛，其運行環境差異很大導致這種儀器的損壞、長時間運行后的高精度保證率下降，則需進行更換。為了用戶降低成本，首先得使生產廠家降低生產成本，在設計中大量的選用了低成本、穩定性高、通用型的芯片，如89E58單片機、ADS7805型A/D轉換器、szess及5155并口、OP177運放等，而不是選用集成度高、穩定性低的其他芯片。

2.接地部分處理。傳統的測試儀的只是把模擬地和數字地分開來接地，兩者之間未接電阻，這樣會導致抗干擾能力差一些，對測試儀的精度也會有所影響。

而本測試儀把模擬地和數字地用Zko的電阻連接起來再接地，經實際調試運行情況來看，抗干擾能力有所增強，從而提高了測量的精度，這是本微電阻測試儀的一個亮點。

高精度微電阻測試儀的整體設計

硬件組成結構

系統主要分為數字電路模塊、模擬電路模塊和電源模塊。其中數字電路模塊主要實現系統控制、模擬信號A/D轉換、數碼顯示和與PC機通信功能。模擬電路模塊主要實現恒流源、信號放大及濾波功能。電源模塊為數字電路和模擬電路提供電源。如圖3.1所示：

硬件系統誤差分析

硬件部分的系統誤差主要由量化誤差與模擬誤差組成，即由A/D轉換的量化誤差、放大器等的線性誤差組成的量化誤差及由恒流源誤差、溫漂及增益誤差組成的模擬誤差構成。

數據采集系統中的元器件很多，從數據采集、信號調理、模/數轉換、直至信號輸出，要經過很多環節，其中既有模擬電路，又有數字電路，各種誤差源很復雜，總體來說數據采集系統的誤差主要包括模擬電路誤差、采樣誤差和轉換誤差等。

模擬電路的誤差主要來自放大器的誤差，其非線性誤差、增益誤差、零電位誤差都應該在計算系統誤差時被考慮進去。模擬線性光藕元件有一定的非線性誤差，在考慮系統誤差時也是要進行考慮的。

A/D轉換器是數據采集系統中的重要部件，它的性能對整個系統起著至關重要的作用，因此它是系統中的重要誤差來源。A/D轉換器的誤差可以分為兩部分。

一是A/D轉換器的靜態誤差，它包括量化誤差、失調誤差和非線性誤差。

A/D轉換器的靜態誤差為上述各主要誤差的組合，根據不同的器件及不同的使用環境其數值是不一樣的。二是A/D轉換器的速度對誤差的影響。在數據采集系統的通過速率中，A/D轉換器的轉換時間占有相當大的比重。選擇A/D轉換器時，

必須考慮到轉換時間滿足系統通過率的要求，否則會產生較大的采樣誤差。

另外由于要采集的電信號非常小，所以外界環境產生的干擾信號所產生的誤差也是要加以考慮的。

根據分析，綜合誤差。可用公式表達為：

綜上所述，系統硬件部分的誤差主要包括以下5個誤差源：恒流源、放大電路、A/D轉換器、光耦隔離和外界環境等。因此，需要在設計硬件系統時特別注意消除上述的幾個重要誤差源，在下文中將重點解決這些硬件系統電路所存在的誤差源。

恒流源、數據采集放大部分設計

恒流源電路由脈寬調制開關穩壓控制電路和功放電路組成 。

由精密基準電壓源和高性能運放組成，向被測電阻提供精確的測試電流 。

采用以運放和復合放大系統為核心技術的恒流源設計，恒流源主要由采樣電路、控制電路、比較電路和放大電路四部分組成。

電阻測量分為五個測試檔：

因為A/D轉換器的飽和電壓為5v，其有效電壓的范圍為。一5v，首先我們定每個量程的最大測量電阻的放大倍數為100倍，則其輸入電壓為5v/100=0.05v，當我們調至量程1時，其最大測量電阻為l99.99m歐.，則其測量電流為0.O5V/199.99m歐=250.0125mA；當我們調至量程2時，其最大測量電阻為1.9999.，則其測量電流為0.05v/1.99“。=25.oo125mA.其他的各量程的測試電流依上述的公式來確定分別為：量程3：2.500z25oA，量程4：0.2500125mA，量程5：0.02500125mA.