基于MCS1210精密电阻仪的设计与实现

杜 军，杜 乾

（1.第二炮兵工程大学士官学院，山东 青州 262500；2.96203部队，河南 洛阳 471000）

精密电阻的测量关键要解决高精度恒流源和精密电压准确、分辨率高的电压检测系统。如果流过被测电阻电流太小，在电阻上产生的压降很小，则对检测电路的设计提出更高的要求；如果选择电流过大，电阻将产生焦尔热，大多电阻对温度敏感，影响测量精度，尤其是电爆螺栓、电爆管等，在使用时都要进行配对测试，测量电流控制不好，则会有潜在危险。因此，设计一款检测电流很小且可手控的精密电阻测试仪十分必要。

新型多功能单片机的出现，使这一复杂问题简单化。使用MSC1210为控制核心研制的精密电阻测试仪，恒流输出最小为50 nA，步进为1 nA，恒流输出最大为63.5 mA，电压检测通道最高分辨电压为1 nV，满足特殊精密电阻测量的要求。

1 系统硬件设计

系统由精密电压测量通道和精密恒流输出通道2大部分组成，系统结构框图如图1所示。采用四线电阻测量法，可以克服线路阻抗对测量的影响。

1.1 核心器件选择

MSC1210是新型多功能微处理器（简称 MCU），内核与 8051系统兼容，但速度快 3倍速，RAM 1 280 B，闪存32 KB，集成了具有输入缓冲、数字滤波、增益自动校正功能的可编程放大器，放大倍数在1～128可调，温漂小于 1.255 ppm/℃；8通道 24 bit低噪声高精度 A/D转换器和可编程看门狗定时器等电路。

虽然MCU内部集成有2.5 V的高精度电压基准源，为了便于数值运算，使用了外置的电压基准REF191，稳定电压为 2 048 mV，最大误差为±2 mV，最大温度漂移小于 5 ppm/℃。

AD5061是一款性价比极高的16 bit D/A转换器，最大温漂小于20 ppm/℃，8脚SOT-23封装，有标准的SPI接口，能够满足该系统需要。内部功能如图2所示。

图2 AD5061功能框图

1.2 电路系统设计

1.2.1 恒流源电路设计

对精密电阻进行准确测量，恒流源的精度至关重要。而影响恒流源精度的要素是电压/电流转换和恒流输出驱动电路的设计。恒流源电路如图3所示。

图3 恒流源电路图

AD5061在MCU控制下工作。当写入代码“0”时，Vin输出0 V，写入65535时，则 Vin输出 2.048 V。代码变化1位，输出电压变化 31.25 μV。

IC4A、BG1、R3和R6构成第一级具有深度负反馈的电压电流转换电路。VMOS三极管为电压控制器件，源极、漏极与栅极绝缘的，在本电路中流经BG1漏极与流经源极的电流Ι1完全相等，不像普通三极管，基极电流影响测控精度。当AD5061输出Vin后，BG1源极电压Vs1维持与Vin相等，当漏极电流增加时，则源极电压增加，反馈到IC4A的反相输入端，使IC4A输出端电压降低，使BG1栅极电压降低，从而强制通过BG1电流Ι1减少，维持VS1与 Vin相等。

IC4B和BG2构成恒流功率输出，工作原理与第一级电压电流转换电路相同。根据电路，I1×R3=I2×R9，输出电流

由式（1）和（2）得：

如果 R6=R3，则：I2=Vin/R9。

由式（3）可见，只要基准电压稳定并选择好 R9、R6、R3，就能使输出电流稳定。

电路中 R6=R3=1 kΩ，选用金封金属箔电阻，R9=31.25 Ω，锰铜线自绕。

1.2.2 精密电压测量电路设计

由于测量电流非常微小，在被测电阻上产生的电压也是很微弱，为了准确提取有用的信号，要增大放大电路放大倍数，并提高A/D转换灵敏度。

首先通过MCU内部功能寄存器设定放大为差动输入，AIN0为 CH0 通道的“+”，AIN1 为 CH0 通道的“-”，用于检测被检电阻的电压；AIN2为 CH1通道的 “+”，AIN3为CH1通道的 “-”，用于检测流经被测电阻的电流，为稳定恒流输出形成大回路闭环控制。

通过MCU内部功能寄存器开启输入缓冲，提高输入阻抗，减少对被测电路的影响；开启SinC3数字滤波器，降低系统和外部输入噪声影响；开启自动校正功能，克服放大增益误差、偏移的影响。

放大器有 1、2、4、8、16、32、64、128 8 挡放大倍数，系统自动选择放大倍数，当CH0通道A/D转换值不足2 V时，放大倍数自动增加，直到最大。也可手动设置。而CH1通道参数固定，A/D转换值与设定值相比较，用于修正输出电流。R1是电流采样。

继电器K是本系统特设，用于校准输出电流和静电放电。

按键扫描电路和显示驱动电路不再详述。

2 软件设计

软件采用Keil C51编写，使用模块化结构。主要有LCD显示、按键扫描、A/D转换、驱动AD5061进行D/A转换和数据处理等，其主程序逻辑结构如图4所示。该系统应用之一就是武器系统的电爆管的测试。对电爆管测试前，根据电爆管参数要求，设定检测电流，等稳定后，接入系统进行测试。

图4 主程序逻辑结构

精密电阻仪样机完成后，进行整机调试、环境实验、计量检定等实验，性能良好，参数稳定，输出电流最大误差为±5 nA，电爆管电阻的最大相对误差小于0.1%，满足设计要求。该系统成本低、精度高，应用范围宽，有较高的推广价值。

[1]Texas Instruments.MSC1210 debugging strategies for highprecision smart sensors[EB/OL].http：//www.ti.com.cn/cn/lit/an/slyt110/slyt110.pdf.

[2]马忠梅，籍顺心，张凯，等.单片机的 C语言应用程序设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，1999.

[3]宏晶科技.STC12C5410系列单片机用户手册[EB/0L].（2008-08-15）[2009-05-05].http：//www.mcu-memory.com.

[4]徐龙红，杜军，张红印.线阵图像传感器 TCD1208AP在桑蚕选种中的应用 [J].电子设计工程，2011，19（6）：125-127.

[5]杜军.提高嵌入式系统可靠性的探讨与实践[J].单片机与嵌入式系统应用，2006（4）：15-16.