基于Tiva Cortex M4的仪用放大及恒流源组合方法电阻测量范围探究

北京邮电大学　林泊安

基于Tiva Cortex M4的仪用放大及恒流源组合方法电阻测量范围探究

北京邮电大学林泊安

由于恒流源法测电阻和INA333具有有别于传统电阻测量方法的特点，仪用放大及恒流源组合方法测量电阻具有独特优势。为探索该方法的应用空间，对其可测电阻范围进行探究并提出可能的改进方案。

仪用放大；恒流源；电阻测量；范围

1　综述

电阻测量是工程实践中的常见环节。常见的电阻测量方法有伏安法、三表发、欧姆表法及电桥法等。而恒流源是模拟集成电路中广泛使用的一种单元电路，在实际中也有着广泛的应用。应用恒流源测电阻具有测量电路简单、快速、准确、便于集成等特点。

INA333 是微功耗零漂移轨到轨精密仪表放大器，具有高共模抑制比，小线性误差，高输入阻抗和低噪声等优点。因此通过仪用放大及恒流源组合方法测量电阻具有独特优势。为了探索该方法的应用空间，下面对其可测电阻范围进行探究。

2　实验原理及方法介绍

2.1实验原理

2.1.1恒流源原理

如图2-1所示，LM285-2-5为2.5V稳压管，故A点电位为5V-2.5V=2.5V。OPA330为运算放大器，依据“虚短虚断”方法分析可知B点与A点电位相同，且对5V电源电压均为V1=2.5V。三极管Q1和Q2构成达灵顿结构，满足放大倍数，因而具有较大的放大倍数，故构成恒流源。恒流值为，也即流经待测电阻的电流值。

图2-1　恒流源原理图

2.1.2仪表放大器（INA333）原理

如图2-2所示，仪表放大器（INA333）用来对待测电阻两端的差分信号差分放大并转换为单端信号输入launchpad。跳线帽JP7可调节INA333的5管脚接地或加偏置电压。3.3V电源及R19提供偏置电压，可经OPA330放大后输入到该管脚。

图2-2　仪用放大原理图

如图2-2所示，INA333 内部由两级放大的三个放大器及 RF 滤波电路组成。前面两个输入缓冲放大器作为第一级来提高放大器输入阻抗，并在第一级的外部通过 RG 提供差分信号的增益（保持共模信号不 变），在第二级（即差动放大器）提供第二次差分信号的增益，并抑制共模信号。

图2-3　INA333结构框图

2.2电阻测量范围估算

2.2.1恒流源法对电阻范围的限制

图2-4　恒流源局部原理图

如图2-4所示，由2.1分析可知B点对5V电压源电压为2.5V，由三极管Q2饱和，Q1导通估算知：

故限制可测最大电阻约为1150Ω。

2.2.2INA333对电阻范围的限制

如图2-5所示，INA333的共模电压与输出电压曲线限制其工作范围为图中三角形区域，共模电压不恰当时，器件将工作在饱和区，无法达到要求的放大倍数。故电阻值不应过大。

函数图像如图2-5蓝线所示，蓝线及下方区域为可达到10倍放大的正常工作区域。

图2-5　INA333共模电压-输出电压曲线（Vs=5V）

由于以上分析均为估算，存在一定误差，因此将在实验中进行进一步探究。

2.3实验方法介绍

将一1000Ω电位器作为待测电阻。先用万用表欧姆档测出其阻值作为真实值，再将电阻插到模块JP4位置记录其电压。多次调节旋钮改变电位器阻值，记录多组数据。通过公式计算得到电阻的测量值。

3　实测结果分析

现给出实测结果。

表3-1　INA恒流源测电阻真实值、测量值及放大倍数一览表

如表3-1所示，当电阻值为45.27Ω时，放大倍数已经出现较大误差，即INA333进入饱和区不能正常工作。初步认为该方法可测量电阻范围为0-35Ω。下面进行进一步误差分析。为消除表笔的接触电阻等误差，用一次函数对实测结果进行标定。

标定斜率及零点的确定公式如下：

测得标定数据及算得标定斜率及零点如表3-2所示。标定后数据及误差分析如表3-3所示。

表3-2　INA恒流源测电阻标定值一览表

表3-3　INA恒流源测电阻标定及误差分析表

由表3-3可验证电阻阻值为45.27Ω时误差过大，认为已经超过了该方法允许的测量范围。舍去该点后绘图，如图3-1所示，对标定值进行最小二乘法拟合（黄线所示），发现与真实值所绘直线（蓝线所示）重合度较高。可以认为在0-35Ω范围内，INA恒流源测电阻有较好的结果。

图3-1　INA恒流源测电阻标定值与真实值

4　实验改进及总结

4.1测量范围的改进探索

为使测量范围扩大，尝试通过为INA333提供参考电压的方法提高其最大输出电压，从而提高大输入电压时的放大倍数以获得更大的测量范围。

如表4-1和表4-2所示，分别以190.40Ω和300.20Ω为标准，调整参考电压，使INA333放大倍数约为10。但改变阻值后发现均满足以下规律：当电阻减小时放大倍数明显增大，电阻增大时放大倍数明显减小。因而需要不断调整参考电压才能进行正常的电阻测量。因而该改进方法并不实用。

表4-1　INA333放大倍数与电阻关系表（190.40Ω为标准）

表4-2　INA333放大倍数与电阻关系表（300.20Ω为标准）

4.2总结

基于Tiva Cortex M4电阻测量模块的INA333及恒流源组合方法测量电阻的测量范围同时受到INA333的共模电压与输出电压关系和恒流源恒流条件的限制，最终可测量范围为0-35Ω。且该模块集成度高，改进空间较小，因而在较大电阻测量中无实用价值。但可以作为小电阻的一种测量方法得到应用。

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［4］刘保龄.电子电路基础［M］.北京：高等教育社，2006.

［5］www.ti.com.cn/product/cn/INA333？keyMatch=INA333.