四线制阻值检测电路实验研究

薛昭洋，郭 鑫，陈 奎，王山虎，於二军

(中航工业西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710065)

0 引言

在电子领域中，电阻元件是应用及其广泛的电子元件，其测量方法也有许多。目前我们测试电阻的参数基本上都采用万用表直接测试元件的两端以测得元件参数；也可以使用电压表和电流表通过应用欧姆定律来计算[1]。这些方法无法传输测量数据，只能通过手写方法记录或者手动导入计算机。本文设计了一种四线制阻值检测硬件电路，实现阻值采集并通过实验研究不同温度环境下对阻值采集电路的影响。

1 总体设计思路

常见的电阻测量方法有伏安表法、三表法、欧姆表法和电桥法等。这些测量方法均需要考虑引线电阻及寄生电势影响，对于四线制采集电阻使用单独的电流源和感应电压电路，可以减少测试电路阻抗对被测电阻值的影响。四线制阻值检测系统的设计框图如图1所示。首先恒流源作为基准工作电流经过待测电阻，由于电流值恒定，将待测电阻值转换成对应电压值测量；待测电阻两端电压为微电压信号，需经过放大调理电路放大电压信号，然后使用16位A/D转换芯片进行模数转换[2，3]，经过16位数据线送给主控FPGA。

图1 四线制阻值检测系统设计图

1.1 四线制阻值检测原理

对于阻值检测系统，采用恒流式[4]如图2所示。

图2 阻值检测原理

对于恒流式阻值检测主要采用将恒流源输出0.5 mA作为激励电流，通过A/D芯片读取被测电阻电压，再利用欧姆定律即可求得被测电阻值，如式(1)所示。

(1)

式中：U测为待测电阻对应的实际电压值；K1为对应放大调理倍数。

1.2 A/D转换电路原理

A/D转换电路是放大调理电路的下一级，用于将放大调理电路输出的模拟信号转化成数字信号，供FPGA读取。选择一种6通道16位逐次逼近型电容结构的A/D转换器。A/D转换芯片的参考源可以选择通过外部参考源输入和使用内部自身的参考源，A/D转换芯片典型接线如图3所示。

图3 A/D转换原理图

A/D转换芯片的VIN端口最大可以承受±15 V的电压，为保证A/D转换芯片的安全运行将输入电压范围限制在(0～±10) V，线性误差典型值为±3 LSB，最大值为±5 LSB，参考电压为2.50 VDC，转换时间最大3.1 us。

A/D转换芯片的误差由正满量程误差、负满量程误差、积分非线性误差引起。

2 测试过程与结果

2.1 测试过程

为了进一步验证所设计的阻值检测系统在实际工作环境中能否有效完成对电阻的采集，将其硬件实现在测试模块中，并利用温箱设置不同的温度，-50 ℃、25 ℃和70 ℃，并分别给定不同的阻值进行测试。然后使用自己设计的四线制阻值检测硬件电路，计算出待测阻值，最后对设置的阻值与实测阻值进行结果分析。测试过程流程图如图4所示。

图4 测试过程流程图

2.2 测试结果

采用恒流式和高精度恒流式阻值检测系统，结果如表1所示。

表1 阻值检测系统实际测试数据

图5 三种温度下阻值实测图图6 三种温度下阻值实测偏差图

将设定阻值与阻值采集结果绘制如图5所示，阻值采集结果与设定阻值的偏差如图6所示。在设定阻值小于1600 Ω时，阻值采集结果大于设定阻值；在设定阻值大于1600 Ω时，阻值采集结果小于设定阻值。在25 ℃和70 ℃下，阻值采集偏差范围为-4 Ω～4 Ω；在-55 ℃下，阻值采集偏差较大，范围为-6 Ω～4 Ω。

3 结语

本文立足于硬件电路设计，对四线制阻值检测系统进行实现，并通过改变环境温度来探究对硬件电路的影响。经试验验证：该阻值检测系统不受温度影响，均能达到电阻采集精度要求。实际测试结果表明，在不同温度环境下，阻值采集偏差范围为-6 Ω～4 Ω。如此可见，四线制阻值检测系统具备推广实践应用的重要意义。恒流源的电流受到待测电阻R变化而产生偏差，在接下来的研究中，需要进一步提高阻值采集精度。