基于四线接线法的微电阻测量电路设计

2023-09-17王磊

电子制作 2023年16期

王磊

（电子科技大学电子科学与工程学院，四川成都，611731）

0 引言

对于微电阻的腐蚀情况即阻值变化测量，需要利用一定的处理来消除导线干扰，这里采用四线接线法。其中待测电阻和参考电阻串联在一起，电流源驱动两个电阻得出正比于电阻阻值的电压信号。利用电压幅度比即可得出微小电阻阻值变化情况。在测量电路中必定会存在着噪声，使得测量过程中有用信号完全淹没在噪声中，信号与噪声比很低。为了系统能够把有用信号测量出来，采用低频率恒流源测量方法。由于参考电阻具有高精度，并且处于保护壳中，并不会被腐蚀，因此可以较高精度地得出腐蚀情况。

1 设计思路

对于毫欧以及毫欧以下电阻阻值变化的测量，利用电流源以及四线接线法可以有效消除包括导线电阻在内的各种干扰，能够达到极高的精度。由于本次待测量微电阻阻值为微欧到毫欧级别，考虑到模拟运放放大倍数过大会带来额外失调电压和噪声，因此在设计方面倾向增强电流源驱动能力，本次电压控制电流源输出电流大于300mA。电流源驱动微小电路后一路直接送入单片机做数字相敏检波处理，另外两路送入正交的两个模拟乘法器做模拟相敏检波。在设计中采用单片机自带ADC，32MHz 外部晶振作为系统时钟，以200kHz 的采样频率对1.6kHz 的正弦信号进行采样，即每个正弦周期采样120 个点。对于模拟数字相敏检波即模拟乘法器而言，需要待测正弦信号与参考正弦信号。而参考正弦信号需要两路正交正弦信号，因此采用AD9958 四通道输出芯片，利用MSP430F5529 驱动AD9958 产生测量信号与相干信号。

设计核心在于电流源驱动电路、模拟乘法器和低通滤波器组成都模拟相敏检波电路或者是单片机代码实现的数字相敏检波算法。

模拟乘法器型相敏检波器以AD835 芯片为核心进行设计。乘法器AD835 芯片有着较高的乘法计算精度，能够进行四象限乘法运算，并不需要考虑输入信号的极性问题。将相干信号和待测进行积化和差变换后得出两路正交2 倍频和带有幅度信息的直流信号，采用低通滤波器滤除2 倍频即可得出正交的幅度信号，单片机采用后即可通过开平方算出幅度信号。

MSP430 单片机是一个16 位、具有精简指令集、超低功耗的混合处理器，具有以下几大特点[3]：

（1）超低功耗：工作电压仅为1.8～3.6V、耗电电流小；灵活的时钟系统和数量众多的向量中断源，非常适合高精度和低功耗电路系统。

（2）强大的数字处理能力：一个周期执行一个命令，MSP430 单片机指令速度可高达25MIPS。

（3）系统工作稳定：数字控制振荡器启动CPU，保证程序从正确位置开始执行，看门狗定时器让单片机出现死机时能够自动重启。

最后采用MSP430F5529 芯片。电路设计分为两大模块：发送模块和接收模块，接收模块：DDS 驱动模块、滤波模块、电压控制电流源模块。发送模块：电子开关选通模块、差分放大模块、带通滤波模块、模拟乘法器模块、低通滤波模块。主控模块为单片机。

2 电路设计

整个系统的电路结构如图1 所示，包括供电系统、发射电路、接收电路。

图1 整体框架

■2.1 电源电压转换模块

本文的电路是蓄电池12V 来进行设计的，由于电路中各个模块的芯片的工作电压可归为-12V、5V、3.3V、1.8V，所以电源电压转换模块分别为12V，12V 转5V 以及5V 转3.3V，+5V 通过高精度电阻分压产生1.25V 作为偏置电路的参考电压。3.3V 转1.8V，3V 转-12V，其中±12V 作为电压控制电流源供电极为重要，采用TI 官网的TPS63700 升压芯片产生-12V。整个系统供电如图2 所示。

图2 电压模块

图3 电压控制电流源

图4 带通滤波器

图5 模拟检波电路

图6 模拟相敏检波

图7 电路实物图

■2.2 DDS 驱动模块

通过单片机驱动DDS 模块产生预期的正弦信号，然后输入给模拟信号处理模块。AD9958 内部拥有10 个寄存器。本模块采用单bit 串行模式进行数据写入，实现对AD9958片内寄存器的配置。每次传输16bit 的数据，其中前8bit指令周期，其中I7 决定数据的读写模式，I0～I4 是寄存器的地址，后8bit 是寄存器中的数据。

根据数字相敏通过MATLAB 进行数据框架搭建，然后对采样电进行仿真处理，发现在单片机的采样率为200kbps 时，正弦波信号1.6kHz 是一个比较合适的频率。通过对相应的寄存器写指令便可得出相应幅度相位正弦波，本系统采用双通道正交正弦波，频率为1.6kHz，幅度为500mV。

■2.3 电压控制电流源

电压控制电流源是此系统的核心模块，一个精度高、驱动能力强的电流源对系统整体性能起着至关重要的作用。DDS 信号出来后由于驱动能力不足，不足以驱动毫欧级别电阻，因此需要设计驱动电路，加大电路的电流输出能力。本次系统电流源模块是通过MOS 管和运放来搭建电压控制电流模块。利用运放的负反馈，根据虚短虚断以及电压跟随器的性质可得输出电流为输入电压与电阻R10 的比值，再通过MOS 管进行增加电路的电流驱动能力，使其最后的电流输出达到400mA 左右。此电压控制电流源通过调节电阻阻值或者改变输入电压幅值来改变电流大小。两路正弦电流源流经串联电路负载，如图中R11，驱动负载并产生正比与负载阻值的正弦电压，提取出负载两端幅值，将其与参考阻值幅值进行比较，得出腐蚀比例。因此乘法器后接两路低通滤波器，分别提取正交两路正弦幅值。

由于信号为一个正弦波信号，因此电流源输出驱动端由推挽式P 沟道和N 沟道两种MOS 管构成，当正弦信号处于负半轴时，P 沟道作为主要反馈端，与运放构成负反馈，强制使输出电流按标准电阻的阻值决定；当正弦波处于正半轴时，N 沟道作为反馈端，与运放构成负反馈。

■2.4 差分放大与滤波模块

由于恒流源在不超过工作的负载功率范围内，能提供恒定大小的电流源，所以导线电阻对于恒流源电流大小没有影响。恒流源流经串联电阻，在串联电阻两端形成正比于电阻的电压。检测电阻两端电压信号的两根导线上存在导线电阻，虽然测量电压信号的导线上也有导线电阻，但是电路中的差分放大器对其进行差分放大检测之后得出被测电阻两端的电压，而且这个电压信号跟导线电阻无关，所以这种方法就完全规避了测量过程中的导线电阻。由于恒流源的驱动强度很高，并且可调，因此能够测量不同范围内的微电阻比值，从而得出电阻腐蚀情况。差分放大之后再接模拟滤波。

第一级差分放大为仪表放大器组成的差分放大电路，采用的芯片是INA217。根据增益公式A=1+10000/R,可以通过选取R 来设计放大倍数。由于本次电流源电流为300mA 左右，驱动1mΩ 电阻得到300μV 左右正弦幅度，因此设计增益为100。

第一级滤波为带通滤波，被测微小电阻连入DDS，输出的信号不仅包含缺陷的有用信息，一般还有毫不相关的带外噪声。如果仅仅对检测腐蚀电阻输出的信号进行仪表放大，不进行滤波处理，很大程度上，会加大后续数字信号处理的难度。因此，为了提高输出信号的信噪比，采用中心频率1.6kHz 左右、通带带宽为1kHz 带通通滤波。

第二级放大、滤波作为补充前级放大滤波的作用。滤波芯片均采用ADI 公司的AD8676，利用LTSPICE 对模拟前端处理电路对噪声信号进行分析。最后将带宽定位1kHz。

■2.5 模拟检波电路

根据积化和差公式可知，将带有噪声的信号与其同频的信号两路正交信号相乘可得2 倍频信号、噪声与直流信号，再通过一个低通滤波器即可消除噪声与2 倍频，只留下带有幅相信息的确定值，即为i、q 信号，将i、q 信号先平方后开放即可得到幅度信息。本次系统采用模拟乘法器与低通滤波器的组合，将源信号与本地两路正交相干信号相乘，再经过低通滤波器输入给单片机。

本系统采用ADI 公司的AD835 模拟乘法器以及低噪声运放LT1128 作为乘法器输出后的低通滤波器。低通滤波器的截止频率设置在100Hz 左右，即可滤除1.6kHz 左右的干扰和2倍频高频干扰。最后即可得出信号。该芯片的输出公式按如下所示，W=(X1-X2)(Y1+Y2)+Z，其中Y 的一路信号接入DDS 本地正交一路与信号同频同相正弦相干信号，另一路接地。X 端一路接来自滤波偏置的源信号，另一路直接接地。