基于STC89C54RD單片機和AD574的高精度電阻測試儀的設(shè)計

本文給出了一種以STC89C54RD 為控制核心的高精度自動電阻測試儀的設(shè)計，系統(tǒng)量程為10Ω 到10MΩ，具有自動切換量程和自動篩選的功能。采用恒流測壓以及恒壓測流相結(jié)合的方法，同時采用高精度運放OP07 及精密電阻確保測試電路測量的精度。為了避免高阻測試時的工頻干擾，采用12 位的高速AD574 進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，既保證測量速度又達到了數(shù)字濾波的效果。

　　此外，本文還闡述了整個系統(tǒng)的誤差來源以及減少誤差、提高精度的辦法。

　　0 引言

　　電子行業(yè)發(fā)展迅速，作為最基本的電路元件之一的電阻，在電子系統(tǒng)中的需求量不斷加大。在電子儀表中，需要精密的電阻來提高儀表的精度，對于普通的電子儀表的公司而言，需要既快捷又能保證精度的電阻測試儀，在電子電路的設(shè)計中，往往需要便捷的測出電阻值的阻值，因此，設(shè)計一個不僅安全性和可靠性高，而且簡易實用的高精度電阻測量儀具有很大的現(xiàn)實意義。利用單片機作為控制核心的智能儀器儀表應(yīng)用廣泛，其具有可靠性高、功耗低、體積小等優(yōu)點，使得測量儀表更加數(shù)字化、智能化和微型化。

　　1 系統(tǒng)設(shè)計

　　本系統(tǒng)由單片機STC89C54RD 控制，將被測電阻通過測量電路，將電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉碗娏鞯淖兓徒o模數(shù)轉(zhuǎn)換器進行A/D 轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字信號送給單片機，通過軟件設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)電阻阻值的判斷測量，最后通過顯示電路將被測電阻顯示出來，同時通過軟件設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)自動篩選的功能，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

　　2 硬件設(shè)計

　　2.1 恒流源測電壓法

　　采用OP07 構(gòu)成的雙運放恒流源電路，利用流過被測電阻Rx的電流恒定，則通過測量Rx 兩端的電壓值來算出Rx 的電阻值，在測量小電阻（100-100kΩ）時可以有很高的精度。

　　2.2 恒壓源測電流法

　　采用恒流源測電壓的方法測大電阻（100k-10MΩ）時流過電阻的電流很小，輸出電壓較小，A/D 難以對其采樣轉(zhuǎn)換，同時存在較大的誤差，所以這種加壓測電流的方法在測大電阻時是行不通的。因此采用恒壓源測電流的方法，其設(shè)計電路圖如圖2 所示。

　　2.3 12 位A/D 轉(zhuǎn)換接口電路

　　整個系統(tǒng)的測量精度的提高以及測量速度的提升，還取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD574 是一種經(jīng)典的12 位高速逐次比較型A/D,內(nèi)置雙極性轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的混合集成芯片，具外接元件少，功耗低，精度高，具有自動校零和自動極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容元件即可構(gòu)成一個完整的A/D 轉(zhuǎn)換電路。

　　AD574 的非線性誤差小于1/2LSB,最大轉(zhuǎn)換時間為35us,適合于轉(zhuǎn)換速率小于30kB/s 的應(yīng)用領(lǐng)域。AD574 的輸入控制信號有CE,CS,R/C,A0,及12/8,控制信號與其對應(yīng)的工作狀態(tài)如表1所示，其與單片機的接口電路如圖3 所示。

　　3 軟件設(shè)計

　　本電路中STC89C54RD 單片機控制繼電器的通斷，實現(xiàn)測量電阻電路的檔位切換。被測電阻所測的電壓送到A/D 轉(zhuǎn)換器AD574（數(shù)據(jù)經(jīng)過轉(zhuǎn)換，電壓和電阻的值相等）A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到單片機中進行處理，最后進行顯示，其流程圖如圖4 所示。自動篩選程序首先判斷單片機是否有鍵按下，當(dāng)有鍵按下時，進入篩選，否則進入測量電路，采集A/D 模塊輸出的數(shù)值量，進行處理，并將處理數(shù)值顯示。

　　4 誤差分析

　　4.1 系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因

　　（1）集成運放的非理想產(chǎn)生誤差；

　?。?）A/D 轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的誤差；.

　?。?）電場的干擾等。

　　4.2 減少誤差提高精度的主要方法

　?。?）設(shè)置四檔量程，但在同一量程中，去AD 的電壓范圍也在滿幅度到1/10 滿幅度之間，采用12 位AD 轉(zhuǎn)換時，在1/10 滿幅度（1V）以下時，精度不夠，現(xiàn)采用AD 過采樣的方法提高精度，每次測試時，進行多次AD 轉(zhuǎn)換（200 次）后取平均值；

　?。?）高阻測試時，工頻干擾將影響測量，采用在一個工頻正弦周期里進行多次（200 次）AD 轉(zhuǎn)換，可以使數(shù)字濾波的效果最佳；

　　（3）低阻測試時，導(dǎo)線電阻及繼電器和探頭的接觸電阻不可忽視，在測試時采用“四線制”,消去了相應(yīng)的誤差；

　　（4）工藝要求，為了保證電阻測試儀的高精度，在工藝上的要求也至關(guān)重要，首先電源必須經(jīng)過去耦濾波，地線盡量保證足夠的線粗，并盡可能短；其次運放的電阻選擇必須要注意“配對”,即需要從大量的電阻中進行篩選；再次，量程電阻要采用千分之一以上的精密電阻，最后運放須選擇高精度運放OP07.

　　5 結(jié)論

　　通過STC89C54RD 單片機對繼電器的通斷的控制進行對測量電阻的量程切換，小電阻采用雙高精密運放OP07 組成恒流源測量電壓，大電阻的測量是通過恒壓源測量電流來實現(xiàn)，將測到的電壓或電流送入到12 位串行AD574 電路，實現(xiàn)模擬量的采集，通過STC89C54RD 單片機以及鍵盤顯示電路實現(xiàn)了整個電路的控制。整個電路的硬件結(jié)構(gòu)簡練，輸出的電壓穩(wěn)定。但整個系統(tǒng)偏重于軟件設(shè)計，A/D 轉(zhuǎn)換對不同量程的電阻輸出電壓的轉(zhuǎn)換算法不同，A/D 轉(zhuǎn)換的算法誤差，是系統(tǒng)測試誤差的主要來源。要不斷調(diào)整A/D 轉(zhuǎn)換的算法，從而不斷提高測試精度。