高精度自動電阻測試儀

摘要：介紹一種基于STM32F103單片機的高精度自動電阻測試儀的設(shè)計與制作。該電阻測試儀使用分壓法來實現(xiàn)對電阻的測量，采用了高精度的16位∑-△ADC AD7705完成電阻電壓的準(zhǔn)確測量。整個系統(tǒng)易于控制，人機交互界面友好。經(jīng)測試，系統(tǒng)功能齊全，精確度達(dá)到0．6％，轉(zhuǎn)換速率達(dá)到10／秒。
關(guān)鍵詞：單片機STM32；AD7705；高精度

    傳統(tǒng)的電阻測試儀存在需要調(diào)檔，精度不夠的缺點。本文介紹了使用分壓法，采用了高精度的16位∑-△ADC AD7705完成電阻電壓的準(zhǔn)確測量的自動電阻測試儀的構(gòu)成。

1 總體設(shè)計
1．1 基于分壓的電阻測量法
    該系統(tǒng)使用如圖1所示的分壓法測電阻，采用精密電阻做為R0，RX為測量電阻，通過測量U1，U2，由歐姆定理便可以測出。此方案電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。只要把精準(zhǔn)電阻R0標(biāo)定好，使用高精度的AD進行采樣，就可以測出RX。

1．2 系統(tǒng)組成
    該系統(tǒng)由STM32F103單片機做主控，系統(tǒng)通過單片機控制繼電器來實現(xiàn)電阻檔的自動轉(zhuǎn)換，采用了高精度的16位∑-△ADC AD7705完成電阻電壓的準(zhǔn)確測量，TFT彩色液晶可以實時顯示測量電阻阻值及其誤差，還可以顯示電位器阻值曲線。系統(tǒng)總體方案框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)各主要部分的理論分析和實際設(shè)計
2．1 STM32F32單片機最小系統(tǒng)模塊設(shè)計
    本系統(tǒng)中主控芯片為STM32F103，此款單片機時鐘頻率達(dá)到72 MHz，在72 MHz時消耗36 mA(所有外設(shè)處于工作狀)，待機時下降到2μA，價格便宜、高性能、低功耗。本系統(tǒng)全部的控制、測量、顯示等功能均由其來完成。
2．2 電壓采集模塊
    AD7705用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)實現(xiàn)了16位無丟失代碼性能，具有0．003％的非線性度，包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路，可編程數(shù)字濾波器等部件。非常符合本設(shè)計要求。

    設(shè)計電路時，為減少數(shù)字電路對模擬電路的干擾，模擬地與數(shù)字地分開，電路設(shè)計圖如圖3所示。
2．3 基準(zhǔn)電源模塊
    AD7705需要外部供給一個基準(zhǔn)電壓源，結(jié)合系統(tǒng)需要進行溫度補償，選擇用AD780。AD780是一款超高精度帶隙基準(zhǔn)電壓源，可以利用4．0 V～36 V的輸入提供2．5 V或3．0 V輸出。AD780可以用來提供最高10 mA的源電流或吸電流，并且可以在串聯(lián)或分流模式下工作，無需外部器件便可提供正或負(fù)輸出電壓，因此適合幾乎所有的高性能基準(zhǔn)電壓源應(yīng)用。能提供穩(wěn)定的2．5V或3．0V輸出。
2．4 自動分壓式電阻測量部分
    采用傳統(tǒng)臺式儀表所采用的繼電器量程選擇模式，利用單片機控制繼電器的通斷實現(xiàn)量程的自動切換。由于繼電器在未導(dǎo)通時電路為斷路，而在導(dǎo)通后基本可視為0Ω導(dǎo)通，兩端無壓降，也就是說繼電器是一個電子控制的開關(guān)，而且由于繼電器是機械結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性比較高，因此可以作為理想的自動儀表控制設(shè)備。4個繼電器，4個精密電阻就可以組成自動分壓式電阻測量模塊，電路結(jié)構(gòu)簡單，調(diào)試方便。

3 軟件設(shè)計
    (1)“超時待機”節(jié)能設(shè)計，系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片，考慮到該芯片在掉電模式下待機時電流下降到2 μA，具有非常低的功耗，對系統(tǒng)設(shè)計了“超時待機”節(jié)能：系統(tǒng)若超過預(yù)定的時間沒有輸入，采用軟件方法讓主芯片進入待機模式。
    (2)濾波，AD7705內(nèi)部有集成化的數(shù)字濾波，本系統(tǒng)在軟件上實現(xiàn)了均值濾波。
    (3)溫度補償，STM32F103內(nèi)部內(nèi)置有溫度傳感器，考慮到電阻存在溫漂，電阻的阻值一般隨溫度的增加而增加，為確保電阻測試儀的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)在軟件上對電阻測試儀進行了溫度補償。
    (4)電位器為單圈旋轉(zhuǎn)式電位器，為了防止步進電機在電位器已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到盡頭還繼續(xù)前進，不但影響測量精度，還會損壞電位器和步進電機?；谝陨峡紤]，在軟件上，當(dāng)檢測到電位器的阻值為50 Ω或4．6 kΩ時，單片機給信號步進電機，步進電機停止前進。
    (5)軟件設(shè)計流程圖，如圖4所示。

4 測試系統(tǒng)
4．1 測試方法及數(shù)據(jù)
    待測電阻先用Agilent34401A六位半數(shù)字萬用表進行檢驗和測量，然后用自動電阻測試儀進行測試。
    測試結(jié)果表明：
    (1)簡易自動電阻測試儀的測量精度達(dá)到0．6％。
    (2)簡易自動電阻測試儀測量電位器的精度達(dá)到1．54％。
    (3)轉(zhuǎn)換速度大于10／s。
    (4)電位器的測量，10 s能測量20個點。

5 誤差分析
    測量的誤差主要來源是各數(shù)字信號與模擬信號之間的干擾，在電路設(shè)計上對模擬信號與數(shù)字信號進行了隔離。另外一個誤差來源來自于電路中存在阻抗，通過反復(fù)測試，再用軟件進行了矯正。

6 總結(jié)
    本系統(tǒng)以STM32F103單片機為核心，結(jié)合AD7705電壓采集、AD780基準(zhǔn)電壓源和一些簡單的外圍設(shè)備，進行了完整的設(shè)計。整個系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，測量精度高。