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入门:使用模数转换器的比例电阻测量基础知识

2023-01-28
来源:Harry Trietley
关键词: 模数 测量 转换器 电阻

  了解模数(A/D)转换器中比率电阻测量的基础知识、测量方法以及数字万用表 (DMM)、微处理器和各种电阻传感器中的应用示例。

  模数转换器 是比率式的,也就是说,它们的结果与输入电压与基准电压的比率成正比。 这可用于简化电阻测量。

  测量电阻的标准方法是使电流通过 电阻器 并测量其 压降 (见图1)。 然后 欧姆定律 (V = I x R)可用于根据电压和电流计算电阻。 最终输出可以是模拟或数字输出。

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  图1. 显示电阻测量的示例框图。

  电压传递到一个 模拟输出电路 或 A/D 转换器。 这 电流源电路必须准确、无漂移,并且不受测量电阻和电源电压变化的影响。 设计这样的电路并不是特别困难,但需要精确、稳定的元件。 如果以这种方式使用A/D转换器,则需要同样精确和稳定的基准电压。

  比率电阻测量

  如果相同的电流通过两个电阻,则在电流变化时,它们的电压比将保持不变。 这可以用数学方式在公式1中表示为:

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  等式 1.

  我们可以利用这些信息开发一个A/D转换器系统,如图2所示,该系统执行比例电阻测量,不需要恒定电流源或精确的基准电压。

  增加了细节的比率测量:参考调整和可选的四线电阻测量。

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  图2. 显示使用A/D转换器进行比率电阻测量的框图。

  哪里:

  R(set) 设置近似电流 (I),但确切电流会随着测量电阻的变化而变化

  测量电压 V(in) 等于 I 乘以测量电阻 R(meas)

  基准电压 V(ref) 等于 I 乘以基准电阻 R(ref)

  总体而言,无论电流的确切值如何,数字结果都将与R(meas)/R(ref)成正比。与标准方法相比,不需要电流源电路和精密基准电压。只有一个组件R(ref)需要稳定和精确。

  重要的是要注意,这只有在A/D转换器具有差分输入时才有效,这应该不是问题,因为大多数人都是如此。大多数转换器没有差分基准输入,因此R(ref)必须连接到公共电路。两个电阻必须具有相同的电流,因此,R(meas)

  为 串联连接 与

  R(ref)。图2的配置对于简单的仪表来说是可以的;但是,它可能不适用于输出连接到公共的传感器测量系统。为了解决这个问题,您需要一个带有差分基准输入的A/D转换器。我们将在下面的微处理器部分介绍这一点。

  考虑到这一点,让我们看一下图 3 中的框图,它添加了两个新的细节。

  显示使用A/D转换器进行比率电阻测量的框图。

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  图3. 增加了细节的比率测量:参考调整和可选的四线电阻测量。

  第一个添加是参考微调调整。没有它,转换将仅与基准电阻一样精确。例如,0.05%的精度需要0.05%或更好的电阻。通过微调,可以通过测量高精度R(meas)并调整微调器以获得正确的数字输出或读数来校准精度。固定基准调整电阻应高于R(ref)。微调器应仅为固定电阻的一小部分。

  第二个细节增加了一个可选的四线(开尔文)输入测量,有时需要精确的低电阻测量。如果没有它,引线连接电阻会增加R(meas),增加几分之一欧姆。要看到这一点,只需拿一个标准万用表,将测试引线的末端夹在一起,然后测量电阻。它将读取几分之一欧姆,而不是零。

  此外,四线连接通过一组引线提供电流,并使用第二对引线测量输入。没有电流流过测量引线,因此它们不会降低电压。测量电压真正为I x

  R(meas),没有引线电阻引起的误差。高精度仪表通常包括四线电阻测量功能。

  使用低成本数字万用表的电阻测量示例

  掌握了所有这些信息后,让我们深入了解一个使用低成本的示例 数字万用表。假设我有一个低成本的 3-1/2

  数字万用表,只需几美元即可在五金店购买。我无法完全探索它的电路,因为IC芯片被埋在环氧树脂下;但是,我进行了测试,它似乎使用非恒定电流源以这种方式工作。下面的表1显示了被测电阻具有+1%容差的结果:

  表 1. 数字万用表设置为 200 欧姆范围时的数据结果。

  R(测量值) +1%V(测量)我 数字万用表读数

  0(短)– – –大约 1.9 毫安0.3 Ω(引线电阻)

  10.0小时18.7毫伏1.87毫安10.3 Ω

  100 Ω177.4毫伏1.74毫安100.6 Ω

  182 吨307.5毫伏1.68毫安182.5 Ω

  另一方面,表2显示了设置为20 KΩ范围时的数据结果。

  表 2. 数字万用表设置为 20 KΩ 范围时的数据结果。

  R(测量值) +1%V(测量)我数字万用表读数

  0(短)– – –大约 22 微安0.00千分

  1.00 千分22.4毫伏22.4 微安1.00 千分

  10.0 千分133.5毫伏13.4 微安9.99千分

  18.2 千分178.2毫伏9.8 微安182.7千米

  结果呢?即使电流变化,读数也在 1% 的容差范围内。

  请注意,我的高精度实验室欧姆表不能以这种方式工作。无论测量的电阻如何,其电流都保持精确恒定。

  使用微处理器进行比率测量

  多 微处理器 和 微控制器 包括一个 A/D 转换器。与图3类似,图4显示了如何连接示例微处理器的示例框图。

  使用带有差分基准输入的A/D转换器,可以将测得的电阻连接到电路公共。

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  图4. 使用带有差分基准输入的A/D转换器,可以将测得的电阻连接到电路公共。

  使用带有差分基准输入的A/D转换器,可以将测得的电阻连接到电路公共。 但是,微处理器的 A/D

  可能包含差分基准输入。如果是这样,您可以利用它来将测量的电阻连接到电路公共。如图4所示,测量电阻和基准电阻互换。

  大多数微处理器允许使用代码切换A/D输入。加号基准可以切换到内部或外部基准,减号可以切换到外部或公共。如果两者都切换到外部,基准输入变为差分,不需要连接到公共。

  此外,图4显示R(meas)现在可以连接到公共电阻,并且基准电阻“浮动”。系统现在可以将输入和输出连接到公共。虽然该图显示的是四线输入,但对于两线输入,只需将+IN连接到电流源,将-IN连接到公共。

  电阻式传感器的比例测量基础知识

  电阻式传感器包括 热敏电阻、热敏电阻 (电阻式温度检测器)和位置测量 电位器。比率测量可用于所有,我们将在以下部分中解释。

  热敏电阻

  图5显示了一些热敏电阻封装类型示例。

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  图5. 热敏电阻封装类型示例。图片由 电子电气电源

  测量部分很简单——热敏电阻变为R(meas),两线输入应该可以正常工作。困难的部分是将电阻测量值转换为温度。双 负温度系数 和 PTC(正温度系数)

  热敏电阻是非线性的,随着温度的变化而变化电阻。

  转换需要查找表或复杂公式。一些模拟技术可以近似线性化读数;但是,仅在较窄的温度范围内。

  电阻式温度检测器

  RTD 的电阻并不低,而许多 RTD 在 0 °C 时为 100 欧姆,200、500 和 1,000欧姆版本也很常见。然而,几分之一欧姆可能会转化为不可接受的温度测量误差。

  铂RTDS(最常见的类型)的灵敏度约为每°C0.4%。 在 100 欧姆器件中,0.4 欧姆的引线电阻变为 1 °C (1.8 °F)误差,因此建议使用四线输入。在 500 或 1,000 欧姆时可能不需要这样做。

  RTD与温度不完全成线性关系,但它们的方程相当简单(这超出了本文的范围)。

  电位器

  电位计相当简单。基本上,将(+)A/D输入连接到游标,将(-)输入连接到低端或逆时针端(-)。输出将与电位计的位置成正比。

  比率电阻测量结论

  比率电阻测量概念很简单:将相同的电流通过测量电阻和基准电阻,A/D输出将与它们的比率成正比。我们已经通过细节对其进行了扩展,我们希望这些细节对您接下来的设计有所帮助。



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