使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比例電阻測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)

了解模數(shù) （A/D） 轉(zhuǎn)換器中比率電阻測(cè)量的基礎(chǔ)知識(shí)、測(cè)量方法以及數(shù)字萬用表 （DMM）、微處理器和各種電阻傳感器中的應(yīng)用示例。

模數(shù)轉(zhuǎn)換器 是比率式的，也就是說，它們的結(jié)果與輸入電壓與基準(zhǔn)電壓的比率成正比。 這可用于簡(jiǎn)化電阻測(cè)量。

測(cè)量電阻的標(biāo)準(zhǔn)方法是使電流通過 電阻器 并測(cè)量其 壓降 （見圖1）。 然后 歐姆定律 （V = I x R）可用于根據(jù)電壓和電流計(jì)算電阻。 最終輸出可以是模擬或數(shù)字輸出。

圖1. 顯示電阻測(cè)量的示例框圖。

電壓傳遞到一個(gè) 模擬輸出電路 或 A/D 轉(zhuǎn)換器。 這 電流源電路必須準(zhǔn)確、無漂移，并且不受測(cè)量電阻和電源電壓變化的影響。 設(shè)計(jì)這樣的電路并不是特別困難，但需要精確、穩(wěn)定的元件。 如果以這種方式使用A/D轉(zhuǎn)換器，則需要同樣精確和穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓。

比率電阻測(cè)量

如果相同的電流通過兩個(gè)電阻，則在電流變化時(shí)，它們的電壓比將保持不變。 這可以用數(shù)學(xué)方式在公式1中表示為：

等式 1.

我們可以利用這些信息開發(fā)一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)，如圖2所示，該系統(tǒng)執(zhí)行比例電阻測(cè)量，不需要恒定電流源或精確的基準(zhǔn)電壓。

圖2. 顯示使用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比率電阻測(cè)量的框圖。

哪里：

R（set） 設(shè)置近似電流 （I），但確切電流會(huì)隨著測(cè)量電阻的變化而變化

測(cè)量電壓 V（in） 等于 I 乘以測(cè)量電阻 R（meas）

基準(zhǔn)電壓 V（ref） 等于 I 乘以基準(zhǔn)電阻 R（ref）

總體而言，無論電流的確切值如何，數(shù)字結(jié)果都將與R（meas）/R（ref）成正比。與標(biāo)準(zhǔn)方法相比，不需要電流源電路和精密基準(zhǔn)電壓。只有一個(gè)組件R（ref）需要穩(wěn)定和精確。

重要的是要注意，這只有在A/D轉(zhuǎn)換器具有差分輸入時(shí)才有效，這應(yīng)該不是問題，因?yàn)榇蠖鄶?shù)人都是如此。大多數(shù)轉(zhuǎn)換器沒有差分基準(zhǔn)輸入，因此R（ref）必須連接到公共電路。兩個(gè)電阻必須具有相同的電流，因此，R（meas）
為 串聯(lián)連接 與
R（ref）。圖2的配置對(duì)于簡(jiǎn)單的儀表來說是可以的;但是，它可能不適用于輸出連接到公共的傳感器測(cè)量系統(tǒng)。為了解決這個(gè)問題，您需要一個(gè)帶有差分基準(zhǔn)輸入的A/D轉(zhuǎn)換器。我們將在下面的微處理器部分介紹這一點(diǎn)。

考慮到這一點(diǎn)，讓我們看一下圖 3 中的框圖，它添加了兩個(gè)新的細(xì)節(jié)。

圖3. 增加了細(xì)節(jié)的比率測(cè)量：參考調(diào)整和可選的四線電阻測(cè)量。

第一個(gè)添加是參考微調(diào)調(diào)整。沒有它，轉(zhuǎn)換將僅與基準(zhǔn)電阻一樣精確。例如，0.05%的精度需要0.05%或更好的電阻。通過微調(diào)，可以通過測(cè)量高精度R（meas）并調(diào)整微調(diào)器以獲得正確的數(shù)字輸出或讀數(shù)來校準(zhǔn)精度。固定基準(zhǔn)調(diào)整電阻應(yīng)高于R（ref）。微調(diào)器應(yīng)僅為固定電阻的一小部分。

第二個(gè)細(xì)節(jié)增加了一個(gè)可選的四線（開爾文）輸入測(cè)量，有時(shí)需要精確的低電阻測(cè)量。如果沒有它，引線連接電阻會(huì)增加R（meas），增加幾分之一歐姆。要看到這一點(diǎn)，只需拿一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)萬用表，將測(cè)試引線的末端夾在一起，然后測(cè)量電阻。它將讀取幾分之一歐姆，而不是零。

此外，四線連接通過一組引線提供電流，并使用第二對(duì)引線測(cè)量輸入。沒有電流流過測(cè)量引線，因此它們不會(huì)降低電壓。測(cè)量電壓真正為I x
R（meas），沒有引線電阻引起的誤差。高精度儀表通常包括四線電阻測(cè)量功能。

使用低成本數(shù)字萬用表的電阻測(cè)量示例

掌握了所有這些信息后，讓我們深入了解一個(gè)使用低成本的示例 數(shù)字萬用表。假設(shè)我有一個(gè)低成本的 3-1/2
數(shù)字萬用表，只需幾美元即可在五金店購買。我無法完全探索它的電路，因?yàn)?a target="_blank">IC芯片被埋在環(huán)氧樹脂下;但是，我進(jìn)行了測(cè)試，它似乎使用非恒定電流源以這種方式工作。下面的表1顯示了被測(cè)電阻具有+1%容差的結(jié)果：

表 1. 數(shù)字萬用表設(shè)置為 200 歐姆范圍時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

R（測(cè)量值） +1%V（測(cè)量）我 數(shù)字萬用表讀數(shù)

0（短）– – –大約 1.9 毫安0.3 Ω（引線電阻）

10.0小時(shí)18.7毫伏1.87毫安10.3 Ω

100 Ω177.4毫伏1.74毫安100.6 Ω

182 噸307.5毫伏1.68毫安182.5 Ω

另一方面，表2顯示了設(shè)置為20 KΩ范圍時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

表 2. 數(shù)字萬用表設(shè)置為 20 KΩ 范圍時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果。

R（測(cè)量值） +1%V（測(cè)量）我數(shù)字萬用表讀數(shù)

0（短）– – –大約 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

結(jié)果呢？即使電流變化，讀數(shù)也在 1% 的容差范圍內(nèi)。

請(qǐng)注意，我的高精度實(shí)驗(yàn)室歐姆表不能以這種方式工作。無論測(cè)量的電阻如何，其電流都保持精確恒定。

使用微處理器進(jìn)行比率測(cè)量

多 微處理器 和 微控制器 包括一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器。與圖3類似，圖4顯示了如何連接示例微處理器的示例框圖。

圖4. 使用帶有差分基準(zhǔn)輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，可以將測(cè)得的電阻連接到電路公共。

使用帶有差分基準(zhǔn)輸入的A/D轉(zhuǎn)換器，可以將測(cè)得的電阻連接到電路公共。 但是，微處理器的 A/D
可能包含差分基準(zhǔn)輸入。如果是這樣，您可以利用它來將測(cè)量的電阻連接到電路公共。如圖4所示，測(cè)量電阻和基準(zhǔn)電阻互換。

大多數(shù)微處理器允許使用代碼切換A/D輸入。加號(hào)基準(zhǔn)可以切換到內(nèi)部或外部基準(zhǔn)，減號(hào)可以切換到外部或公共。如果兩者都切換到外部，基準(zhǔn)輸入變?yōu)椴罘?，不需要連接到公共。

此外，圖4顯示R（meas）現(xiàn)在可以連接到公共電阻，并且基準(zhǔn)電阻“浮動(dòng)”。系統(tǒng)現(xiàn)在可以將輸入和輸出連接到公共。雖然該圖顯示的是四線輸入，但對(duì)于兩線輸入，只需將+IN連接到電流源，將-IN連接到公共。

電阻式傳感器的比例測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)

電阻式傳感器包括 熱敏電阻、熱敏電阻 （電阻式溫度檢測(cè)器）和位置測(cè)量 電位器。比率測(cè)量可用于所有，我們將在以下部分中解釋。

熱敏電阻

圖5顯示了一些熱敏電阻封裝類型示例。

圖5. 熱敏電阻封裝類型示例。圖片由 電子電氣電源

測(cè)量部分很簡(jiǎn)單——熱敏電阻變?yōu)镽（meas），兩線輸入應(yīng)該可以正常工作。困難的部分是將電阻測(cè)量值轉(zhuǎn)換為溫度。雙 負(fù)溫度系數(shù) 和 PTC（正溫度系數(shù)）
熱敏電阻是非線性的，隨著溫度的變化而變化電阻。

轉(zhuǎn)換需要查找表或復(fù)雜公式。一些模擬技術(shù)可以近似線性化讀數(shù);但是，僅在較窄的溫度范圍內(nèi)。

電阻式溫度檢測(cè)器

RTD 的電阻并不低，而許多 RTD 在 0 °C 時(shí)為 100 歐姆，200、500 和 1，000歐姆版本也很常見。然而，幾分之一歐姆可能會(huì)轉(zhuǎn)化為不可接受的溫度測(cè)量誤差。

鉑RTDS（最常見的類型）的靈敏度約為每°C0.4%。 在 100 歐姆器件中，0.4 歐姆的引線電阻變?yōu)?1 °C （1.8 °F）誤差，因此建議使用四線輸入。在 500 或 1，000 歐姆時(shí)可能不需要這樣做。

RTD與溫度不完全成線性關(guān)系，但它們的方程相當(dāng)簡(jiǎn)單（這超出了本文的范圍）。

電位器

電位計(jì)相當(dāng)簡(jiǎn)單?；旧希瑢ⅲ?）A/D輸入連接到游標(biāo)，將（-）輸入連接到低端或逆時(shí)針端（-）。輸出將與電位計(jì)的位置成正比。

比率電阻測(cè)量結(jié)論

比率電阻測(cè)量概念很簡(jiǎn)單：將相同的電流通過測(cè)量電阻和基準(zhǔn)電阻，A/D輸出將與它們的比率成正比。我們已經(jīng)通過細(xì)節(jié)對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展，我們希望這些細(xì)節(jié)對(duì)您接下來的設(shè)計(jì)有所幫助。