你的位置:首頁(yè) > 測(cè)試測(cè)量 > 正文

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

發(fā)布時(shí)間:2023-04-08 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】電壓被傳遞到模擬輸出電路或 A/D 轉(zhuǎn)換器。電流源電路必須準(zhǔn)確、無(wú)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、穩(wěn)定的元件。如果以這種方式使用 A/D 轉(zhuǎn)換器,則需要同樣和穩(wěn)定的參考電壓。


A/D 轉(zhuǎn)換器是比率式的,也就是說(shuō),它們的結(jié)果與輸入電壓與參考電壓的比值成正比。這可用于簡(jiǎn)化電阻測(cè)量。

測(cè)量電阻的標(biāo)準(zhǔn)方法是讓電流通過(guò)電阻并測(cè)量其壓降 (見(jiàn)圖 1)。然后,歐姆定律(V = I x R) 可用于計(jì)算電壓和電流的電阻。終輸出可以是模擬的或數(shù)字的。


使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比例電阻測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)
圖 1.顯示電阻測(cè)量的示例框圖。


電壓被傳遞到模擬輸出電路或 A/D 轉(zhuǎn)換器。電流源電路必須準(zhǔn)確、無(wú)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、穩(wěn)定的元件。如果以這種方式使用 A/D 轉(zhuǎn)換器,則需要同樣和穩(wěn)定的參考電壓。

比例電阻測(cè)量

如果相同的電流通過(guò)兩個(gè)電阻器,則即使電流發(fā)生變化,它們的電壓比也將保持不變。這可以用公式 1 在數(shù)學(xué)上表示為:

電壓(2)電壓(1)=(I×R2)(I×R1)=R2R1電壓(2)電壓(1)=(I×R2)(I×R1)=R2R1
等式 1。

我們可以使用此信息來(lái)開(kāi)發(fā) 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,不需要恒流源或的參考電壓。


使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比例電阻測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)
圖 2.顯示使用 A/D 轉(zhuǎn)換器進(jìn)行比例電阻測(cè)量的框圖。 


在哪里:

R(set) 設(shè)置近似電流 (I),但確切的電流會(huì)隨著被測(cè)電阻的變化而變化
測(cè)得的電壓 V(in) 等于 I 乘以測(cè)得的電阻 R(meas)
參考電壓 V(ref) 等于 I 乘以參考電阻 R(ref)

總體而言,數(shù)字結(jié)果將與 R(meas) / R(ref) 成正比,而不管電流的確切值如何。與標(biāo)準(zhǔn)方法相比,不需要電流源電路和精密參考電壓。只有一個(gè)組件 R(ref) 需要穩(wěn)定和。

重要的是要注意,這僅在 A/D 轉(zhuǎn)換器具有差分輸入時(shí)才有效,這應(yīng)該不是問(wèn)題,正如大多數(shù)人所做的那樣。大多數(shù)轉(zhuǎn)換器沒(méi)有差分參考輸入,因此 R(ref) 必須連接到電路公共端。兩個(gè)電阻器必須具有相同的電流,因此,R(meas)與 R(ref)串聯(lián)。圖 2 的配置對(duì)于簡(jiǎn)單的儀表來(lái)說(shuō)是可以的;但是,它可能不適用于輸出連接到公共端的傳感器測(cè)量系統(tǒng)。要解決這個(gè)問(wèn)題,您需要一個(gè)帶有差分參考輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器。我們將在下面的微處理器部分介紹它。

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


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

圖 3.添加了詳細(xì)信息的比例測(cè)量:參考微調(diào)調(diào)整和可選的四線(xiàn)電阻測(cè)量。


個(gè)添加是參考修剪調(diào)整。沒(méi)有它,轉(zhuǎn)換將只能與參考電阻器一樣準(zhǔn)確。例如,0.05% 的準(zhǔn)確度需要 0.05% 或更好的電阻器。通過(guò)微調(diào),可以通過(guò)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(lái)校準(zhǔn)精度。固定參考微調(diào)電阻應(yīng)高于 R(ref)。微調(diào)器應(yīng)該只是固定電阻器的一小部分。


第二個(gè)細(xì)節(jié)增加了一個(gè)可選的四線(xiàn)(開(kāi)爾文)輸入測(cè)量,有時(shí)需要進(jìn)行的低電阻測(cè)量。沒(méi)有它,引線(xiàn)連接電阻會(huì)增加到 R(meas),增加幾分之一歐姆。要查看這一點(diǎn),只需使用標(biāo)準(zhǔn)萬(wàn)用表,將測(cè)試導(dǎo)線(xiàn)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(xiàn)連接通過(guò)一組引線(xiàn)提供電流,并使用第二對(duì)引線(xiàn)測(cè)量輸入。沒(méi)有電流流過(guò)測(cè)量導(dǎo)線(xiàn),因此它們不會(huì)降低電壓。測(cè)得的電壓是真正的 I x R(meas),沒(méi)有由于引線(xiàn)電阻引起的誤差。高精度儀表通常包括四線(xiàn)電阻測(cè)量功能。


使用低成本 DMM 的電阻測(cè)量示例


掌握所有這些信息后,讓我們深入研究一個(gè)使用低成本DMM 的示例。假設(shè)我有一個(gè)低成本的 3-1/2 數(shù)字萬(wàn)用表,在五金店僅需幾美元即可購(gòu)買(mǎi)。由于IC芯片埋在環(huán)氧樹(shù)脂下,我無(wú)法完全探索它的電路;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運(yùn)行。下面的表 1 包含測(cè)量電阻器具有 +1% 容差的結(jié)果:


表 1.  DMM 設(shè)置為 200 歐姆范圍的數(shù)據(jù)結(jié)果。


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


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.  DMM 設(shè)置為 20 KΩ 范圍時(shí)的數(shù)據(jù)結(jié)果。 


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


結(jié)果?即使電流變化,讀數(shù)也都在百分之一的公差范圍內(nèi)。 


請(qǐng)注意,我的高精度實(shí)驗(yàn)室歐姆表不是這樣工作的。無(wú)論測(cè)得的電阻如何,它的電流都地保持恒定。


使用微處理器進(jìn)行比例測(cè)量


許多微處理器和微控制器都包含一個(gè) A/D 轉(zhuǎn)換器。與圖 3 類(lèi)似,圖 4 顯示了如何連接示例微處理器的示例框圖。


使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比例電阻測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)
圖 4.使用帶有差分參考輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器,您可以將測(cè)得的電阻連接到電路公共端。



使用帶有差分參考輸入的 A/D 轉(zhuǎn)換器,您可以將測(cè)得的電阻連接到電路公共端。 但是,您的微處理器的 A/D 可能包含一個(gè)差分參考輸入。如果是這樣,您可以利用它將被測(cè)電阻器連接到電路公共端。如圖 4 所示,被測(cè)電阻和參考電阻互換。

大多數(shù)微處理器允許使用代碼切換 A/D 輸入。正參考可以切換為內(nèi)部或外部參考,負(fù)參考可以切換為外部參考或公共參考。如果兩者都切換到外部,則參考輸入變?yōu)椴罘植⑶也恍枰B接到公共端。

此外,圖 4 顯示 R(meas) 現(xiàn)在可以連接到公共端,參考電阻“浮動(dòng)”。系統(tǒng)現(xiàn)在可以將輸入和輸出連接到一個(gè)公共端。雖然圖中顯示的是四線(xiàn)輸入,但對(duì)于兩線(xiàn)輸入,只需將+IN 連接到電流源,-IN 連接到公共端即可。

電阻傳感器的比例測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí) 

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

熱敏電阻

圖 5 顯示了一些示例熱敏電阻封裝類(lèi)型。


使用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的比例電阻測(cè)量基礎(chǔ)知識(shí)
圖 5.熱敏電阻封裝類(lèi)型示例。圖片由EE Power提供


測(cè)量部分很簡(jiǎn)單——熱敏電阻變?yōu)?R(meas),兩線(xiàn)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。NTC  (負(fù)溫度系數(shù)) 和PTC(正溫度系數(shù))熱敏電阻都是非線(xiàn)性的,并且隨著溫度的變化而改變電阻。

轉(zhuǎn)換需要查找表或復(fù)雜的方程式。一些模擬技術(shù)可以使讀數(shù)近似線(xiàn)性化;但是,僅在狹窄的溫度范圍內(nèi)。

電阻式溫度檢測(cè)器 (RTD)

RTD 的電阻不低,而許多在 0 °C 時(shí)為 100 歐姆,200、500 和 1,000 歐姆的版本也很常見(jiàn)。但是,零點(diǎn)幾歐姆可能會(huì)轉(zhuǎn)化為不可接受的溫度測(cè)量誤差。

鉑 RTDS(常見(jiàn)的類(lèi)型)的靈敏度約為每 °C 0.4%。在 100 歐姆的設(shè)備中,0.4 歐姆的引線(xiàn)電阻會(huì)產(chǎn)生 1 °C (1.8 °F) 的誤差,因此建議使用四線(xiàn)輸入。這在 500 或 1,000 歐姆時(shí)可能沒(méi)有必要。

RTD 與溫度不完全成線(xiàn)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

電位器相當(dāng)簡(jiǎn)單?;旧?,將 (+) A/D 輸入連接到抽頭,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。

比例電阻測(cè)量結(jié)論

比例電阻測(cè)量概念很簡(jiǎn)單:將相同的電流流過(guò)被測(cè)電阻和參考電阻,A/D 輸出將與它們的比值成正比。我們通過(guò)詳細(xì)信息對(duì)其進(jìn)行了擴(kuò)展,希望對(duì)您的下一個(gè)設(shè)計(jì)有所幫助。


免責(zé)聲明:本文為轉(zhuǎn)載文章,轉(zhuǎn)載此文目的在于傳遞更多信息,版權(quán)歸原作者所有。本文所用視頻、圖片、文字如涉及作品版權(quán)問(wèn)題,請(qǐng)聯(lián)系小編進(jìn)行處理。


推薦閱讀:

電壓可以是負(fù)的嗎?

雙向雙極結(jié)技術(shù)的力量

第十一屆中國(guó)電子信息博覽會(huì)創(chuàng)新評(píng)獎(jiǎng)專(zhuān)家評(píng)審工作順利完成 看獎(jiǎng)項(xiàng)花落誰(shuí)家

CITE2023提前探展:數(shù)千項(xiàng)科技新品亮相!

CITE2023系列高端論壇重磅來(lái)襲,強(qiáng)勢(shì)聚焦中國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)

特別推薦
技術(shù)文章更多>>
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
熱門(mén)搜索
?

關(guān)閉

?

關(guān)閉