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入門:使用模數轉換器的比例電阻測量基礎知識

2023-01-28
來源:Harry Trietley
關鍵詞: 模數 測量 轉換器 電阻

  了解模數 (A/D) 轉換器中比率電阻測量的基礎知識、測量方法以及數字萬用表 (DMM),、微處理器和各種電阻傳感器中的應用示例,。

  模數轉換器 是比率式的,也就是說,,它們的結果與輸入電壓與基準電壓的比率成正比。 這可用于簡化電阻測量,。

  測量電阻的標準方法是使電流通過 電阻器 并測量其 壓降 (見圖1),。 然后 歐姆定律 (V = I x R)可用于根據電壓和電流計算電阻。 最終輸出可以是模擬或數字輸出,。

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  圖1. 顯示電阻測量的示例框圖,。

  電壓傳遞到一個 模擬輸出電路 或 A/D 轉換器。 這 電流源電路必須準確,、無漂移,,并且不受測量電阻和電源電壓變化的影響。 設計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轉換器,則需要同樣精確和穩(wěn)定的基準電壓,。

  比率電阻測量

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

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  等式 1.

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

  增加了細節(jié)的比率測量:參考調整和可選的四線電阻測量。

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  圖2. 顯示使用A/D轉換器進行比率電阻測量的框圖,。

  哪里:

  R(set) 設置近似電流 (I),,但確切電流會隨著測量電阻的變化而變化

  測量電壓 V(in) 等于 I 乘以測量電阻 R(meas)

  基準電壓 V(ref) 等于 I 乘以基準電阻 R(ref)

  總體而言,無論電流的確切值如何,,數字結果都將與R(meas)/R(ref)成正比,。與標準方法相比,不需要電流源電路和精密基準電壓,。只有一個組件R(ref)需要穩(wěn)定和精確,。

  重要的是要注意,這只有在A/D轉換器具有差分輸入時才有效,,這應該不是問題,,因為大多數人都是如此。大多數轉換器沒有差分基準輸入,,因此R(ref)必須連接到公共電路,。兩個電阻必須具有相同的電流,因此,,R(meas)

  為 串聯連接 與

  R(ref),。圖2的配置對于簡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量系統(tǒng)。為了解決這個問題,,您需要一個帶有差分基準輸入的A/D轉換器,。我們將在下面的微處理器部分介紹這一點。

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

  顯示使用A/D轉換器進行比率電阻測量的框圖,。

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  圖3. 增加了細節(jié)的比率測量:參考調整和可選的四線電阻測量,。

  第一個添加是參考微調調整。沒有它,轉換將僅與基準電阻一樣精確,。例如,,0.05%的精度需要0.05%或更好的電阻。通過微調,,可以通過測量高精度R(meas)并調整微調器以獲得正確的數字輸出或讀數來校準精度,。固定基準調整電阻應高于R(ref)。微調器應僅為固定電阻的一小部分,。

  第二個細節(jié)增加了一個可選的四線(開爾文)輸入測量,,有時需要精確的低電阻測量。如果沒有它,,引線連接電阻會增加R(meas),,增加幾分之一歐姆。要看到這一點,,只需拿一個標準萬用表,,將測試引線的末端夾在一起,然后測量電阻,。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,,并使用第二對引線測量輸入。沒有電流流過測量引線,,因此它們不會降低電壓,。測量電壓真正為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量功能,。

  使用低成本數字萬用表的電阻測量示例

  掌握了所有這些信息后,讓我們深入了解一個使用低成本的示例 數字萬用表,。假設我有一個低成本的 3-1/2

  數字萬用表,,只需幾美元即可在五金店購買。我無法完全探索它的電路,,因為IC芯片被埋在環(huán)氧樹脂下,;但是,我進行了測試,,它似乎使用非恒定電流源以這種方式工作,。下面的表1顯示了被測電阻具有+1%容差的結果:

  表 1. 數字萬用表設置為 200 歐姆范圍時的數據結果。

  R(測量值) +1%V(測量)我 數字萬用表讀數

  0(短)– – –大約 1.9 毫安0.3 Ω(引線電阻)

  10.0小時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顯示了設置為20 KΩ范圍時的數據結果,。

  表 2. 數字萬用表設置為 20 KΩ 范圍時的數據結果,。

  R(測量值) +1%V(測量)我數字萬用表讀數

  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

  結果呢?即使電流變化,,讀數也在 1% 的容差范圍內,。

  請注意,我的高精度實驗室歐姆表不能以這種方式工作,。無論測量的電阻如何,,其電流都保持精確恒定。

  使用微處理器進行比率測量

  多 微處理器 和 微控制器 包括一個 A/D 轉換器,。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。

  使用帶有差分基準輸入的A/D轉換器,,可以將測得的電阻連接到電路公共,。

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  圖4. 使用帶有差分基準輸入的A/D轉換器,可以將測得的電阻連接到電路公共,。

  使用帶有差分基準輸入的A/D轉換器,,可以將測得的電阻連接到電路公共。 但是,,微處理器的 A/D

  可能包含差分基準輸入,。如果是這樣,您可以利用它來將測量的電阻連接到電路公共,。如圖4所示,,測量電阻和基準電阻互換。

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

  此外,,圖4顯示R(meas)現在可以連接到公共電阻,,并且基準電阻“浮動”。系統(tǒng)現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量基礎知識

  電阻式傳感器包括 熱敏電阻,、熱敏電阻 (電阻式溫度檢測器)和位置測量 電位器,。比率測量可用于所有,,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,。

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  圖5. 熱敏電阻封裝類型示例,。圖片由 電子電氣電源

  測量部分很簡單——熱敏電阻變?yōu)镽(meas),兩線輸入應該可以正常工作,。困難的部分是將電阻測量值轉換為溫度,。雙 負溫度系數 和 PTC(正溫度系數)

  熱敏電阻是非線性的,隨著溫度的變化而變化電阻,。

  轉換需要查找表或復雜公式,。一些模擬技術可以近似線性化讀數;但是,,僅在較窄的溫度范圍內,。

  電阻式溫度檢測器

  RTD 的電阻并不低,而許多 RTD 在 0 °C 時為 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轉化為不可接受的溫度測量誤差。

  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 歐姆時可能不需要這樣做。

  RTD與溫度不完全成線性關系,,但它們的方程相當簡單(這超出了本文的范圍),。

  電位器

  電位計相當簡單?;旧?,將(+)A/D輸入連接到游標,將(-)輸入連接到低端或逆時針端(-),。輸出將與電位計的位置成正比,。

  比率電阻測量結論

  比率電阻測量概念很簡單:將相同的電流通過測量電阻和基準電阻,A/D輸出將與它們的比率成正比,。我們已經通過細節(jié)對其進行了擴展,,我們希望這些細節(jié)對您接下來的設計有所幫助。



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