STC單片機(jī)對(duì)高精度自動(dòng)電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)

本文給出了一種以STC89C54RD 為控制核心的高精度自動(dòng)電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)，系統(tǒng)量程為10Ω 到10MΩ，具有自動(dòng)切換量程和自動(dòng)篩選的功能。采用恒流測(cè)壓以及恒壓測(cè)流相結(jié)合的方法，同時(shí)采用高精度運(yùn)放OP07 及精密電阻確保測(cè)試電路測(cè)量的精度。為了避免高阻測(cè)試時(shí)的工頻干擾，采用12 位的高速AD574 進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，既保證測(cè)量速度又達(dá)到了數(shù)字濾波的效果。

此外，本文還闡述了整個(gè)系統(tǒng)的誤差來(lái)源以及減少誤差、提高精度的辦法。

0 引言

電子行業(yè)發(fā)展迅速，作為最基本的電路元件之一的電阻，在電子系統(tǒng)中的需求量不斷加大。在電子儀表中，需要精密的電阻來(lái)提高儀表的精度，對(duì)于普通的電子儀表的公司而言，需要既快捷又能保證精度的電阻測(cè)試儀，在電子電路的設(shè)計(jì)中，往往需要便捷的測(cè)出電阻值的阻值，因此，設(shè)計(jì)一個(gè)不僅安全性和可靠性高，而且簡(jiǎn)易實(shí)用的高精度電阻測(cè)量?jī)x具有很大的現(xiàn)實(shí)意義。利用單片機(jī)作為控制核心的智能儀器儀表應(yīng)用廣泛，其具有可靠性高、功耗低、體積小等優(yōu)點(diǎn)，使得測(cè)量?jī)x表更加數(shù)字化、智能化和微型化。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)由單片機(jī)STC89C54RD 控制，將被測(cè)電阻通過(guò)測(cè)量電路，將電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)殡妷汉?a href="http://wenjunhu.com/tags/電流/" target="_blank">電流的變化送給模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換，并將得到的數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)，通過(guò)軟件設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)電阻阻值的判斷測(cè)量，最后通過(guò)顯示電路將被測(cè)電阻顯示出來(lái)，同時(shí)通過(guò)軟件設(shè)計(jì)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)篩選的功能，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 恒流源測(cè)電壓法

采用OP07 構(gòu)成的雙運(yùn)放恒流源電路，利用流過(guò)被測(cè)電阻Rx的電流恒定，則通過(guò)測(cè)量Rx 兩端的電壓值來(lái)算出Rx 的電阻值，在測(cè)量小電阻（100-100kΩ）時(shí)可以有很高的精度。

2.2 恒壓源測(cè)電流法

采用恒流源測(cè)電壓的方法測(cè)大電阻（100k-10MΩ）時(shí)流過(guò)電阻的電流很小，輸出電壓較小，A/D 難以對(duì)其采樣轉(zhuǎn)換，同時(shí)存在較大的誤差，所以這種加壓測(cè)電流的方法在測(cè)大電阻時(shí)是行不通的。因此采用恒壓源測(cè)電流的方法，其設(shè)計(jì)電路圖如圖2 所示。

2.3 12 位A/D 轉(zhuǎn)換接口電路

整個(gè)系統(tǒng)的測(cè)量精度的提高以及測(cè)量速度的提升，還取決于模數(shù)轉(zhuǎn)換電路，模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD574 是一種經(jīng)典的12 位高速逐次比較型A/D，內(nèi)置雙極性轉(zhuǎn)換電路構(gòu)成的混合集成芯片，具外接元件少，功耗低，精度高，具有自動(dòng)校零和自動(dòng)極性轉(zhuǎn)換功能，只需外接少量的阻容元件即可構(gòu)成一個(gè)完整的A/D 轉(zhuǎn)換電路。

AD574 的非線性誤差小于1/2LSB，最大轉(zhuǎn)換時(shí)間為35us，適合于轉(zhuǎn)換速率小于30kB/s 的應(yīng)用領(lǐng)域。AD574 的輸入控制信號(hào)有CE，CS，R/C，A0，及12/8，控制信號(hào)與其對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)如表1所示，其與單片機(jī)的接口電路如圖3 所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

本電路中STC89C54RD 單片機(jī)控制繼電器的通斷，實(shí)現(xiàn)測(cè)量電阻電路的檔位切換。被測(cè)電阻所測(cè)的電壓送到A/D 轉(zhuǎn)換器AD574（數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，電壓和電阻的值相等）A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)送到單片機(jī)中進(jìn)行處理，最后進(jìn)行顯示，其流程圖如圖4 所示。自動(dòng)篩選程序首先判斷單片機(jī)是否有鍵按下，當(dāng)有鍵按下時(shí)，進(jìn)入篩選，否則進(jìn)入測(cè)量電路，采集A/D 模塊輸出的數(shù)值量，進(jìn)行處理，并將處理數(shù)值顯示。

4 誤差分析

4.1 系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的原因

（1）集成運(yùn)放的非理想產(chǎn)生誤差；

（2）A/D 轉(zhuǎn)換電路產(chǎn)生的誤差；。

（3）電場(chǎng)的干擾等。

4.2 減少誤差提高精度的主要方法

（1）設(shè)置四檔量程，但在同一量程中，去AD 的電壓范圍也在滿幅度到1/10 滿幅度之間，采用12 位AD 轉(zhuǎn)換時(shí)，在1/10 滿幅度（1V）以下時(shí)，精度不夠，現(xiàn)采用AD 過(guò)采樣的方法提高精度，每次測(cè)試時(shí)，進(jìn)行多次AD 轉(zhuǎn)換（200 次）后取平均值；

（2）高阻測(cè)試時(shí)，工頻干擾將影響測(cè)量，采用在一個(gè)工頻正弦周期里進(jìn)行多次（200 次）AD 轉(zhuǎn)換，可以使數(shù)字濾波的效果最佳；

（3）低阻測(cè)試時(shí)，導(dǎo)線電阻及繼電器和探頭的接觸電阻不可忽視，在測(cè)試時(shí)采用“四線制”，消去了相應(yīng)的誤差；

（4）工藝要求，為了保證電阻測(cè)試儀的高精度，在工藝上的要求也至關(guān)重要，首先電源必須經(jīng)過(guò)去耦濾波，地線盡量保證足夠的線粗，并盡可能短；其次運(yùn)放的電阻選擇必須要注意“配對(duì)”，即需要從大量的電阻中進(jìn)行篩選；再次，量程電阻要采用千分之一以上的精密電阻，最后運(yùn)放須選擇高精度運(yùn)放OP07.

5 結(jié)論

通過(guò)STC89C54RD 單片機(jī)對(duì)繼電器的通斷的控制進(jìn)行對(duì)測(cè)量電阻的量程切換，小電阻采用雙高精密運(yùn)放OP07 組成恒流源測(cè)量電壓，大電阻的測(cè)量是通過(guò)恒壓源測(cè)量電流來(lái)實(shí)現(xiàn)，將測(cè)到的電壓或電流送入到12 位串行AD574 電路，實(shí)現(xiàn)模擬量的采集，通過(guò)STC89C54RD 單片機(jī)以及鍵盤顯示電路實(shí)現(xiàn)了整個(gè)電路的控制。整個(gè)電路的硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)練，輸出的電壓穩(wěn)定。但整個(gè)系統(tǒng)偏重于軟件設(shè)計(jì)，A/D 轉(zhuǎn)換對(duì)不同量程的電阻輸出電壓的轉(zhuǎn)換算法不同，A/D 轉(zhuǎn)換的算法誤差，是系統(tǒng)測(cè)試誤差的主要來(lái)源。要不斷調(diào)整A/D 轉(zhuǎn)換的算法，從而不斷提高測(cè)試精度。