李昌银

摘 要：本文基于欧姆定律，介绍了低测试电流的微电阻测量系统的整体架构，深入探究了系统硬件、软件的设计思路与方法，具有一定的指导意义与参考价值。

关键词：低测试电流；微电阻；测量系统

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.03.259

0 引言

在实际工程应用过程中，通常都需要测定出具体高导电材料的电阻大小。并且，在進行科研工作时，电阻率的测量也是对相关材料结构、物态变化进行有效监测的重要方法。然而，因为大部分金属试样都受到几何尺寸限制的影响，电阻值都会较小，通常仅为几微欧甚至是更低，因此对其进行精确测量难度较大。目前，有关低测试电流的微电阻测量系统的研究已经成为了国内外学者关注的重点与热点。

1 系统整体架构

一般来说，进行测量的总体思路为：将电流测的电压施加在被测电阻的两端，采用欧姆定律进行相关计算与分析，得出相应的电阻。因为电阻的阻值大小是微弱信号，因此在整个系统中不仅仅需要设计精度较高的电压电流采集系统，对测量时有可能造成噪音干扰以及相关误差的原因也应当认真分析，并尽可能避免其带来的影响。低测试电流的微电阻测量系统主要由变频电源模块、弱信号调理模块以及主芯片模块等构成，图1为整个系统的主要架构图。

2 系统硬件设计

2.1 变频电源模块

所谓变频电源，即是把220 V的工频的电源经“交—直—交”的变换来输出可以有效控制频率与电压的交流电。在本文中，拟采用DSP 控制方法以生成 SPWM波，并采用集成功率模块以及相应的LC 滤波器进行转换，从而达到输出频率与电压能够有效控制的交流电源的目的。

2.2 弱信号调理模块

在弱信号调理模块中主要分为四大部分，分别为：A/D 转换模块、低噪声前置放大器、低通滤波电路以及锁相放大电路。因为在进行微电阻测量时其精度要求相对较高，因此A/D 轉换模块选择采用AD7767。其动态范围和输入带相对较宽，且芯片中的集成数字滤波器能够帮助消除部分噪声。另外，其有利于信号输入前滤波要求的降低。对于放大器，因为结型场效应管要求具有高输入阻抗、低噪声系数以及小栅源电容特性，因而前置放大器采用结型场效应管直接耦合连接成的电压负反馈放大电路。在锁相放大电路中采用了AD630元件，其属于高精度平衡调制器。包括锁相放大、平衡调制解调器、方波乘法计算、相敏检测、以及正交检测等都是AD630元件信号处理使用的范围。

3 系统软件设计

3.1 主芯片软件的设计

对于下位机主芯片软件的设计，有四点主要工作内容：①对于读写EEPROM，其设计时要注意初始化 EEPROM以及读取、存储相关的预设参数。②对于控制 A/D芯片，其工作内容主要涉及对采样频率进行设置、控制A/D采样芯片开始和停止的采集、接收 A/D采样数据以及SPI通讯的初始化等。③对于数据处理，应当以有关的检测原理的信号分析为依据，并采用最小均方差自适应算法对数字进行滤波，在得出处理分析后的电流与电压信号之后，选择性提取有用的成分，从而优化测量的结果。在此基础上再按照欧姆定律算出电阻。④对于通讯功能，可以有效结合RS232来达到和显示设备通讯的目的，可以对数据包结构进行自定义，并配置合理的SCI 模块。

3.2 变频电源模块软件的设计。

变频电源可以采用脉宽调制技术实现对三相桥式逆变器的控制，从而达到调整输出频率与幅值，形成相对稳定的三相正弦信号的目的。其可以实时监控电压信号与电流信号，如果出现了欠压或者是过压现象，则可以及时切断三相逆变桥的输出，从而保护电源模块。其中的压频开环控制子程序是通过TIM1上溢中断触发实现的，图2给出了其基本流程。

4 结语

本文基于欧姆定律对低测试电流的微电阻测量系统进行设计，其采用了双相锁相放大技术对微电阻上的弱电压信号、弱电流信号进行采集、分析，并将微弱电压信号从低性噪比环境中提取出来，再充分利用自适应滤波技术排除了噪音的干扰。这种方式对于微弱信号的精密测量效果明显，且满足实际应用的要求。

参考文献：

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