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(1.青岛大学 电子信息学院，山东 青岛 266071;2.中国计量科学研究院, 北京 100029;3. 国家质检总局 电子量子标准重点实验室,北京 100029 )

基于零磁通电流传感的自动电阻电桥设计

王艳萍1，鲁云峰2,3，迟宗涛1，李阳1

(1.青岛大学电子信息学院，山东青岛266071;2.中国计量科学研究院,北京100029;3.国家质检总局电子量子标准重点实验室,北京100029 )

因商用直流电流比较仪(DCC)精度高、结构复杂、成本高昂，基于商用零磁通电流传感器基础上研制了一套直流比较仪自动电阻电桥，以降低成本、满足电阻测量精度要求较低应用场合的需求;围绕零磁通电流传感器的原、副边线圈安匝平衡机制下，其原、副边电流比例一定的特点，设计了自动电阻电桥电路;采用基于DSP的嵌入式数字电路实现系统控制和算法，使用自制且经过校准的24位AD采集电路读取电桥中电阻两端的压差信号，经实时处理及屏幕显示，最终得到被测电阻(Rx)和标准电阻值(Rs)的比例值;采用经校准过的标准电阻(Rs)对该电阻电桥100 Ω：10 Ω和10 Ω：1 Ω的比例进行校准，实验结果表明：该电阻电桥测量的比例准确度可达10-6量级，测量的相对标准差为10-6～10-7量级。

零磁通电流传感器；直流电流比较仪；电阻电桥；DSP控制器

0 引言

在电磁计量领域中，电阻量溯源到量子化霍尔电阻基准，并通过实物电阻逐级向下传递。为保证电阻传递和测量的准确性，用于比较标准电阻的测量仪器显得尤为重要。[1-6]

国际上，两端钮电阻的测量大多采用惠斯顿电桥测量，四端电阻的测量则大多采用开尔文电桥。[7-10]然而，在一些高精度的电阻比对测量中，需考虑电压引线电阻，此情况下多采用具有两个独立回路的电阻电桥电路，以消除引线误差。主流的DCC厂商如高联，MI等大都采用这种结构的电阻电桥电路。但，这种电流平衡的结构相当复杂，对于磁材料和工艺的要求极高，所以价格非常昂贵。基于此现状，本文提出一种新的设计思路，采用现有的商用零磁通电流传感器，通过利用其原副边线圈安匝平衡的工作机制，设计了一套直流比较仪自动电阻电桥。本系统中选用了Hitec公司的MACC零磁通电流传感器，此系统具有体积小、精度高、稳定性强的特点。

1 系统原理及硬件设计

1.1 系统基本结构及工作原理

系统的主要功能为实现相对于标准电阻器的待校准电阻器的阻值校准。系统主要分为三个部分：DSP-FPGA核心控制及人机交互模块、电阻电桥及商用MACC模块、模拟前端采集模块。

图1 直流电流比较仪原理图

如图1所示，系统中主动电流源和标准电阻器(Rs)构成电桥主回路，从动电流和待校准电阻器(Rx)构成电桥的次回路。零磁通商用电流传感器(MACC)以主动电流源电流作为原边输入，基于其安匝平衡工作机制，在副边感应出与原边线圈匝数成反比例的从动电流。电桥中电流的正负方向由DSP-FPGA控制继电器进行切换。不平衡电桥电路中两个电阻的一端相连，另一端的电位差就是两个电阻的压降差。使用自制且经过校准的24位AD采集电路采集该电位差，送入DSP中进行分析计算，最终得到Rx和Rs的比值，显示在前面的液晶屏上，此外，用户可通过液晶屏实现数据的设定及读取等人机交互操作。

1.2 电桥平衡原理

具有两个独立回路的电桥电路的平衡条件为，两个被比较的电阻上的电压降相等。因此，对待测电阻进行校准，需测得待校准电阻Rx和标准电阻Rs的比值，即为流经其电流的反比。根据MACC的安匝平衡机制，可获得系统中电桥的主、次回路的电流比例。假设，在主回路中，主动电流流过RS标准电阻，产生的电压降为VS；次回路中，从动电流流过待校准电阻RX，产生电压降VX，电路中RX相对于RS的差模电压，即电桥的不平衡量Vmoff，其运算方程式为：

Voff=VS-VX

(1)

对VS及VX进行展开，得到下式：

Voff=IS*RS-IX*RX

(2)

为了去除电桥中引线电阻产生的误差及电压的热电势，在进行不平衡电压的采集时，首先，利用AD采集电路采集同一方向上的20个数据并取其平均值；其次，等待DSP处理器接收到3组平均值，即Voff1、Voff2、Voff3；最后，经过运算得到不平衡电压，其运算公式为：

Voff=(Voff1+Voff3-2Voff2)/4

(3)

设N为MACC的匝数比，对方程式(2)做相应变换，得到电阻RX和RS的比值方程式为：

RX/RS=N-Voff/RS*IX

(4)

其中，方程式中Voff为双极性的电压值，利用经过校准的24位AD采集电路可将其转换为数字量，RX是标准电阻值常量，IX为次回路电流，可依据MACC的安匝平衡原理换算得到。

1.3 硬件设计

1.3.1 DSP-FPGA核心控制及人机交互模块

本系统的控制核心为DSP-FPGA相结合的控制方式。利用DSP控制整个直流电流比较仪的运行状态、数据分析及处理、时序逻辑以及实现对人机交互界面的管理。FPGA则用来严格控制电阻电桥回路的正负换向过程，并将状态信息通过IO口实时反馈给DSP。

本系统中采用的DSP控制器，拥有高性能的静态CMOS技术，时钟频率可达150 Mhz，并且具有丰富的片内外设电路。其所具备的片内存储器以及运行内存完全能够支持整个DCC系统的开销，其强大的数字信号处理及事件管理能力，能够实现对多数据的快速分析及准确运算。

DSP控制人机交互界面过程为，用户通过系统前端的触摸屏，输入所需的Rs、Rx及采样数据个数等信息。触摸屏将用户设置的数据帧通过串口以UART通信协议的方式发送给DSP控制器。同时，DSP控制器将分析运算后得出的Rx和Rs的比值、平均值和相对标准差信息通过串口返回触摸屏，显示最终的结果信息，实现人机交互。该触摸屏的底层基本功能由其内嵌的芯片实现，使用时只需对其进行框架搭建，通过SD卡加载人机交互界面的显示页面及字库，通过串口实现数据交互。此触摸屏的优点为，基于内嵌接口的二次开发，节约开发时间，显示稳定。

1.3.2 电阻电桥及商用MACC模块

自动电阻电桥电路为两路独立的电阻回路，主回路电流由主动电流源给出。主动电流源由自制的基准电压板，换向电路板以及电流源核心板组成。

基准电压板的+10 V精密电压由精密电压基准芯片提供，该芯片具有极低的温度漂移(2.5 ppm/℃)，较小的噪声系数(5 uVpp 0.1 Hz to 10 Hz)，且稳定性极好(5 ppm/1000 hr)。经差动放大器可产生-10 V电压，用于换向的负电流。

换向电路中，继电器收到FPGA传来的正负脉冲，切换与之对应的正、负电压值提供给电流源核心板。为避免电压在正负切换过程中，产生的冲击对维持电桥回路稳定的电流传感器造成损害，影响两个电桥回路的电流比，造成整个电阻电桥电路测量结果的不稳定。本设计中，在换向电路中设计了缓慢换向积分电路，如图2所示。

图2 缓慢转向积分电路

缓慢换向积分电路由两个基本的二阶RC运放电路构成，其作用是：在电压发生正负变化时，通过配置RC电路的积分时间，减缓正负电压跳变的过程。其中，RC电路的积分时间可通过调节两个运放间的可变电阻进行配置。

电流源核心板由三个精密运放组成的前端仪表放大器，电流源电路和采样电阻切换电路组成。仪表放大器的作用是减少板间串扰，保证电流源的稳定性。因运放功率的限制，电路中使用功率放大器放大电流，以保证电流源输出功率。采样电阻使用的是中国计量科学研究院张钟华院士提出的低负载系数精密电阻。[11-12]参考电压、采样电阻的稳定度及电桥电路的精度，保证了电流源电流的稳定度，能够满足仪器整体的稳定性要求。

电桥的从回路电流由零磁通商用MACC的副线圈感应得出。其工作机制为基于磁调制原理，通过内部磁芯实现原、副边线圈的安匝平衡。该模块的主、从动电流的转换比率为1000:1，可通过在其外部增加缠绕匝数的方式改变其电流转换比率。主、从动电流比值系数能够通过其原、副边线圈缠绕匝数保持在一定数值上。本系统中，在其外部缠绕了500匝，并将50匝、100匝、200匝、500匝的线圈分别引出，连接至继电器，通过继电器可实现不同比例的匝数比，继而实现不同比例电流的切换。该商用MACC模块，性能优良，具有较高的精度，极低的线性误差(lt;4 ppm)，极低的温度漂移(lt;0.15 ppm/K)，极低的漂移时间(0.3 ppm/month)。这些优良的性能，为电阻电桥中电流比例的准确性及稳定性提供了保障。

1.3.3 模拟前端采集模块

核心器件为高精度模数转换器。系统选用了适合高精密应用的低噪声完整模拟前端，内置低噪声、24位∑-Δ型的模数转换器(ADC)，且内置缓冲器，可直接和电阻电桥等低阻抗输出连接。[13-16]片内内接数字滤波器对50Hz和60Hz进行带阻抑制，进一步降低噪声，提高系统的稳定性。

该模块的配置是通过写内部的配置寄存器和模式寄存器完成。因电桥不平衡量的量级为uV，所以可通过配置其增益系数，将信号内部增益至mV量级，从而提高转换精度。为了减少误差将模拟地和数字地进行了分离铺设，并用高频磁珠相连，可降低数字接口电路的高频开关噪声对其的串扰。此外， ADC模块的数字接口经三个光耦器件与DSP通信，可实现电气上的完全隔离，消除了DSP控制核心板对ADC模块的串扰。

在系统设计的过程中，利用多功能校准源对本模块进行了校准，校准结果如下文所述。

2 软件设计

本文采用基于CCS(Code Composer Studio)的软件编程方法，对系统进行了软件的设计，达到了很好的效果。CCS是TI 公司推出的为TMS320 系列DSP 进行软件开发的集成开发环境(IDE)。其工作环境为Windows 操作系统，类似于VC++的集成开发环境，采用图形接口界面。CCS 所集成的代码调试工具能对TMS320 系列DSP 进行指令级的仿真和可视化的实时数据分析。此外，提供了丰富的输入/输出库函数及信号处理库函数, 极大的简化了控制器开发过程。

为了构建控制器软件框架, 使编程易于测试和维护,本文采用了模块化设计, 将整个软件划分为初始化模块，信号采集模块，数据处理模块等主要模块。系统的软件设计流程为：仪器上电后，DSP从片内Flash加载程序代码，FPGA从EPCS-4加载芯片加载电路代码。完成初始化，执行代码：首先向电流源模块的模数转换器写电压指令字，开启电流输出。其次，初始化ADC模块，配置电压采样参数。进而初始化液晶屏显示，并读取用户的参数设置。完成以上操作后，进入主循环，查询FPGA反馈的换向状态。如正处于换向阶段，则不采集电压值，等待换向结束，采集电压值。根据电流的正负状态，将数据分别存入正、负暂存数组，通过运算，在每次方向改变后，得到一个数据，并存入结果数组，同时刷新液晶屏显示。之后进入下一次循环，重复上述过程。

本系统的软件流程图如图3所示。

图3 软件设计流程图

3 系统测试与分析

如前文所述，本设计中采用自制的24位AD采集卡对电桥中电阻两端的压差信号进行读取。在实验室环境下(20 ℃+0.5 ℃)，利用多功能校准源(FLUKE 5720)产生0.5 V、1 V标准直流信号，采集卡采集到的电压数据如表1所示。

表1 自制AD采集卡校准参数表

利用本文研制的DCC系统，分别对100 Ω：10 Ω以及10 Ω：1 Ω比例的Rx和Rs进行测试，其中利用经过校准的商用电流比较仪(高联6622A)对100 Ω：10 Ω、10 Ω：1 Ω的测量值分别为：10.0000179、9.9999795。

测试方法为，仪器上电后等待一段时间，使仪器进入稳定的工作状态。根据显示屏提示，输入被测电阻信息、电桥电压大小、换向时间以及测量数据个数等，本测试中电阻比例100 Ω：10 Ω电桥电压0.5 V，10 Ω：1 Ω电桥电压0.1 V，换向时间均为30 s，单次测量数据个数20个。

表2、表3分别给出了电阻100 Ω：10 Ω以及10 Ω：1 Ω的10次测量结果，其中10 Ω：1 Ω每次测量数据分散性均达到10-7量级，而100 Ω：10 Ω比例单次测量数据分散性为10-6量级。

表2 10 Ω:1 Ω测试结果

表3 100 Ω:10 Ω测试结果

通过对以上原始数据的分析计算，可得到直流电流比较仪(DCC)在该两组比例下的实际比例相对偏差为10-6量级，分散性和重复性均达到10-6～10-7量级。

分析表明，系统的误差主要来源于以下几个方面：一、主、从电流回路电流的比例由MACC电流传感器维持，MACC的安匝平衡精度，限制了精度的进一步提高。二、尽管经过了两级隔离，ADC模数转换器仍会受到周围环境的噪声影响，最终损失一些位数。三、虽然接线端子经过精心挑选，但是接线端子仍然存在一定的误差。在连接被校准电阻和标准电阻时，接线电阻与四线制电阻连接处也存在接触热电势，引入了测量误差。

以上因素综合起来，造成了系统的误差。

4 结论

本设计中使用了商用MACC零磁通电流传感器，保证了电桥中的两个回路电流比例的精确性。通过自制的已校准的AD采集电路读取自动电阻电桥电路中电阻两端的压差信号，经DSP的嵌入式数字电路的控制和运算，最终能够实现被测电阻的实时校准。实验表明，本文设计的DCC测量精度可到达 10-6～10-7量级，能够满足该测量精度要求下的电阻测量应用场合。该系统具有结构简单，成本低廉，精度较高，稳定性较好，易于使用的特点，具有广泛的应用前景。

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DesignofAutomaticResistorBridgeBasedonZero-fluxCurrentSensing

Wang Yanping1,Lu Yunfeng2，3,Chi Zongtao1,Li Yang1

(1.School of Electronic and Information Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071,China; 2.National Institute of Metrology, Beijing 100029, China; 3.Key Laboratory for Electrical Quantum Standard of AQSIQ, Beijing 100029, China)

Based on the commercial zero-flux DC measuring system to develop a set of DC current comparator automatic resistance bridge to reduce costs and satisfy the application of low precision of resistance measurement conditions. Around the ampere-turns balance of the zero-flux DC measuring system, automatic resistance bridge circuit is designed. Using the embedded digital circuit based on DSP to realize the control system and algorithm, and using homemade and calibrated 24 AD data acquisition circuit to read the differential voltage signal of the the resistance in the bridge. By the real-time processing and display, and ultimately get the ratio of the resistance value and standard resistance. Using the calibrated standard resistance to correct the bridge of 100 Ω: 10 Ω and 10 Ω:1 Ω, proportion accuracy reached orders of magnitude at 10-6,and relative standard deviation of the measurement for 10-6～10-7.

zero-flux DC measuring system；DC current comparator；resistance bridge；ADC

2017-05-05；

2017-06-20。

国家质检总局质量技术监督能力提升专项(ANL1612)。

王艳萍(1991-)，女，山东青岛人，硕士研究生，主要从事信号与信息处理方向的研究。

迟宗涛(1964-)，男，山东青岛人，教授，硕士研究生导师，主要从事传感器与电子测量方向的研究。

1671-4598(2017)09-0258-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.066

TM93

A