單片機電阻測量概論

1、基于單片機的電阻測量方法探究北京郵電大學(xué)張昊摘要：電阻是任何電路中不可缺少的元件，它的作用很多，可以分壓限流，可以進行能量轉(zhuǎn) 化，可以應(yīng)用于傳感，電阻阻值的大小直接關(guān)系到電路的性能?；陔娮铚y雖:的方法有很多， 其中利用單片機進行電阻測量是很重要的方法。本次探究中，我們正式是使用了數(shù)字化的方 法來實現(xiàn)對模擬電路值的間接測量。TI的Cortex- M4總共為我們提供了四種測量電阻的方 式，并且均可以在液晶板上顯示相應(yīng)的數(shù)值。在具體實驗時，我們需要在合適的位置加上跳 線帽，并將電阻插在適當(dāng)?shù)哪K上，計算得到我們要測量的電阻。電路的相關(guān)原理會在本文 中具體的闡釋，實驗當(dāng)中也不可避免的會遇見一些問題，

2、我們也對這些問題進行了探究。關(guān)鍵詞：電阻測星單片機 恒流源 ADS1100儀用放大1.背景與意義：電阻是一類很重要的元件，它的作用極大，分壓，分流，限流，有些特性電阻還有一般 電路所沒有的功能。例如輸入電阻是用來衡量放大器對信號源的彫響的一個性能指標(biāo)。輸入 電阻越大，表明放大器從信號源取的電流越小，放大器輸入端得到的信號電壓也越大，即信 號源電壓衰減的少。同時，電阻是產(chǎn)生熱損耗與熱噪聲的重要原因，它的阻值大小直接決左 了電路的好壞，因此用繞電阻測量產(chǎn)生了大量的測疑方法。常見的測量方法有伏安法，半偏 法，電橋法等等，這些都是基本的方法，但普遍精度不高。當(dāng)前范囤內(nèi)有許多種精確測量電 阻的方法，比如

3、對于低值電阻，有采用四線制電流倒向技術(shù)測量的方法，髙值電阻而言，也 有兆歐的歐姆表用于測量。本次探究是基于單片機的電阻測疑，它也可以很大程度上提高精 度，并且方便簡單，由于使用了嵌入式系統(tǒng)，數(shù)字化測量方法是其一大特點，對于這一方法 的探究很有價值，并且它擁有廣闊應(yīng)用前景。2.內(nèi)容及原理:圍繞電阻測量展開，我們分別用了 4種方式，分別是恒流源，電橋配上adsllOO與儀用 放大器，共同目的是精準(zhǔn)地測量電阻，每個實驗所測電阻均是通過萬用表測量與LCD顯示屏 所示數(shù)據(jù)計算所得，并將兩種做法進行比較，得出一致的結(jié)論。2.1恒流源電路測量電阻2.1.1恒流源電路原理恒流源提供給電阻R4大約2. 5v電壓

4、，產(chǎn)生1mA的電流，并且接上了兩級放大器，結(jié)成 了達林頓結(jié)構(gòu)，增大了電路電流的增益，使得流過待測電阻上的電流約在1mA，產(chǎn)生電壓信 號。由于所得的電壓信號是交流的，分析其頻譜會發(fā)現(xiàn)，有一部分髙頻在采樣的過程中會產(chǎn) 生頻譜混疊，產(chǎn)生失真。故在采樣前，我們先加了一級抗混疊濾波器，它本質(zhì)是個低通濾波 器，通過濾去高頻部分抑制混疊。3.3V參考電壓"Tci2丄2圖2.0 相關(guān)測量電路具體結(jié)構(gòu)2.1.2 ADS11OO采樣電路相關(guān)原理具體采樣時，使用了 ADS11OO這樣一個芯片（如圖2.0）。該芯片具有髙共模抑制比，高輸入阻抗，低功耗等突出特點。在這里，我們使用該芯片對電壓信號進行編碼，所產(chǎn)

5、生的 編碼值經(jīng)過芯片的自動增益調(diào)肖，使得采樣信號更加精準(zhǔn)，測量更加接近真實值。我們分別 將通過萬用表測量與單片機測量得出的結(jié)果進行對比，做岀了關(guān)系曲線（如圖2.1）,發(fā)現(xiàn) 兩者基本擬合。2.1.3儀用放大器原理待測電阻兩端的電壓首先經(jīng)過了儀表放大INA333,儀表放大器用來對待測電阻兩端的 差分信號差分放大并轉(zhuǎn)換為單端信號.INA333是微功耗零漂移軌到軌精密儀表放大器，其 內(nèi)部由兩級放大的三個放大器及RF濾波電路組成。前面兩個輸入緩沖放大器作為第一級 來提高放大器輸入阻抗，并在第一級的外部通過RG提供差分信號的增益（保持共模信號不 變），在第二級（即差動放大器）提供第二次差分信號的增益，并抑

6、制共模信號（如圖2.0）。 這樣差分信號可以被兩級放大，因此儀表放大器的放大倍數(shù)可以相當(dāng)大，可以設(shè)左在1 1000之間。本實驗中，取增益調(diào)整電阻R11為11KQ,這樣儀表放大器的放大倍數(shù)G為 10.為了使放大器能夠反映負(fù)壓的輸岀，需增偏苣電壓YREF,通過調(diào)節(jié)電位器R19可以實 現(xiàn)不同分壓。液晶屏顯示電壓值u二I*R*G+VREF,實驗測量中將跳線JP7的“2” “3”端短 接，偏置電壓VREF為0V.儀放I7A333要求輸入端共模電壓在100訶以上,故被測電阻值 不應(yīng)超過100歐。2.1.4原始測量數(shù)據(jù)經(jīng)過整理的測雖數(shù)據(jù)如下:(VIN+)-(VIN-)/VRxl計算/QRxl直測/Q誤差/%

7、0. 8769876.9872.90.458242641.01421014. 21012. 60.158009090. 6207620.7615.50.844841590. 3318331.8331.30.150920620. 1298129.8129.80表2.1 恒流源+ADS1100(VIN+)-(VIN-)/VRx2計算/QRx2直測/ Q誤差/%0. 55755.7150. 86-63. 0783510. 47447.4105. 93-55. 2534690. 42242.278. 75-46. 4126980. 36936.950. 28-26. 6109790. 35235.24

8、1.11-14.3760640.31531.530. 622.87393860. 20720.720. 381.570166830. 10110. 110. 060.397614310. 15815.815. 581.412066750. 26226.225. 353. 3530572表2.2恒流源+儀用放大器2.1.5數(shù)據(jù)處理我們同時使用萬用表與單片機兩種方式測咼電阻值，得到曲線（圖2. 1與圖22）如下:恒流源+ADS1100測量電阻-電壓圖電壓/VT- Rxli |算/Q f - Rxl 直測/Q圖21電阻，電壓關(guān)系曲線圖恒流源+儀用INA333測量電阻-電壓圖a圖2. 2儀用放大器電壓

9、電阻關(guān)系曲線可以看出使用ADS1100的電路測量電阻值在很大范圍內(nèi)十分精準(zhǔn)，而使用儀用放大器 測得的電阻值在35歐姆以上出現(xiàn)了較大偏差，說明該種測量方法存在較大輸入限制。2.2電橋電路測量電阻2.2.1電橋電路原理電橋法測量電阻是一種很重要的測量技術(shù)，電阻電橋可以用電流源驅(qū)動，也可以用電壓 源驅(qū)動。當(dāng)橋臂電阻發(fā)生變化時，電橋的平衡被打破，電橋輸出一個電壓。這個電壓就反映 了電阻的大小。當(dāng)電橋的四個橋臂電阻都相同，即電橋平衡時，電橋輸出電壓為ov。當(dāng)調(diào) 節(jié)待測電阻的阻值在01KQ變化時（實際應(yīng)用中電阻阻值變化非常?。?，電橋不再平衡， 電橋輸岀電壓由公式給岀。經(jīng)過抗混疊濾波器和ADS1100采樣電

10、路后，進入單片機。如果 電橋橋臂電阻不匹配，就會導(dǎo)致電橋不平衡，此時測量電阻的誤差非線性的，很難進行修 正。其步驟如下：調(diào)節(jié)待測電阻（電位器）阻值為0,測試測試點Vin+和Vin-之間的電 壓是否為零。如果不為零，需要更改電橋橋骨電阻。對于電橋測電阻，四個橋臂電阻最好 使用精密電阻，以實現(xiàn)良好的匹配。2.2.2實驗原始數(shù)據(jù)(VIN+)-(VIN-)/VRx3計算/ QRx3直測/Q誤差/%0. 082104.591837100. 354.227042090. 194266.483516261.31.983741480. 308459.016393449.72.071690780. 387612

11、.826603604.51.377436450. 496859.618718850.71.0483975表2.3 電橋法+ADS1100(VIN+)-(VIN-)/VRx4計算/ QRx4直測/Q誤差/%0. 38547.7815751.88-7.89982661.521203. 084318201.80.636431140. 78399.6373354102. 42-2.71691532. 208308. 984047304.181.579343492.819412.104378402.42.411624833. 057454. 809194503.6-9.68840463. 056454.

12、 626599602.9-24.593366表2.4電橋法+儀用放大器2.2.3實驗數(shù)據(jù)處理我們使用萬用表先測得原始電阻值.再將使用電橋情況下得到的電壓值代入相關(guān)公式,算出理論電阻值.二者結(jié)合得到曲線（圖2.3與圖2.4）如下:電橋+ADS1110測量電阻電壓圖-一 Rx3 i I算/Q T- Rx3 直測/Q圖2.3電橋加ADS1100電壓電阻關(guān)系曲線電橋+儀用INA333測量電阻-電壓圖 Rx4 汁算/Q Rx4 直測/Q圖2.4電橋加儀用放大器電壓電阻關(guān)系曲線由上圖可以看出使用ADS1100的電路測量電阻值在很大范用內(nèi)十分精準(zhǔn)，而使用儀用 放大器測得的電阻值在400歐姆以上出現(xiàn)了較大偏差

13、，說明該種測量方法存在輸入限制。3單片機電阻測量部分程序示例：2、ADC初始化*初始化克DC獲収滾輪電壓值，用于電橋電路測量電阻/I/ M4 PB4 <ADCO模數(shù)轉(zhuǎn)換信號源/I define ADC_BASEADCO_BASE/ 使用ADCO#define SequenceNum 3/ 使丿H丿宇歹lj3void Init_ADC_Detect()/使能ADCO外設(shè)ROM_SysCtlPeripheralEnable(SYSCTL_PERIPH_ADCO);/使能Port B外設(shè)端口ROM_SysCtlPeriph"a：LEnab：LE (SYSCTL_PERIPH_GPIO

14、B); /選擇PB4作為模數(shù)裝換ADC的管腳ROM_GPIOPinTypeADC(GPIO_PORTB_BASE z GPIO_PIN_4); /配置采樣席列的觸發(fā)源和優(yōu)先級ROM_ADCSequenceConfigure(ADC_BASE, SequenceNum,ADC_TRIGGER_PROCESSORZ 0);/配置采樣序列發(fā)生器的步進ROM_ADCSequenceStmpConfigurm(ADC_BASE, SequenceNum, 0, ADC_CTL_CH10 | ADC_CTL_IE |ADC_CTL_END);/使能i個采樣序列ROM_ADCSequenceEnable (

15、ADC_BASEZ SequenceNum);/清除采樣序列中斷源ROM_ADCIn(ADC_BASE, SequenceNum);2.ADC數(shù)據(jù)采樣在程序主循環(huán)中以一怎更新頻率的不斷采樣ADC外設(shè)端口的電壓值while(1)/對while做125ms的延時，每秒刷新頻率為8HnROM_SysCtlDelay (SysCtlClockGet () / 3 / 30);/# /ADC測電阻ADCProcessorTrigger(ADC_BASE, SequenceNum);/等待完成AD轉(zhuǎn)換while(!ADCIntStatus(ADC_BASE, SequenceNum, false)/淸楚A

16、DC中斷標(biāo)志位ADCIntClear(ADC_BASE, SequenceNum);/讀取ADC值A(chǔ)DCSequenceDataGet(ADC_BASE, SequenceNum, pui32ADC0Value); /根據(jù)參考電平3.3V將獲取的數(shù)字量轉(zhuǎn)化為實際電壓值 sample_Bridge_Average = (pui32ADC0Value0 * 3300) / 4096; 4. 探究結(jié)論：四組測量中，我們均將萬用表測量電阻與單片機測疑電阻進行對比，并作出了相應(yīng)的 曲線，發(fā)現(xiàn)除了儀用放大對測量電阻值范國有相應(yīng)的要求外，苴余實驗結(jié)果均表明利用該系 統(tǒng)所測量的電阻阻值很精確。ADS1100與儀用放大器均使用了差分電路，抑制了共模信號, 前者還帶有自動電壓增益控制，后者對輸出電壓值進行了顯著地放大，所有這些為構(gòu)建一個 精確而穩(wěn)定的測量