一种微差法与比例法结合的电阻高精度测量系统与方法技术方案

本发明专利技术公开了一种微差法与比例法结合的电阻高精度测量系统与方法，其中系统包括：恒流源、参考电阻、第一差分放大器、可编程增益放大器、模数转换器、微处理器、数模转换器和被测电阻接口；被测电阻接口接入被测电阻；参考电阻与被测电阻串联构成串联支路，连接于恒流源和地之间；第一差分放大器的两个输入端分别与参考电阻两端连接，输出端与模数转换器的电压参考端连接；可编程增益放大器，第一输入端用于接入被测电阻的对地单端电压，第二输入端被控地与数模转换器的模拟输出端或地连接，输出端与模数转换器的模拟输入端连接，模数转换器和数模转换器的数字输出端均与微处理器连接；本发明专利技术系统能克服电源波动影响，成本低、测量精度高。

A High Precision Resistance Measurement System and Method Combining Differential Method with Proportional Method

【技术实现步骤摘要】
一种微差法与比例法结合的电阻高精度测量系统与方法
本专利技术涉及传感器与检测技术及仪器仪表领域，具体属于一种微差法与比例法结合的低成本高精度电阻测量系统与方法。
技术介绍
电阻的准确测量是电阻型传感器实现高精度测量的基础。电阻型传感器在实际工程中应用非常之多，其中需要对传感的电阻进行高精度测量的场合也常见。在自动检测系统中，对电阻的高精度测量多采用数字化测量方式，测量装置一般都包含有微处理器(CPU)、模数转换器(ADC)、信号输入电路。数字化测量系统的精度则主要取决于ADC的精度或位数，一般位数越多，系统分辨力越高、精度越高，但价格也越高。以美国TI公司MSP430F系列的微控制器为例，含12位ADC的MSP430F5524的价格比含10位ADC的MSP430F5510的价格要高出许多，两者的性能参数基本相同，但前者的千片价格为3.05$，后者为1.70$(两者仅非易失存储器的参数不同，通过比较MSP430G2755和MSP430G2855，易知存储器方面对价格的影响较小)。测量系统中常常需要使用数模转换器(DAC)，但DAC的价格相对ADC而言较为低廉，8位DAC如DAC101S101、10位DAC如DAC081S101价格在0.5$左右(上述价格数据均来自器件公司的网上报价)。由此可见，数字化测量系统的精度、成本很大程度上是受ADC影响。这种情况造成实际应用中对电阻的高精度测量要求受到用户或厂商的低成本要求的制约，因此，如何以低成本实现高性能的问题就成为基于电阻测量的检测系统研发所需要着重解决的一个关键问题。现有的自动检测系统，一般采用的是数字化电测技术，其实质仍是通过对能反映电阻变化的相应电压变化信号的测量来实现。在传感器与测量
，为了减小或消除测量误差，常常采用替代法、比例法和微差法等方法来提高或改善测量精度，虽然每种方法各有其特点，但均存在相应的技术缺陷：比例测量法(简称比例法)是利用被测量与已知量的比例关系计算确定被测量的量值的一种方法。应用时将被测电阻与已知标准电阻串联，利用两电阻的端电压和两电阻阻值的比例关系即可求出被测电阻阻值，电路简单，成本较低。以其实现高精度测量的优点是只有保证流过被测电阻与参考电阻串联支路的电流在短期内稳定，对具体数值却没有高要求。另外，以该方法实现高精度测量的条件实际还是包括了对电压测量的高精度要求。微差测量法(简称微差法)是将被测量与同它只有微小差别的已知其量值的同种量或同性质标准量相比较，通过测量这两个量值之间的差值以确定被测量的量值的测量方法。用这种方法测量时，只需测量两者的差值，并且由于标准量的误差很小，因此即使采用精度相对低的测量仪表，也能获得高的测量精度。采用精度相对低的测量仪表可以获得精度相对高的测量结果，这是微差法的主要优点。但是该方法在实际中是受到限制的，因为要获得与被测量相差很小的同类标准量是不容易的，有时是得不到的。因此，单一使用比例法或微差法均很难在实现高精度电阻测量的同时又能降低测量系统的成本。
技术实现思路
针对上述问题本专利技术提供一种微差法与比例法结合的电阻测量系统与方法，实现高精度电阻测量的同时又能降低测量系统的成本。为实现上述技术目的，本专利技术采用如下技术方案：一种微差法与比例法结合的电阻高精度测量系统，包括恒流源、参考电阻、第一差分放大器、可编程增益放大器、模数转换器、微处理器、数模转换器和被测电阻接口；所述被测电阻接口，用于接入被测电阻；所述参考电阻与被测电阻串联构成串联支路，所述串联支路的一端与所述恒流源连接，所述串联支路的另一端接地；所述第一差分放大器的两个输入端分别与所述参考电阻的两端连接，输出端与所述模数转换器的电压参考端连接；所述可编程增益放大器，第一输入端用于接入所述被测电阻的对地单端电压，第二输入端被控地与数模转换器的模拟输出端连接或与地连接，可编程增益放大器的输出端与模数转换器的模拟输入端连接；所述被测电阻的对地单端电压，与被测电阻两端的电势差对应；模数转换器的数字输出端和数模转换器的数字输入端均与微处理器连接。本专利技术采用参考电阻与被测电阻串联构建串联支路，并由恒流源供电，然后巧妙地利用第一差分放大器、可编程增益放大器、模数转换器以及数模转换器的连接关系，以采用比例法与微差法相结合对被测电阻进行测量，从而可以将两个串联电阻的电压和电阻的比例关系转化为：第一差分放大器与可编程增益放大器之间的比例关系以及模数转换器的转换结果与其最大转换输出值之间的比例关系，进而将被测电阻的阻值与参考电阻的阻值、第一差分放大器的放大倍数、可编程增益放大器的放大倍数以及模数转换器的最大转换输出值建立关系，从而能克服被测电阻因电流变化对测量精度的影响以及电源波动对模数转换结果的影响；同时可降低对测量系统中模数转换器的精度要求，并且有效提高对被测电阻的测量精度。正由于本专利技术对恒流源的精度和稳定性要求低、对模数转换器的位数要求低，因此本专利技术还可有效降低测量系统的构建成本。进一步地，所述恒流源、参考电阻、被测电阻和地，依次连接形成所述串联支路；所述可编程增益放大器的第一输入端与被测电阻的非接地端连接；或者，所述系统还包括第二差分放大器，所述恒流源、被测电阻、参考电阻和地，依次连接形成所述串联支路；所述第二差分放大器，两个输入端分别与被测电阻的两端连接，输出端与所述可编程增益放大器的第一输入端连接。进一步地，数模转换器的电压参考端与第一差分放大器的输出端连接。使ADC和DAC的参考电压为同一基准(第一差分放大器的输出电压UREF)，从而消除因被测电阻的工作电流变化或数值不准确、以及ADC与DAC的参考电压及其变化不同所带来的电阻测量误差，即是说可以克服电源波动对被测电阻高精度测量的影响。进一步地，所述可编程增益放大器的控制端与微处理器连接，且可编程增益放大器由所述微处理器设置放大倍数。进一步地，所述可编程增益放大器的放大倍数满足：可编程增益放大器输出的电压值小于模数转换器的最大转换值。进一步地，还包括第一开关元件，所述第一开关元件的控制端与微处理器连接，用于微处理器控制可编程增益放大器的第二输入端与数模转换器的模拟输出端连接或与地连接；和/或，还包括第二开关元件，所述第二开关元件的控制端与微处理器连接，用于微处理器控制第一差分放大器的输出端与模数转换器的电压参考端之间的通断；和/或，还包括第三开关元件，所述第三开关元件的控制端与微处理器连接，用于微处理器控制第一差分放大器的输出端与数模转换器的电压参考端之间的通断。一种微差法与比例法结合的电阻高精度测量方法，包括以下步骤：步骤1，将被测电阻接入到上述任一系统的被测电阻接口，其中可编程增益放大器的第二输入端与地连接；步骤2，微处理器获取对应被测电阻的模数转换结果；步骤2.1，可编程增益放大器将被测电阻的对地单端电压US放大A1倍，得到第一电压US*A1；模数转换器对得到的第一电压US*A1进行模数转换得到第一电压数字量D1；微处理器从模数转换器读取第一电压数字量D1；步骤2.2，微处理器按数模转换器位数计算并输出一个给定电压的数字量D1′并发送给数模转换器，数模转换器对给定电压数字量D1′进行数模转换得到给定电压U1；其中，表示向下取整，p1是模数转换器的分辨率，p2是数模转换器的分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微差法与比例法结合的电阻高精度测量系统，其特征在于，包括恒流源、参考电阻、第一差分放大器、可编程增益放大器、模数转换器、微处理器、数模转换器和被测电阻接口；所述被测电阻接口，用于接入被测电阻；所述参考电阻与被测电阻串联构成串联支路，所述串联支路的一端与所述恒流源连接，所述串联支路的另一端接地；所述第一差分放大器的两个输入端分别与所述参考电阻的两端连接，输出端与所述模数转换器的电压参考端连接；所述可编程增益放大器，第一输入端用于接入所述被测电阻的对地单端电压，第二输入端被控地与数模转换器的模拟输出端连接或与地连接，可编程增益放大器的输出端与模数转换器的模拟输入端连接；所述被测电阻的对地单端电压，与被测电阻两端的电势差对应；模数转换器的数字输出端和数模转换器的数字输入端均与微处理器连接。

【技术特征摘要】
1.一种微差法与比例法结合的电阻高精度测量系统，其特征在于，包括恒流源、参考电阻、第一差分放大器、可编程增益放大器、模数转换器、微处理器、数模转换器和被测电阻接口；所述被测电阻接口，用于接入被测电阻；所述参考电阻与被测电阻串联构成串联支路，所述串联支路的一端与所述恒流源连接，所述串联支路的另一端接地；所述第一差分放大器的两个输入端分别与所述参考电阻的两端连接，输出端与所述模数转换器的电压参考端连接；所述可编程增益放大器，第一输入端用于接入所述被测电阻的对地单端电压，第二输入端被控地与数模转换器的模拟输出端连接或与地连接，可编程增益放大器的输出端与模数转换器的模拟输入端连接；所述被测电阻的对地单端电压，与被测电阻两端的电势差对应；模数转换器的数字输出端和数模转换器的数字输入端均与微处理器连接。2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述恒流源、参考电阻、被测电阻和地，依次连接形成所述串联支路；所述可编程增益放大器的第一输入端与被测电阻的非接地端连接；或者，所述系统还包括第二差分放大器，所述恒流源、被测电阻、参考电阻和地，依次连接形成所述串联支路；所述第二差分放大器，两个输入端分别与被测电阻的两端连接，输出端与所述可编程增益放大器的第一输入端连接。3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，数模转换器的电压参考端与第一差分放大器的输出端连接。4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可编程增益放大器的控制端与微处理器连接，且可编程增益放大器由所述微处理器设置放大倍数。5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述可编程增益放大器的放大倍数满足：可编程增益放大器输出的电压值小于模数转换器的最大转换值。6.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还包括第一开关元件，所述第一开关元件的控制端与微处理器连接，用于微处理器控制可编程增益放大器的第二输入端与数模转换器的模拟输出端连接或与地连接；和/或，还包括第二开关元件，所述第二开关元件的控制端与微处理器连接，用于微处理器控制第一差分放大器的输出端与模数转换器的电压参考端之间的通断；和/或，还包括第三开关元件，所述第三开关元件的控制端与微处理器连接，用于微处理器控制第一差分放大器的输出端与数模转换器的电压参考端之间的通断。7.一种微差法与比例法结合的电阻高精度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，将被测电阻接入到权利要求1-5任一所述系统的被测电阻接口，其中可编程增益放大器的第二输入端与地连接；步骤2，微...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘少强，李杜林，樊晓平，陈泽宇，张熠铭，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43