1 引言
在飛機上通常利用機體作為一根供電導線(xiàn)。為了保證飛機的正常供電要求從機頭到機尾的機體電阻必須小于0.005歐姆即5毫歐姆才不至于影響飛機的正常供電。
以往對于特低電阻值的測量通常采用比較的方法即手動(dòng)調節電橋平衡在精密電阻箱上得到讀數此方法既慢又不準確。即使采用6位半的高精度數字表直接測量電阻其電阻測量的分辨率也只能達到10毫歐姆。這說(shuō)明測量機體電阻是一個(gè)比較困難的超低阻值測量問(wèn)題。
2 系統設計與誤差分析
將測試線(xiàn)路及測試儀內部的線(xiàn)路電阻考慮在內時(shí)電阻值的測量范圍要達到100毫歐姆；為了準確測量出機體電阻分辨率要達到0.1毫歐姆。
從理論上說(shuō)采用24bit的A/D轉換器若輸入量程為5V則分辨率可達：
LSB=5/(224-1)=0.29微伏
即1mA電流流過(guò)1毫歐姆電阻產(chǎn)生的1微伏電壓降也能測量出來(lái)。但這省略了一個(gè)前提：被測量信號的信噪比必須非常高。如果線(xiàn)路的噪聲達到1mV那么即使1A電流在1毫歐姆電阻上產(chǎn)生的1mV電壓信號也檢測不出來(lái)。
根據需要測量的電阻值范圍和對被測量信號信噪比的要求設計的系統原理結構如圖1所示。
圖1 測試系統原理圖
測試系統的誤差分為量化誤差Δd和模擬誤差Δm兩部分�？杀硎緸椋�
Δd=A/D轉換器的積分非線(xiàn)性誤差I(lǐng)NL+A/D轉換器的微分非線(xiàn)性誤差DNL+量化誤差LSB
Δm=被測量的電阻*比例誤差系數+系統常數誤差十隨機誤差
上式中決定比例誤差系數的主要因素是恒流源精度、各個(gè)環(huán)節的溫漂和增益誤差等。決定系統常數誤差的主要因素是系統內部線(xiàn)路、測試線(xiàn)路和各個(gè)環(huán)節的調零。決定隨機誤差的主要因素是隨機接觸電阻、系統噪聲和外部干擾。
3 關(guān)鍵電路選型
3.1 低漂移大電流精密恒流源電路
理論和元器件數據資料表明以齊納二極管為基準的精密電壓參考源的性能優(yōu)于以能帶為基準的恒流源因此采用高性能的精密電壓參考源間接得到需要的精密相流源。電路如圖2所示。
圖2 高精密低溫漂恒流源電路
REF102是10V精密電壓參考源精度為±0.0025V溫漂為2.5ppm/℃max可滿(mǎn)足本系統電阻測量的要求。OPA111精密運算放大器作為電壓跟隨器使得REF102的GND端和放大器的同相端相等即R*為高精度、低溫漂的精密電阻則流過(guò)RL的電流為精密恒定電流。整個(gè)電路等效為恒流源電路。
恒流源擴展電路如圖3所示，布氏硬度計運算放大器工作在開(kāi)環(huán)狀態(tài)由于同相端和反相端的壓差幾乎為零運算放大器的偏置電流可以忽略不計因此恒流源電流在NR上的壓降與VMOS場(chǎng)效應管的源極電流在R上的壓降必定相等。當選擇
I1=1mA,NR=999R時(shí)
則Is=999*I1=999mA
所以I0=I1+Is=1mA+999mA=1.000A
選擇NR、R為高精度低溫漂電阻OPA602為精密運算放大器則擴展后輸出的電流是精密恒流源。
3.2 A/D轉換與單片機系統
由于測試量程要達100毫歐、分辨率要小于0.1毫歐所以A/D轉換器的二進(jìn)制編碼數至少要達到1000個(gè)相當于10位的A/D轉換器�？紤]到噪聲的影響以及A/D轉換器的差分非線(xiàn)性DNL、積分非線(xiàn)性NL和量化誤差LSB選擇16位的串行接口A(yíng)/D轉換器ADS7809。設定其輸入量程為10V則分辨率為0.1525mV。當被測量的電阻最大值為100毫歐恒流源電流為1A時(shí)被測電阻上的壓降為0.1V。為提高測試的精度將此信號放大100倍達到10V則理論上0.1毫歐的電阻可產(chǎn)生10mV的電壓降A/D轉換后的讀數可達65LSB可充分保證測量的精度。
圖3 精密擴展恒流源電路
4 關(guān)鍵誤差的消除
4.1 硬件濾波電路
由于機體是一個(gè)大的導體其感應的干擾信號很強機上設備工作時(shí)也會(huì )產(chǎn)生較大的干擾。而機體電阻是一個(gè)比較穩定的值在恒流源的激勵下產(chǎn)生的電壓信號是比較穩定的信號理論上近似如直流。因此在將測量信號加到A/D轉換器之前先經(jīng)過(guò)一個(gè)有源低通濾波器設定較低的截止頻率可濾除一切交流干擾。
4.2 軟件濾波
為進(jìn)一步提高系統抗干擾和噪聲的能力保證測試的精度，對獲得的測量值進(jìn)行數字濾波處理即進(jìn)行256次測量后取平均值。經(jīng)過(guò)軟、硬件濾波處理后的系統誤差僅僅±1LSB。
4.3 測試連接線(xiàn)及其與機上測試點(diǎn)隨機接觸電阻的消除
恒流源電流流經(jīng)的系統內部線(xiàn)路電阻和連接飛機的測試導線(xiàn)的導線(xiàn)電阻可達三十幾毫歐可作為系統常數誤差予以消除。
難以消除的誤差是隨機誤差來(lái)自于測試線(xiàn)路與機上連接點(diǎn)的隨機接觸電阻。每次測量時(shí)擰緊測試線(xiàn)的力度不同、接觸表面的清潔度不同其接觸電阻完全是隨機的變化范圍可達幾個(gè)毫歐。為此采用如圖4所示的測試連接電路予以消除。
圖4 消除隨機誤差的測試連接圖
測試原理是四線(xiàn)測試法。選擇L1~L4四根導線(xiàn)為相同導線(xiàn)電阻的鍍銀導線(xiàn)。M1、M2為機上測試連接點(diǎn)。在同一個(gè)測試點(diǎn)上擰緊兩根測試線(xiàn)L1和L2L3和L4。導線(xiàn)的另一端接至測試接線(xiàn)盒的接觸電阻小于0.05毫歐的φ6鍍金接線(xiàn)柱。采用手動(dòng)連接活動(dòng)鍍金接線(xiàn)片的辦法構成三種測試狀態(tài)：R+接T1、R—接N1測量出L1、L2及接觸點(diǎn)M1的接觸電阻；R+接N2、R—接T2測量出L3、L4及接觸點(diǎn)M2的接觸電阻。將這兩個(gè)電阻值取平均值作為測試線(xiàn)路的系統誤差。最后測出R+接N2、R—接N1的電阻值，減去上述測得的測試線(xiàn)路系統誤差即得到機體電阻值。
5 測試軟件流程圖
如圖5所示單片機采用查詢(xún)方式響應測試鍵控。用4個(gè)鍵對應四個(gè)測試狀態(tài)且及時(shí)顯示測試結果以便于操作者判斷。程序判斷四個(gè)電阻測試完后自動(dòng)修正各種誤差顯示并打印出所測得的機體電阻值并附帶其他信息以便于保存和驗證。
圖5 鍵控流程圖
6 結論
針對待測電阻和測試線(xiàn)路的特點(diǎn)設計了超高精度、超低漂移的精密恒流源巧妙地采用了四線(xiàn)測試法消除了難以克服的隨機接觸電阻的影響經(jīng)過(guò)元器件的反復選型和測驗最后達到滿(mǎn)足測試需求的效果�？蓽蚀_地測出1厘米長(cháng)的粗導線(xiàn)的導線(xiàn)電阻值。此設備已成功用于飛機機體電阻的測量和大功率開(kāi)關(guān)電器額定功率的檢測。
