基于恒频交流电流法的微电阻精密测量系统

刘秋军，陈龙娇，赵继敏，李小海

(上海交通大学电气工程系，上海 200240)



基于恒频交流电流法的微电阻精密测量系统

刘秋军，陈龙娇，赵继敏，李小海

(上海交通大学电气工程系，上海 200240)

针对微电阻精密测量问题，设计了基于恒频交流电流法的微电阻精密测量系统，基于欧姆定律，根据被测电阻上的电压电流信号和噪声不相关的特性，把有用的信号提取出来，通过融合双相锁相放大原理和自适应滤波原理这两种检测技术，实现小电阻精密测量。详细介绍了系统三大主模块：主芯片数据处理模块、恒频交流电源模块、弱信号调理模块的软硬件设计。经过测试，该系统满足一般工程的实际应用要求，在电气测量的技术应用上有一定的参考价值和推广价值。

微电阻精密测量；噪声；双相锁相放大器；自适应滤波；SH7216芯片

0 引言

在电气设备的精密检测时,常常会遇到微电阻的精密测量问题。所谓微电阻，是指阻值大约只有几十到几百μΩ级别的小电阻，用普通方法法根本无法测量。如今，比较成熟的μΩ级小电阻的测量方法常用的有3种[1-2]：大脉冲电流测量小电阻、直流恒流源测量小电阻、恒频交流电流测量小电阻。其中，恒频交流电流测量法主要是根据信号互相关原理进行测量，测量方法框图如图1所示。

图1 恒频交流电流测量法框图

将频率为X，幅值为Y的恒频交流电流通过被测电阻Rx，得到被测电阻电压us(t)，n(t)为噪声电压，与us(t)叠加，然后引入一个同us(t)频率相同的参考电压ur(t)，与叠加了噪声的us(t)相乘后再积分，根据噪声和参考电压互不相关的特性，此时输出的电压值只与被测电阻的电压、参考电压和两同频不同相电压的相位差有关，而与噪声无关，从而从噪声中提取了有用的弱信号[3]。相比较而言，恒频交流电流测量小电阻法的抗噪能力最强，对于弱信号的提取能力也最好，所以本文将围绕如何设计更精密的电阻测量系统展开研究。

1 系统总体设计

测量思路是在被测电阻两端加电流测电压，运用欧姆定律计算得到电阻，由于电阻阻值属于微弱信号，所以整个系统既要设计高精度的电压电流采集系统，还要分析测量过程中产生的噪声干扰和误差原因，并予以解决。系统主要包含了变频电源模块、弱信号调理模块和主芯片模块。系统主要架构图如图2。

图2 系统设计框图

采用变频电源模块作为恒频电流源向被测电阻提供一个频率恒定的测试电流，同时，该测试电流经过电流互感器进行电流采样，数据送入MCU主芯片的A/D口等待后续计算分析。采用四线测量法测量被测电阻两端的电压，先通过前置放大器放大低电压信号，再送入锁相放大电路与参考信号运算分析。参考信号也由变频电源提供，要求参考信号与有用信号频率相同，参考信号经过移相电路后，向锁相放大电路输入一个同相参考信号和一个正交参考信号，与待测信号经过锁相放大技术处理后，得到较纯净的电压信号，通过低通滤波器滤除高频分量，A/D处理后送入MCU主芯片的SPI接口等待后续计算分析。MCU主芯片将采集到的电压和电流信号进行处理，经过数字滤波和一些数学运算后，提取相关的信号参数，而后根据欧姆定律将获得的电压量和电流量相除，得到待测电阻阻值。MCU通过算法舍去一些假值，求出平均值，将得到的数据结果通过通讯接口RS232送入结果显示设备。

2 系统硬件设计

系统主要模块包括主芯片模块、变频电源模块和弱信号调理模块。其中主芯片模块，考虑到电阻数据结果处理的浮点计算、通讯接口、外接设备等性能，采用SH7216作为主芯片[4]。

2.1 变频电源模块

变频电源是将工频220 V的电源通过交-直-交变换，输出频率和电压可控的交流电。本文使用DSP控制，生成SPWM波，通过集成功率模块和LC滤波器转换后输出频率、电压可控的交流电源。变频电源的整流部分采用二极管不可控整流，整流获得的直流电压通过并联大电容稳压。逆变模块选用集成了IGBT功率器件和驱动保护电路的智能功率模块三相逆变器PS21964-4[5]。PS21964-4采用高电平驱动逻辑，避免了低电平驱动方式对电源切断和加入的时序控制，而DSP控制器输出的SPWM控制信号经过光电隔离后与PS21964-4控制端相连。考虑到SPWM控制信号处理的浮点计算、通讯接口、外接设备等性能，采用SH7216作为控制芯片[4]。另外，在功率模块的输出级接LC滤波电路，用于滤除高次谐波，获得标准正弦波。

2.2 弱信号调理模块

该模块主要包括了低噪声前置放大器、锁相放大电路、低通滤波电路和A/D转换模块4部分。放大器方面由于结型场效应管具有高输入阻抗、小栅源电容和低噪声系数的特点，故选用结型场效应管直接耦合连接成的电压负反馈放大电路作为前置放大器。锁相放大电路是基于AD630元件的[6]，AD630是一款高精度的平衡调制器，它的信号处理使用范围包括平衡调制解调器、正交检测、相敏检测、锁相放大和方波乘法计算等。锁相放大器的输出端是一个直流分量加上一个倍频分量，所以在输出口加一个低通滤波器滤除高频分量，就能实现整流输出，系统使用OP07芯片设计有源低通滤波电路[7]。由于微电阻测量的高精度要求，A/D转换模块选用AD7767芯片[8]，它是24位过采样逐次逼近型ADC，具有较宽的动态范围和输入带宽，片内集成数字滤波器，可以消除部分噪声，也降低了对信号输入之前进行滤波的需求。

3 软件设计

3.1 主芯片软件设计

下位机主芯片的软件工作主要包括：

(1)读写EEPROM。主要包括初始化EEPROM、预设参数的读取和存储；

(2)控制A/D芯片。主要包括控制A/D采样芯片开始/停止采集、设置采样频率、初始化SPI通讯(如设置时钟频率)、接收A/D采样数据(通过DMA模块将采样数据转移至指定内存位置等待处理)等；

(3)数据处理。主要包括基于相关检测原理的信号分析和基于最小均方差自适应算法的数字滤波，对于A/D采集到的电压、电流信号要经过特定算法处理分析后，提取有用成分，优化测量结果，再将电压、电流值根据欧姆定律作计算求取电阻；

(4)通讯功能。通过RS232实现与显示设备的通讯，自定义数据包结构，配置SCI模块。

3.2 变频电源模块软件设计

变频电源是通过脉宽调制技术控制三相桥式逆变器，使其输出频率可调、幅值可调的稳定的三相正弦信号，对电压、电流信号进行实时监控，一旦发生欠压或过压就切断三相逆变桥的输出，对电源模块进行保护。

其中，压频开环控制子程序由TIM1上溢中断触发，其中断流程图如图3所示。当TIM1上溢中断进入后，清中断标志位，先要采样读取电压、电流的偏移量，在电流、电压值读取完毕后减去各自的偏移量，获得的值再通过数字滤波计算得到直流桥电压、电流值，然后判断故障代码，若代码变化了，说明有系统发生故障，就转到故障显示和处理环节，若代码无变化，则表示此刻没有故障，就进行压频开环控制发出SPWM波，由TIM1的比较寄存器发出三相带死区控制的互补输出的SPWM控制信号，从而实现对上下桥臂共6路IGBT导通和关断的控制。

图3 上溢中断子程序

4 系统功能测试

4.1 双相锁相放大电路仿真

存在白噪声源和高频谐波干扰的双相锁相放大电路的仿真结果如图4所示，纵轴单位为μV.子图1是被测信号的波形；子图2是混入了200 μV大小白噪声和5 000 μV，80 Hz谐波噪声源的输入信号波形，可见被测信号被淹没在噪声中；子图3是经过相敏检波器(乘法器)和低通滤波器后的同相分量波形；子图4是经过相敏检波器(乘法器)和低通滤波器后的正交分量波形；子图5是经过累加后平均计算输出的波形，可见其值在1.5 s之后的幅值在10 μV的附近很小范围波动，基本趋于平稳，该值就是被测信号。说明双相锁相放大电路已经从混入白噪声的输入信号中提取出了有用信号，稳定时间约为1.5 s，输出误差在1 μV以内。需要说明的是simulink仿真的时间步长并不是实际硬件电路的时间步长，仿真时系统稳定时间为1.5 s，在实际情况下系统的稳定时间更小。从仿真结果看，使用双相锁相放大电路能在低信噪比环境下把有用信号提取出来，可以直接获得被测信号的幅值，输出误差在1 μV以内。

图4 存在白噪音和谐波噪声源的双相锁相放大电路的仿真结果

4.2 标准铜棒电阻测量试验

根据测试，可以发现系统的实际测量误差远低于1 μΩ，精度达到0.5%，完全符合实际测量要求。

5 结束语

针对电气设备精密检测时的微电阻测量问题，设计了基于恒频交流电流测电阻法的微电阻精密测量系统。系统基于欧姆定律，对微电阻上的弱电压与弱电流信号采用双相锁相放大技术从低性噪比环境下将微弱电压信号提取出来，再通过自适应滤波技术进一步将混入的噪声干扰滤除，通过这两种弱信号检测技术的融合，实现了微弱信号的精密测量，间接测量微电阻阻值。经过测试，该系统满足一般工程应用的实际应用要求，在电气测量的技术应用上有一定的参考价值和推广价值。

[1] 吴文全，叶晓慧.μΩ级小电阻测量方法研究.电测与仪表,2003(11)：26-28.

[2] RIETVELD G，VAN DER BEEK J H N，MORTARA A,et al.Low-ohmic resistance comparison：measurement capabilities and resistor traveling behavior.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2012：1-6.

[3] 朱恒宇,吴文全.小电阻测量技术.电子测量技术,2004(4)：52-53.

[4] Renesas Electronics.SH7214 Group，SH7216 Group User’s Manual：Hardware(Rev.3.00),2011：1-22.

[5] Mitsubishi Semiconductor Inc.PS21964-4/-4A/-4C/-4W Dual-In-Line Package Intelligent Power Module,2007(08)：1-10.

[6] Analog Devices Inc.AD630 Balanced Modulator/Demodulator(Rev.E),2004：1-12.

[7] Analog Devices Inc.OP07 Ultralow Offset Voltage Operational Amplifier(Rev.E),2006：1-16.

[8] Analog Devices Inc.AD7767 - 24-Bit,8.5 mW,109 dB,128 kSPS/64 kSPS/32 kSPS ADCs(Rev.C).2010：1-19.

Low Resistance Precision Measurement System Based on Constant Frequency AC Current Method

LIU Qiu-jun1,CHEN Long-jiao1,ZHAO Ji-min1,Li Xiao-hai1

(Department Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

This paper introduced and implemented a low resistance precision measurement system based on the constant frequency AC current method and Ohm’s Law.According to the non-correlation between the measured signal(voltage and current through the low resistor)and noise,the useful signal can be extracted,and then we achieved low resistance precision measurement.The paper gave the details about software and hardware design of the system’s three modules:CPU module,constant frequency AC source module and weak signal conditioning module.The experimental result verifies the correctness and reliability of the designed system.The system has a certain industrial and promotional value.

low resistance precision measurement;noise;two-phase lock-in amplifier;adaptive filter;SH7216 chip

2014-01-20 收修改稿日期：2014-11-19

TN707

A

1002-1841(2015)02-0064-03

刘秋军(1988—)，硕士研究生，从事数据采集与电机驱动控制技术方面研究。E-mail：liuqiujunjoey@126.com 陈龙娇(1989—)，硕士研究生，从事母线槽电阻精密测量技术研究。E-mail：josie_chen@126.com