基于FPGA的高精度多量程的电阻测量系统设计

华 猛，黄伟军，苏 朗，肖金球

（1.苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州215009；2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏 苏州215009）

基于FPGA的高精度多量程的电阻测量系统设计

华 猛，黄伟军*，苏 朗，肖金球

（1.苏州科技大学 电子与信息工程学院，江苏 苏州215009；2.苏州市智能测控工程技术研究中心，江苏 苏州215009）

针对现有电阻测量设备存在的精度低、量程小等问题，提出一种新的测量方法。该方法在测量小阻值电阻时运用恒流源测量法，并使用ADS1115多通道同时采集被测电阻及参考电阻端电压，比例计算，降低误差，加权平均；测量大电阻时将555振荡电路作为R-f转换电路，通过测频率间接测量电阻，提高测量精度，扩大测量量程。测试结果表明，在全量程范围内系统测量误差均小于0.1%。

电阻测量；Kelvin；555振荡电路；高精度

电阻是基本电子元器件之一，其精度的高低直接影响到设计电路的精度和稳定性。目前多采用恒流源[1]测量法和恒压源测量法。恒流源在测量大电阻时，被测电阻使恒流源输出电流减小，影响测量的精度。恒压源测量法[2]测量小电阻时，电路中会产生较大电流，易损坏电源和被测电阻；且测量大电阻时信号不便调理，测量精度较差。

为提高测量精度，诸多学者采用二线、三线、四线制测量电阻[3-5]，还有学者采用FTC与Kelvin四线测量技术相结合的思想测量器件阻值[6]，四线制多通道测量电阻[7-8]，双系统多量程模拟开关电路测量电阻[9]等。目前设计的电阻测量设备存在量程和测量精度矛盾，测量方法单一，测量范围较小，测量范围大的设备精度又较低。笔者提出了将恒流源测电阻法与R-f间接测电阻法相结合测电阻，有较宽量程和较高精度。

1 系统方案

系统设计方案如图1所示，测量系统主要由恒流源测电阻模块和采用555振荡电路模块转换，R-f间接测电阻，FPGA[10]控制模块，LCD显示模块等四大部分组成。首先由555振荡电路进行测量，波形反馈给FPGA分析，根据粗测得电阻值，将量程切换到合适量程区间，精确测出电阻值。如果待测电阻为大电阻，使用555振荡电路R-f转换后，间接测量法精确测量，小电阻则利用恒流源测电阻法测量。该设计根据恒流源和555电路的特性，用1 kΩ界定大电阻与小电阻。其中，恒流源测电阻是由信号采集和调理模块及ADS1115模数转换模块组成，通过FPGA控制ADS1115多通道采集特点近乎同时采集被测电阻两端电压和参考电阻两端电压。利用已知恒流源电流值和被测电阻两端电压，可以计算出一个被测电阻值。再结合参考电阻两端电压，根据比例关系，利用4个电压信号可以再计算出一个被测电阻值，将两个值加权平均求得精确的电阻值，极大地降低了误差。

图1 系统设计方案

2 硬件设计及原理

2.1 恒流源法测电阻

该系统的恒流源法测电阻是采用了两种方法测量，根据两种方法的测量值，取加权平均值，即

其中a+b=1。

根据相应实验公式综合得出最终的精确电阻值。

2.1.1 恒流源Kelvin四线测电阻

Kelvin四线测量法能去除导线电阻引入的误差。如图2是Kelvin四线制测电阻等效电路。测试时每个端子都是由电流激励线和电压检测线构成，而且电压检测线的检测电路具有极高的输入阻抗。如图2，Rd1，Rd2，Rc1，Rc2是导线电阻与接触电阻总和。

检测回路电流Iv趋近于零，代入式（2）得

图2 Kelvin四线制测电阻等效电路

电压检测回路上通过电流极小，Rc1，Rc2带来的压降影响趋近于零；恒流源回路上Rd1，Rd2的压降，不在电压检测范围内，从而消除导线电阻对测量精度的影响。设计时先使用一根粗导线代替待测电阻接入电路，此时测得的电阻值是接触电阻的实际值，在程序中将测得电阻减去之前测得的接触电阻，将接触电阻对待测电阻的影响降到最低。综上所述，由式（3）可以计算出被测电阻阻值Rx1。Rx1是方法一恒流源四线测电阻法求得的电阻值。

2.1.2 恒流源参考电阻法测电阻

系统采用改进型HOWLAND电路，输出电流为Iout=Ui/R0[11]。为了提高测量精度，不同量程范围的阻值使用不同大小的电流源测量，由电流源设计原理可知，若输入电压保持不变，限流电阻limit_R切换到不同的电阻值时，输出的恒定电流则不同。为了进一步减小误差，再结合参考标准电阻的方法进行测量改进。如图3所示，是电路原理图，图中SX0，SX1是接线端。为了便于了解测量原理，较简单的信号调理电路不作详细说明。电路采用了具有自校准能力的ADS1115对被测电阻Rx的两端电压和标准电阻Standard_R的两端电压能进行精确采样分析。设待测电阻两端电压为URxH，URxL；标准电阻两端电压为URsH，URsL。

图3 恒流源参考电阻法电路

所以

Rx2是方法二参考电阻法测得电阻值。

利用比例关系联立式（4）、（5）可得式（6）计算出参考电阻法测得的阻值Rx2，再与式（2）恒流源测得的电阻Rx1，使用式（1）将二者加权平均综合求得Rx的值。根据大量实验得a取0.37，b取0.63时精度最高。

2.2 采用555振荡电路测量电阻的方法

555定时器的应用在生活中很为广泛，因为它本身电路简单，成本较低，高性能，高性价比的特点使其广受欢迎。图4是555定时器构成的方波振荡器，电容充电时间为T1，放电时间为T2，则输出方波为周期T或频率。

由 T1＝（R10+Rx）Cln2 和 T2=RxCln2 可得

根据上述公式（7）可得，通过FPGA采集555振荡电路输出方波，测量出方波周期、方波高电平时间和低电平时间中的任意一个值就可求得Rx的值。但是T1和T2相对T都是比较小的，而且较小时，T1和T2都不易得出，综上，选用测T来间接求出被测电阻Rx的值。

由式（7）可知被测电阻的精度，受电容C和电阻R10的准确性影响。设计采用高精度电阻，并且使用不同阻值的标准电阻代替Rx，测得Uo输出的周期，综合计算出电容C的准确值，以备编程中作为参考，精确求出待测电阻。

图4 555振荡电路

3 系统软件设计

3.1 总的控制算法

系统是用电流源测试阻值较小的电阻，555振荡电路测试阻值较大的电阻。为了避免恒流源输出大电流通过被测大电阻对系统造成影响，当待测电阻接入后，优先使用555振荡电路测试，如果测得的周期小于所设定的阈值时，切换至恒流源法测电阻，再由恒流源模块测电阻控制，使用ADS1115精密测量电压，最后综合分析，在LCD上显示测量的电阻值。具体流程图如图5所示。

3.2 自动量程切换

待测电阻接入电路，555振荡电路将进行R-f转换，FPGA测得周期后进行判断，如果大于1 kΩ电阻接入时的振荡周期时，系统处于合适量程；否则量程过大，测得电阻精度不够，需采用恒流源测电阻法。为了高效率测试，需要快速将电阻切换到合适量程，该设计通过测量周期得粗测值，判断是否需要使用恒流源量程精密测量。测量小电阻时，555振荡电路存在误差，对处于临界值的电阻切换的量程不一定合适，所以将比较阈值偏小设定，使存在小范围的测量重复区间，保证了测量精度。自动量程切换流程图如图6所示。

图5 主程序流程图

图6 自动量程切换流程图

恒流源测试时需要量程切换，主要是依据测试的URx和URx的值，如果URx＜URx/5时，表明被测电阻Rx的阻值不在该量程范围内，且阻值偏小，需要切换到合适的量程进行测量，否则在量程范围内，采集三次数据，求平均值，然后进行计算分析。

4 实验验证

实验采用泰克公司生产的DM4050六位半数字万用表，该设备具有很高精度的电阻测量能力，电阻分辨率达10 μΩ，精度要求能满足0.1%测量精度，实验验证，测量数据及误差如表1、表2。

表1 测量小于1 kΩ的电阻

表2 测量大于1 kΩ的电阻

针对不同范围的电阻，系统采用不同方法精确测量，小电阻采用恒流源测量法，大电阻采用R-f间接测量法。表1是系统测量较小电阻，表2是系统测量较大电阻的数据对比。表1中分析可得，系统的测试误差均在0.05%左右，表2分析得，系统测试误差均在0.08%左右，测量误差均小于0.1%。结果表明在10 mΩ～1 MΩ的全量程范围内，系统能满足高精度宽量程测试的要求。

5 结语

文中提出了基于FPGA的测电阻方法，通过R-f间接测电阻和恒流源法测电阻相结合实现了宽量程，并且将恒流源测电阻方法加以改进，与参考电阻法测电阻进行加权平均，提高测量精度，降低出现大误差可能性。总的系统测量实现了高精度多量程测电阻的目的，性价比高，具有很大的市场应用价值。

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Design of high precision multi-range resistance measurement system based on FPGA

HUA Meng， HUANG Weijun*， SU Lang， XIAO Jinqiu
（1.School of Electronic&Information Engineering，SUST，Suzhou 215009，China；2.Suzhou Intelligence Control Engineering Technology Center，Suzhou 215009，China）

In the view of the problems of existing resistance measurement equipment,such as low precision and small range,we put forward a new measuring method.Low resistance was measured by constant current source method.The voltage of resistance under test and the reference resistance were simultaneously collected by ADS1115 so as to do ratio calculation,reduce the error,measure the weighted average,and improve the accuracy of measurement.In measuring large resistance,we took 555 oscillation circuits as R-f conversion circuits.The resistance was indirectly measured by measuring the frequency of resistance.In this way,the measurement accuracy was improved and the measurement range enlarged.The test result shows that the measurement error was averagely less than 0.1%within full-scale range.

resistance measurement；Kelvin；555 oscillation circuit；high precision

TP216

A

2096－3289（2017）03－0060－04

责任编辑：艾淑艳

2016－09－24

江苏省建设厅系统科技项目（2014JH12）；苏州科技大学科研基金资助项目（XKZ201413）

华 猛（1992-），男，河南信阳人，硕士研究生，研究方向：光电自动检测技术。

*通信作者：黄伟军（1966-），男，副教授，硕士生导师，E-mail：wj_huang@126.com。