使用模数转换器的比例电阻测量基础知识

　　了解模数 （A/D） 转换器中比率电阻测量的基础知识、测量方法以及数字万用表 （DMM）、微处理器和各种电阻传感器中的应用示例。

　　模数转换器 是比率式的，也就是说，它们的结果与输入电压与基准电压的比率成正比。 这可用于简化电阻测量。

　　测量电阻的标准方法是使电流通过 电阻器 并测量其 压降 （见图1）。 然后 欧姆定律 （V = I x R）可用于根据电压和电流计算电阻。 最终输出可以是模拟或数字输出。

　　

　　图1. 显示电阻测量的示例框图。

　　电压传递到一个 模拟输出电路 或 A/D 转换器。 这 电流源电路必须准确、无漂移，并且不受测量电阻和电源电压变化的影响。 设计这样的电路并不是特别困难，但需要精确、稳定的元件。 如果以这种方式使用A/D转换器，则需要同样精确和稳定的基准电压。

　　比率电阻测量

　　如果相同的电流通过两个电阻，则在电流变化时，它们的电压比将保持不变。 这可以用数学方式在公式1中表示为：

　　等式 1.

　　我们可以利用这些信息开发一个A/D转换器系统，如图2所示，该系统执行比例电阻测量，不需要恒定电流源或精确的基准电压。

　　

　　图2. 显示使用A/D转换器进行比率电阻测量的框图。

　　哪里：

　　R（set） 设置近似电流 （I），但确切电流会随着测量电阻的变化而变化

　　测量电压 V（in） 等于 I 乘以测量电阻 R（meas）

　　基准电压 V（ref） 等于 I 乘以基准电阻 R（ref）

　　总体而言，无论电流的确切值如何，数字结果都将与R（meas）/R（ref）成正比。与标准方法相比，不需要电流源电路和精密基准电压。只有一个组件R（ref）需要稳定和精确。

　　重要的是要注意，这只有在A/D转换器具有差分输入时才有效，这应该不是问题，因为大多数人都是如此。大多数转换器没有差分基准输入，因此R（ref）必须连接到公共电路。两个电阻必须具有相同的电流，因此，R（meas）
为 串联连接 与
R（ref）。图2的配置对于简单的仪表来说是可以的;但是，它可能不适用于输出连接到公共的传感器测量系统。为了解决这个问题，您需要一个带有差分基准输入的A/D转换器。我们将在下面的微处理器部分介绍这一点。

　　考虑到这一点，让我们看一下图 3 中的框图，它添加了两个新的细节。

　　

　　图3. 增加了细节的比率测量：参考调整和可选的四线电阻测量。

　　第一个添加是参考微调调整。没有它，转换将仅与基准电阻一样精确。例如，0.05%的精度需要0.05%或更好的电阻。通过微调，可以通过测量高精度R（meas）并调整微调器以获得正确的数字输出或读数来校准精度。固定基准调整电阻应高于R（ref）。微调器应仅为固定电阻的一小部分。

　　第二个细节增加了一个可选的四线（开尔文）输入测量，有时需要精确的低电阻测量。如果没有它，引线连接电阻会增加R（meas），增加几分之一欧姆。要看到这一点，只需拿一个标准万用表，将测试引线的末端夹在一起，然后测量电阻。它将读取几分之一欧姆，而不是零。

　　此外，四线连接通过一组引线提供电流，并使用第二对引线测量输入。没有电流流过测量引线，因此它们不会降低电压。测量电压真正为I x
R（meas），没有引线电阻引起的误差。高精度仪表通常包括四线电阻测量功能。

　　使用低成本数字万用表的电阻测量示例

　　掌握了所有这些信息后，让我们深入了解一个使用低成本的示例 数字万用表。假设我有一个低成本的 3-1/2
数字万用表，只需几美元即可在五金店购买。我无法完全探索它的电路，因为IC芯片被埋在环氧树脂下;但是，我进行了测试，它似乎使用非恒定电流源以这种方式工作。下面的表1显示了被测电阻具有+1%容差的结果：

　　表 1. 数字万用表设置为 200 欧姆范围时的数据结果。

　　R（测量值） +1%V（测量）我 数字万用表读数

　　0（短）– – –大约 1.9 毫安0.3 Ω（引线电阻）

　　10.0小时18.7毫伏1.87毫安10.3 Ω

　　100 Ω177.4毫伏1.74毫安100.6 Ω

　　182 吨307.5毫伏1.68毫安182.5 Ω

　　另一方面，表2显示了设置为20 KΩ范围时的数据结果。

　　表 2. 数字万用表设置为 20 KΩ 范围时的数据结果。

　　R（测量值） +1%V（测量）我数字万用表读数

　　0（短）– – –大约 22 微安0.00千分

　　1.00 千分22.4毫伏22.4 微安1.00 千分

　　10.0 千分133.5毫伏13.4 微安9.99千分

　　18.2 千分178.2毫伏9.8 微安182.7千米

　　结果呢？即使电流变化，读数也在 1% 的容差范围内。

　　请注意，我的高精度实验室欧姆表不能以这种方式工作。无论测量的电阻如何，其电流都保持精确恒定。

　　使用微处理器进行比率测量

　　多 微处理器 和 微控制器 包括一个 A/D 转换器。与图3类似，图4显示了如何连接示例微处理器的示例框图。

　　

　　图4. 使用带有差分基准输入的A/D转换器，可以将测得的电阻连接到电路公共。

　　使用带有差分基准输入的A/D转换器，可以将测得的电阻连接到电路公共。 但是，微处理器的 A/D
可能包含差分基准输入。如果是这样，您可以利用它来将测量的电阻连接到电路公共。如图4所示，测量电阻和基准电阻互换。

　　大多数微处理器允许使用代码切换A/D输入。加号基准可以切换到内部或外部基准，减号可以切换到外部或公共。如果两者都切换到外部，基准输入变为差分，不需要连接到公共。

　　此外，图4显示R（meas）现在可以连接到公共电阻，并且基准电阻“浮动”。系统现在可以将输入和输出连接到公共。虽然该图显示的是四线输入，但对于两线输入，只需将+IN连接到电流源，将-IN连接到公共。

　　电阻式传感器的比例测量基础知识

　　电阻式传感器包括 热敏电阻、热敏电阻 （电阻式温度检测器）和位置测量 电位器。比率测量可用于所有，我们将在以下部分中解释。

　　热敏电阻

　　图5显示了一些热敏电阻封装类型示例。

　　

　　图5. 热敏电阻封装类型示例。图片由 电子电气电源

　　测量部分很简单——热敏电阻变为R（meas），两线输入应该可以正常工作。困难的部分是将电阻测量值转换为温度。双 负温度系数 和 PTC（正温度系数）
热敏电阻是非线性的，随着温度的变化而变化电阻。

　　转换需要查找表或复杂公式。一些模拟技术可以近似线性化读数;但是，仅在较窄的温度范围内。

　　电阻式温度检测器

　　RTD 的电阻并不低，而许多 RTD 在 0 °C 时为 100 欧姆，200、500 和 1，000欧姆版本也很常见。然而，几分之一欧姆可能会转化为不可接受的温度测量误差。

　　铂RTDS（最常见的类型）的灵敏度约为每°C0.4%。 在 100 欧姆器件中，0.4 欧姆的引线电阻变为 1 °C （1.8 °F）误差，因此建议使用四线输入。在 500 或 1，000 欧姆时可能不需要这样做。

　　RTD与温度不完全成线性关系，但它们的方程相当简单（这超出了本文的范围）。

　　电位器

　　电位计相当简单。基本上，将（+）A/D输入连接到游标，将（-）输入连接到低端或逆时针端（-）。输出将与电位计的位置成正比。

　　比率电阻测量结论

　　比率电阻测量概念很简单：将相同的电流通过测量电阻和基准电阻，A/D输出将与它们的比率成正比。我们已经通过细节对其进行了扩展，我们希望这些细节对您接下来的设计有所帮助。