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毫歐姆（mΩ）電阻變送器

一、課題要求

1．任務(wù)

設(shè)計(jì)制作一個(gè)檢測(cè)mΩ電阻變送器，其示意圖如圖1-1所示：

圖1-1毫歐姆（mΩ）電阻變送器

2．要求

2.1基本要求

（1）檢測(cè)電路得輸出電壓VO1= 0～1V 。

（2）流經(jīng)Rx 得檢測(cè)電流It≤5mA 。

（3）在Rx=10mΩ～100mΩ量程范圍內(nèi)變送精度優(yōu)于10%（FS）。

（4）檢測(cè)電路得輸出內(nèi)阻≤20Ω 。

2.2發(fā)揮部分

（1）將檢測(cè)電路得輸出電壓VO1 轉(zhuǎn)換成1～5V 得標(biāo)準(zhǔn)電壓源輸出，電壓轉(zhuǎn)換電路至少能驅(qū)動(dòng)≤ 200Ω得電阻性負(fù)載。

（2）將檢測(cè)電路得輸出電壓VO1 轉(zhuǎn)換成4～20 mA 得標(biāo)準(zhǔn)電流源輸出，電流轉(zhuǎn)換電路至少能驅(qū)動(dòng)≥500Ω 得電阻性負(fù)載。

（3）增加量程越界指示功能。

（4）盡可能提高變送精度，直至優(yōu)于2%（FS）。

3．說(shuō)明

不能使用 "V／I 轉(zhuǎn)換"和"I／V 轉(zhuǎn)換"之類得專用IC ，測(cè)量放大器用INA128，運(yùn)放使用TLC084，電壓基準(zhǔn)用TL431。

二、方案設(shè)計(jì)與論證

1．四探頭電流檢測(cè)法

在測(cè)量阻值較小得電阻時(shí)，引線電阻和連接點(diǎn)處得接觸電阻會(huì)使測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確，因此要使用四探頭電流檢測(cè)法。其原理如圖2-1所示：該方法具有靈敏度高、測(cè)量準(zhǔn)確加上方法巧妙，使用方便、對(duì)電源穩(wěn)定性要求不高等特點(diǎn)，已被廣泛地應(yīng)用于電工技術(shù)和非電量電測(cè)中。

圖2-1四探頭電流檢測(cè)法

2.檢測(cè)電路

由圖1-1可知，檢測(cè)電路向被測(cè)電阻輸出一個(gè)恒定電流，并將被測(cè)電阻得電壓值送給后級(jí)電路。根據(jù)被測(cè)電阻和檢測(cè)電流得數(shù)量級(jí)，判斷輸出電壓值為μv級(jí)，需要經(jīng)過(guò)放大才能得到0-1V得電壓范圍。因此檢測(cè)電路應(yīng)包含一個(gè)高增益、高精度得放大器，在本課題中采用測(cè)量放大器。

綜上所述，檢測(cè)電路得結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示：

圖2-2 檢測(cè)電路

3.電壓轉(zhuǎn)換電路

通過(guò)線性放大可以把0-1V電壓轉(zhuǎn)換成1-5V，作為變送器得輸出電壓。該電壓也與電阻得大小呈線性關(guān)系。將此電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再通過(guò)換算即可得到被測(cè)電阻得測(cè)量值，歐姆表也可由該原理制成。

4.電流轉(zhuǎn)換電路

4-20mA也是儀表得標(biāo)準(zhǔn)輸出，它可由1-5V輸出電壓經(jīng)過(guò)V-I電路得到。也可以把1-5V電壓加在一個(gè)250Ω得電阻兩端后得到。相對(duì)來(lái)說(shuō)，后者電路更簡(jiǎn)單。但為了保證電路得驅(qū)動(dòng)能力，本設(shè)計(jì)采用V-I電路。

三、單元電路設(shè)計(jì)與仿真

1.檢測(cè)電路

（1）恒流源電路

本系統(tǒng)采用Howland電流源，其原理圖如圖3-1所示：

圖3-1 Howland電流源

兩個(gè)運(yùn)放TLC081均引入了負(fù)反饋，前者構(gòu)成同相求和運(yùn)算電路，后者構(gòu)成電壓跟隨器。根據(jù)虛短、虛斷原理，若取R1=R3，R2=R4，則輸出電流Iout=

。本系統(tǒng)取R1=R2=R3=R4=R5=R6=10k，Rs=2k，計(jì)算得Vin=2.5(1+)=5v，Iout=-2.5mA

Howland電路得仿真結(jié)果如圖3-2所示：

圖3-2 Howland電流源仿真

（2）測(cè)量放大器

由上文可以計(jì)算出：被測(cè)電阻得電壓變化范圍為0uV-250uV,而測(cè)量電路需要輸出0-1V得電壓。放大倍數(shù)為4000，一般得運(yùn)放難以實(shí)現(xiàn)高增益，高精度得放大。故本設(shè)計(jì)使用了測(cè)量放大器。

測(cè)量放大器可以用若干普通運(yùn)放搭建，也有專門得IC。從簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)得角度考慮，選用Ina128這款低功耗、高精度得通用儀表放大器。該芯片外圍電路簡(jiǎn)單，可實(shí)現(xiàn)1-10000得任意增益。

測(cè)量放大器電路如圖3-3所示：

圖3-3 測(cè)量放大器

由增益公式G=1+=可知，Rg=12.5Ω。需要注意得是，由于增益很大，誤差也被放大了，電阻得誤差也會(huì)對(duì)精度造成很大影響，而且可選用得電位器阻值都遠(yuǎn)大于12.5，難以進(jìn)行精確調(diào)整。所以4000倍得增益由二級(jí)運(yùn)放完成。取Rg=125Ω，即G=400。輸出端連接一個(gè)增益為10得放大電路即可。

Ina128得仿真結(jié)果如圖3-4所示：

圖3-4 測(cè)量放大器仿真

可以看到，檢測(cè)電路在驅(qū)動(dòng)20Ω負(fù)載時(shí)，輸出電壓沒有異常，滿足設(shè)計(jì)要求。

2.電壓轉(zhuǎn)換電路

電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3-5所示：

圖3-5 電壓轉(zhuǎn)換

該電路為一個(gè)反相求和電路。輸出電壓Vo=-Rf（

=-（4Vin+1），輸出端接驅(qū)動(dòng)電路提升帶負(fù)載能力，并把電壓反相，變?yōu)檎怠?/p>

電壓轉(zhuǎn)換電路（Rx=100mΩ）得仿真結(jié)果如圖3-6所示：

圖3-6 電壓轉(zhuǎn)換仿真

輸出電壓與預(yù)期一致，在驅(qū)動(dòng)200Ω電阻時(shí)能正常工作。

4.電流轉(zhuǎn)換電路

電流轉(zhuǎn)換電路如圖3-7所示：

圖3-7 電流轉(zhuǎn)換

該電路前級(jí)為反相求和電路，后級(jí)電路為負(fù)載共地方式得V-I轉(zhuǎn)換電路。負(fù)載電流僅由輸入電壓決定，而與負(fù)載得大小無(wú)關(guān)。由于運(yùn)放電源得限制負(fù)載只能在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)輸入電壓不變時(shí)，負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化，輸出電流將保持不變，這就構(gòu)成恒流源電路。

電流轉(zhuǎn)換電路得仿真結(jié)果（Rx=100mΩ）如圖2-8所示：輸出電流和驅(qū)動(dòng)能力均滿足要求。

圖3-8 電流轉(zhuǎn)換仿真

四、系統(tǒng)測(cè)試

1、測(cè)試儀器

直流穩(wěn)壓電源 GPS-4303C

高精度數(shù)字電橋測(cè)試儀 LCR-819

萬(wàn)用表 VA17

2、測(cè)試步驟

先對(duì)變送電路進(jìn)行校準(zhǔn)。直流穩(wěn)壓電源GPS-4303為系統(tǒng)提供±8V電源，接上一個(gè)校準(zhǔn)電阻，調(diào)節(jié)電路，使測(cè)量放大器輸出為1V，電壓轉(zhuǎn)換電路輸出為5V，電流轉(zhuǎn)換電路輸出為20mA。

把高精度數(shù)字電橋測(cè)試儀 LCR-819測(cè)得得電阻值作為理論值，計(jì)算出輸出電壓和輸出電流得理論值，并與萬(wàn)用表VA17測(cè)得得系統(tǒng)實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較，得到系統(tǒng)誤差。

3、測(cè)試數(shù)據(jù)