Основы измерения логико-сопротивления с использованием аналого-цифрового преобразователя

Аналого-цифровые преобразователи являются ратиометрическими, то есть их результат пропорционален отношению входного напряжения к опорному напряжению. Это можно использовать для упрощения измерения сопротивления.

Стандартный способ измерения сопротивления — пропустить ток через резистор и измерить его падение напряжения (см. рисунок 1). Затем закон Ома (V = I x R) можно использовать для расчета сопротивления по напряжению и току. Конечный результат может быть аналоговым или цифровым.

Напряжение передается либо на аналоговую выходную цепь, либо на аналого-цифровой преобразователь. Схема источника тока должна быть точной, без дрейфа и не подвержена влиянию измеренного сопротивления и изменений напряжения питания. Разработка такой схемы не представляет особой сложности, но требует точных и стабильных компонентов. АЦП, если он используется таким образом, нуждается в столь же точном и стабильном опорном напряжении.

Если через два резистора пропустить одинаковый ток, то соотношение их напряжений останется прежним при изменении тока. Математически это можно выразить в уравнении 1 как:

$$\frac{Voltage(2)}{Voltage(1)} = \frac{(I \times R2)}{(I \times R1)} = \frac{R2}{R1}$$

Мы можем использовать эту информацию для разработки системы аналого-цифрового преобразователя, как показано на рисунке 2, которая выполняет логометрическое измерение сопротивления и не требует источника постоянного тока или точного опорного напряжения.

Где:

В целом цифровой результат будет пропорционален R(meas)/R(ref) независимо от точного значения тока. По сравнению со стандартным подходом не требуется ни схемы источника тока, ни прецизионного опорного напряжения. Только один компонент, R(ref), должен быть стабильным и точным.

Важно отметить, что это будет работать только в том случае, если аналого-цифровой преобразователь имеет дифференциальный вход, что не должно быть проблемой, как это делает большинство преобразователей. Большинство преобразователей не имеют входов дифференциального задания, поэтому R(ref) должен быть подключен к общей цепи. Оба резистора должны иметь одинаковый ток, поэтому R(meas) подключается последовательно с R(ref). Конфигурация, показанная на рис. 2, подходит для простого счетчика; однако он может не подходить для систем измерения датчиков, выходы которых подключены к общему проводу. Чтобы решить эту проблему, вам понадобится аналого-цифровой преобразователь с дифференциальным опорным входом. Мы рассмотрим это в разделе о микропроцессорах ниже.

Имея это в виду, давайте взглянем на блок-схему на рисунке 3, в которой добавлены две новые детали.

Первым дополнением является регулировка эталонного триммирования. Без него преобразование будет таким же точным, как и эталонный резистор. Например, для точности 0,05 % потребуется резистор 0,05 % или выше. С помощью подстройки точность можно откалибровать путем измерения высокоточного значения R(meas) и настройки подстроечного резистора для правильного цифрового выхода или показания. Подстроечный резистор с фиксированным заданием должен быть выше, чем R(ref). Подстроечный резистор должен составлять лишь небольшой процент от постоянного резистора.

Вторая деталь добавляет дополнительное четырехпроводное (Кельвин) входное измерение, которое иногда необходимо для точных измерений низкого сопротивления. Без него сопротивления соединений выводов добавляются к R(meas), добавляя доли Ома. Чтобы убедиться в этом, просто возьмите стандартный мультиметр, соедините концы измерительных проводов вместе и измерьте сопротивление. Он будет показывать доли Ома, а не ноль.

Кроме того, четырехпроводное соединение подает ток через один набор проводов и использует вторую пару для измерения входного сигнала. Через измерительные провода ток не протекает, поэтому напряжение на них не падает. Измеренное напряжение действительно равно I x R(изм.), без ошибок из-за сопротивлений проводов. Высокоточные измерители обычно имеют возможность измерения сопротивления по четырехпроводной схеме.

Располагая всей этой информацией, давайте углубимся в пример использования недорогого цифрового мультиметра. Давайте представим, что у меня есть недорогой цифровой мультиметр 3-1/2, купленный всего за несколько долларов в хозяйственном магазине. Я не могу полностью изучить его схему, поскольку микросхема залита эпоксидной смолой; однако я провел тест, и, похоже, он работает таким образом с использованием источника непостоянного тока. В таблице 1 ниже приведены результаты, в которых измеренные резисторы имели допуск +1 %: