使用模数转换器的比例电阻测量基础知识

A/D 转换器是比率式的，也就是说，它们的结果与输入电压与参考电压的比值成正比。这可用于简化电阻测量。

测量电阻的标准方法是让电流通过电阻并测量其压降 （见图 1）。然后，欧姆定律(V = I x R) 可用于计算电压和电流的电阻。终输出可以是模拟的或数字的。

 

图 1.显示电阻测量的示例框图。 

电压被传递到模拟输出电路或 A/D 转换器。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、稳定的元件。如果以这种方式使用 A/D 转换器，则需要同样和稳定的参考电压。

 比例电阻测量

 如果相同的电流通过两个电阻器，则即使电流发生变化，它们的电压比也将保持不变。这可以用公式 1 在数学上表示为：

我们可以使用此信息来开发 A/D 转换器系统，如图 2 所示，该系统执行比例电阻测量，不需要恒流源或的参考电压。

 

 

图 2.显示使用 A/D 转换器进行比例电阻测量的框图。

 在哪里：

 

• R(set) 设置近似电流 (I)，但确切的电流会随着被测电阻的变化而变化
• 测得的电压 V(in) 等于 I 乘以测得的电阻 R(meas)
• 参考电压 V(ref) 等于 I 乘以参考电阻 R(ref)

总体而言，数字结果将与 R(meas) / R(ref) 成正比，而不管电流的确切值如何。与标准方法相比，不需要电流源电路和精密参考电压。只有一个组件 R(ref) 需要稳定和。

  

重要的是要注意，这仅在 A/D 转换器具有差分输入时才有效，这应该不是问题，正如大多数人所做的那样。大多数转换器没有差分参考输入，因此 R(ref) 必须连接到电路公共端。两个电阻器必须具有相同的电流，因此，R(meas)与 R(ref)串联。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端的传感器测量系统。要解决这个问题，您需要一个带有差分参考输入的 A/D 转换器。我们将在下面的微处理器部分介绍它。

 

 

考虑到这一点，让我们看一下图 3 中的框图，其中添加了两个新细节。

 

 

图 3.添加了详细信息的比例测量：参考微调调整和可选的四线电阻测量。

 

个添加是参考修剪调整。没有它，转换将只能与参考电阻器一样准确。例如，0.05% 的准确度需要 0.05% 或更好的电阻器。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。固定参考微调电阻应高于 R(ref)。微调器应该只是固定电阻器的一小部分。 

第二个细节增加了一个可选的四线（开尔文）输入测量，有时需要进行的低电阻测量。没有它，引线连接电阻会增加到 R(meas)，增加几分之一欧姆。要查看这一点，只需使用标准万用表，将测试导线的末端夹在一起，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。没有电流流过测量导线，因此它们不会降低电压。测得的电压是真正的 I x R(meas)，没有由于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 DMM 的电阻测量示例 

掌握所有这些信息后，让我们深入研究一个使用低成本DMM 的示例。假设我有一个低成本的 3-1/2 数字万用表，在五金店仅需几美元即可购买。由于IC芯片埋在环氧树脂下，我无法完全探索它的电路；但是，我进行了测试，它似乎使用非恒定电流源以这种方式运行。下面的表 1 包含测量电阻器具有 +1% 容差的结果：

 表 1. DMM 设置为 200 欧姆范围的数据结果。

R(测量值) +1%	V(量度)	我	数字万用表读数
0（短）	– – –	1.9 毫安（约）	0.3 Ω（引线电阻）
10.0 欧姆	18.7毫伏	1.87毫安	10.3 欧姆
100 欧姆	177.4毫伏	1.74毫安	100.6 欧姆
182 欧姆	307.5毫伏	1.68毫安	182.5 欧姆

  

另一方面，表 2 显示了设置为 20 KΩ 范围时的数据结果。

表 2. DMM 设置为 20 KΩ 范围时的数据结果

 

R(测量值) +1%	V(量度)	我	数字万用表读数
0（短）	– – –	22 uA（大约）	0.00 千欧
1.00 千欧	22.4毫伏	22.4 微安	1.00 千欧
10.0 千欧	133.5毫伏	13.4 微安	9.99 千欧
18.2 千欧	178.2毫伏	9.8 微安	182.7 千欧

 

结果？即使电流变化，读数也都在百分之一的公差范围内。

 

请注意，我的高精度实验室欧姆表不是这样工作的。无论测得的电阻如何，它的电流都地保持恒定。

使用微处理器进行比例测量

许多微处理器和微控制器都包含一个 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.使用带有差分参考输入的 A/D 转换器，您可以将测得的电阻连接到电路公共端。

使用带有差分参考输入的 A/D 转换器，您可以将测得的电阻连接到电路公共端。 但是，您的微处理器的 A/D 可能包含一个差分参考输入。如果是这样，您可以利用它将被测电阻器连接到电路公共端。如图 4 所示，被测电阻和参考电阻互换。

大多数微处理器允许使用代码切换 A/D 输入。正参考可以切换为内部或外部参考，负参考可以切换为外部参考或公共参考。如果两者都切换到外部，则参考输入变为差分并且不需要连接到公共端。

此外，图 4 显示 R(meas) 现在可以连接到公共端，参考电阻“浮动”。系统现在可以将输入和输出连接到一个公共端。虽然图中显示的是四线输入，但对于两线输入，只需将+IN 连接到电流源，-IN 连接到公共端即可。

电阻传感器的比例测量基础知识 

电阻式传感器包括热敏电阻、RTD（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情况，我们将在以下部分中进行解释。  

热敏电阻 

图 5 显示了一些示例热敏电阻封装类型。 

图 5.热敏电阻封装类型示例。图片由EE Power提供 

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。NTC （负温度系数） 和PTC（正温度系数）热敏电阻都是非线性的，并且随着温度的变化而改变电阻。 

转换需要查找表或复杂的方程式。一些模拟技术可以使读数近似线性化；但是，仅在狭窄的温度范围内。 

电阻式温度检测器 (RTD)

RTD 的电阻不低，而许多在 0 °C 时为 100 欧姆，200、500 和 1,000 欧姆的版本也很常见。但是，零点几欧姆可能会转化为不可接受的温度测量误差

 

铂 RTDS（常见的类型）的灵敏度约为每 °C 0.4%。在 100 欧姆的设备中，0.4 欧姆的引线电阻会产生 1 °C (1.8 °F) 的误差，因此建议使用四线输入。这在 500 或 1,000 欧姆时可能没有必要。

 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

电位器相当简单。基本上，将 (+) A/D 输入连接到抽头，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。

比例电阻测量结论 

比例电阻测量概念很简单：将相同的电流流过被测电阻和参考电阻，A/D 输出将与它们的比值成正比。我们通过详细信息对其进行了扩展，希望对您的下一个设计有所帮助。