劉秋軍，陳龍嬌，趙繼敏，李小海

(上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240)

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基于恒頻交流電流法的微電阻精密測量系統(tǒng)

劉秋軍，陳龍嬌，趙繼敏，李小海

(上海交通大學(xué)電氣工程系，上海 200240)

針對微電阻精密測量問題，設(shè)計了基于恒頻交流電流法的微電阻精密測量系統(tǒng)，基于歐姆定律，根據(jù)被測電阻上的電壓電流信號和噪聲不相關(guān)的特性，把有用的信號提取出來，通過融合雙相鎖相放大原理和自適應(yīng)濾波原理這兩種檢測技術(shù)，實現(xiàn)小電阻精密測量。詳細(xì)介紹了系統(tǒng)三大主模塊：主芯片數(shù)據(jù)處理模塊、恒頻交流電源模塊、弱信號調(diào)理模塊的軟硬件設(shè)計。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)滿足一般工程的實際應(yīng)用要求，在電氣測量的技術(shù)應(yīng)用上有一定的參考價值和推廣價值。

微電阻精密測量；噪聲；雙相鎖相放大器；自適應(yīng)濾波；SH7216芯片

0 引言

在電氣設(shè)備的精密檢測時,常常會遇到微電阻的精密測量問題。所謂微電阻，是指阻值大約只有幾十到幾百μΩ級別的小電阻，用普通方法法根本無法測量。如今，比較成熟的μΩ級小電阻的測量方法常用的有3種[1-2]：大脈沖電流測量小電阻、直流恒流源測量小電阻、恒頻交流電流測量小電阻。其中，恒頻交流電流測量法主要是根據(jù)信號互相關(guān)原理進(jìn)行測量，測量方法框圖如圖1所示。

圖1 恒頻交流電流測量法框圖

將頻率為X，幅值為Y的恒頻交流電流通過被測電阻Rx，得到被測電阻電壓us(t)，n(t)為噪聲電壓，與us(t)疊加，然后引入一個同us(t)頻率相同的參考電壓ur(t)，與疊加了噪聲的us(t)相乘后再積分，根據(jù)噪聲和參考電壓互不相關(guān)的特性，此時輸出的電壓值只與被測電阻的電壓、參考電壓和兩同頻不同相電壓的相位差有關(guān)，而與噪聲無關(guān)，從而從噪聲中提取了有用的弱信號[3]。相比較而言，恒頻交流電流測量小電阻法的抗噪能力最強，對于弱信號的提取能力也最好，所以本文將圍繞如何設(shè)計更精密的電阻測量系統(tǒng)展開研究。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

測量思路是在被測電阻兩端加電流測電壓，運用歐姆定律計算得到電阻，由于電阻阻值屬于微弱信號，所以整個系統(tǒng)既要設(shè)計高精度的電壓電流采集系統(tǒng)，還要分析測量過程中產(chǎn)生的噪聲干擾和誤差原因，并予以解決。系統(tǒng)主要包含了變頻電源模塊、弱信號調(diào)理模塊和主芯片模塊。系統(tǒng)主要架構(gòu)圖如圖2。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖

采用變頻電源模塊作為恒頻電流源向被測電阻提供一個頻率恒定的測試電流，同時，該測試電流經(jīng)過電流互感器進(jìn)行電流采樣，數(shù)據(jù)送入MCU主芯片的A/D口等待后續(xù)計算分析。采用四線測量法測量被測電阻兩端的電壓，先通過前置放大器放大低電壓信號，再送入鎖相放大電路與參考信號運算分析。參考信號也由變頻電源提供，要求參考信號與有用信號頻率相同，參考信號經(jīng)過移相電路后，向鎖相放大電路輸入一個同相參考信號和一個正交參考信號，與待測信號經(jīng)過鎖相放大技術(shù)處理后，得到較純凈的電壓信號，通過低通濾波器濾除高頻分量，A/D處理后送入MCU主芯片的SPI接口等待后續(xù)計算分析。MCU主芯片將采集到的電壓和電流信號進(jìn)行處理，經(jīng)過數(shù)字濾波和一些數(shù)學(xué)運算后，提取相關(guān)的信號參數(shù)，而后根據(jù)歐姆定律將獲得的電壓量和電流量相除，得到待測電阻阻值。MCU通過算法舍去一些假值，求出平均值，將得到的數(shù)據(jù)結(jié)果通過通訊接口RS232送入結(jié)果顯示設(shè)備。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要模塊包括主芯片模塊、變頻電源模塊和弱信號調(diào)理模塊。其中主芯片模塊，考慮到電阻數(shù)據(jù)結(jié)果處理的浮點計算、通訊接口、外接設(shè)備等性能，采用SH7216作為主芯片[4]。

2.1 變頻電源模塊

變頻電源是將工頻220 V的電源通過交-直-交變換，輸出頻率和電壓可控的交流電。本文使用DSP控制，生成SPWM波，通過集成功率模塊和LC濾波器轉(zhuǎn)換后輸出頻率、電壓可控的交流電源。變頻電源的整流部分采用二極管不可控整流，整流獲得的直流電壓通過并聯(lián)大電容穩(wěn)壓。逆變模塊選用集成了IGBT功率器件和驅(qū)動保護(hù)電路的智能功率模塊三相逆變器PS21964-4[5]。PS21964-4采用高電平驅(qū)動邏輯，避免了低電平驅(qū)動方式對電源切斷和加入的時序控制，而DSP控制器輸出的SPWM控制信號經(jīng)過光電隔離后與PS21964-4控制端相連。考慮到SPWM控制信號處理的浮點計算、通訊接口、外接設(shè)備等性能，采用SH7216作為控制芯片[4]。另外，在功率模塊的輸出級接LC濾波電路，用于濾除高次諧波，獲得標(biāo)準(zhǔn)正弦波。

2.2 弱信號調(diào)理模塊

該模塊主要包括了低噪聲前置放大器、鎖相放大電路、低通濾波電路和A/D轉(zhuǎn)換模塊4部分。放大器方面由于結(jié)型場效應(yīng)管具有高輸入阻抗、小柵源電容和低噪聲系數(shù)的特點，故選用結(jié)型場效應(yīng)管直接耦合連接成的電壓負(fù)反饋放大電路作為前置放大器。鎖相放大電路是基于AD630元件的[6]，AD630是一款高精度的平衡調(diào)制器，它的信號處理使用范圍包括平衡調(diào)制解調(diào)器、正交檢測、相敏檢測、鎖相放大和方波乘法計算等。鎖相放大器的輸出端是一個直流分量加上一個倍頻分量，所以在輸出口加一個低通濾波器濾除高頻分量，就能實現(xiàn)整流輸出，系統(tǒng)使用OP07芯片設(shè)計有源低通濾波電路[7]。由于微電阻測量的高精度要求，A/D轉(zhuǎn)換模塊選用AD7767芯片[8]，它是24位過采樣逐次逼近型ADC，具有較寬的動態(tài)范圍和輸入帶寬，片內(nèi)集成數(shù)字濾波器，可以消除部分噪聲，也降低了對信號輸入之前進(jìn)行濾波的需求。

3 軟件設(shè)計

3.1 主芯片軟件設(shè)計

下位機(jī)主芯片的軟件工作主要包括：

(1)讀寫EEPROM。主要包括初始化EEPROM、預(yù)設(shè)參數(shù)的讀取和存儲；

(2)控制A/D芯片。主要包括控制A/D采樣芯片開始/停止采集、設(shè)置采樣頻率、初始化SPI通訊(如設(shè)置時鐘頻率)、接收A/D采樣數(shù)據(jù)(通過DMA模塊將采樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)移至指定內(nèi)存位置等待處理)等；

(3)數(shù)據(jù)處理。主要包括基于相關(guān)檢測原理的信號分析和基于最小均方差自適應(yīng)算法的數(shù)字濾波，對于A/D采集到的電壓、電流信號要經(jīng)過特定算法處理分析后，提取有用成分，優(yōu)化測量結(jié)果，再將電壓、電流值根據(jù)歐姆定律作計算求取電阻；

(4)通訊功能。通過RS232實現(xiàn)與顯示設(shè)備的通訊，自定義數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)，配置SCI模塊。

3.2 變頻電源模塊軟件設(shè)計

變頻電源是通過脈寬調(diào)制技術(shù)控制三相橋式逆變器，使其輸出頻率可調(diào)、幅值可調(diào)的穩(wěn)定的三相正弦信號，對電壓、電流信號進(jìn)行實時監(jiān)控，一旦發(fā)生欠壓或過壓就切斷三相逆變橋的輸出，對電源模塊進(jìn)行保護(hù)。

其中，壓頻開環(huán)控制子程序由TIM1上溢中斷觸發(fā)，其中斷流程圖如圖3所示。當(dāng)TIM1上溢中斷進(jìn)入后，清中斷標(biāo)志位，先要采樣讀取電壓、電流的偏移量，在電流、電壓值讀取完畢后減去各自的偏移量，獲得的值再通過數(shù)字濾波計算得到直流橋電壓、電流值，然后判斷故障代碼，若代碼變化了，說明有系統(tǒng)發(fā)生故障，就轉(zhuǎn)到故障顯示和處理環(huán)節(jié)，若代碼無變化，則表示此刻沒有故障，就進(jìn)行壓頻開環(huán)控制發(fā)出SPWM波，由TIM1的比較寄存器發(fā)出三相帶死區(qū)控制的互補輸出的SPWM控制信號，從而實現(xiàn)對上下橋臂共6路IGBT導(dǎo)通和關(guān)斷的控制。

圖3 上溢中斷子程序

4 系統(tǒng)功能測試

4.1 雙相鎖相放大電路仿真

存在白噪聲源和高頻諧波干擾的雙相鎖相放大電路的仿真結(jié)果如圖4所示，縱軸單位為μV.子圖1是被測信號的波形；子圖2是混入了200 μV大小白噪聲和5 000 μV，80 Hz諧波噪聲源的輸入信號波形，可見被測信號被淹沒在噪聲中；子圖3是經(jīng)過相敏檢波器(乘法器)和低通濾波器后的同相分量波形；子圖4是經(jīng)過相敏檢波器(乘法器)和低通濾波器后的正交分量波形；子圖5是經(jīng)過累加后平均計算輸出的波形，可見其值在1.5 s之后的幅值在10 μV的附近很小范圍波動，基本趨于平穩(wěn)，該值就是被測信號。說明雙相鎖相放大電路已經(jīng)從混入白噪聲的輸入信號中提取出了有用信號，穩(wěn)定時間約為1.5 s，輸出誤差在1 μV以內(nèi)。需要說明的是simulink仿真的時間步長并不是實際硬件電路的時間步長，仿真時系統(tǒng)穩(wěn)定時間為1.5 s，在實際情況下系統(tǒng)的穩(wěn)定時間更小。從仿真結(jié)果看，使用雙相鎖相放大電路能在低信噪比環(huán)境下把有用信號提取出來，可以直接獲得被測信號的幅值，輸出誤差在1 μV以內(nèi)。

圖4 存在白噪音和諧波噪聲源的雙相鎖相放大電路的仿真結(jié)果

4.2 標(biāo)準(zhǔn)銅棒電阻測量試驗

根據(jù)測試，可以發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的實際測量誤差遠(yuǎn)低于1 μΩ，精度達(dá)到0.5%，完全符合實際測量要求。

5 結(jié)束語

針對電氣設(shè)備精密檢測時的微電阻測量問題，設(shè)計了基于恒頻交流電流測電阻法的微電阻精密測量系統(tǒng)。系統(tǒng)基于歐姆定律，對微電阻上的弱電壓與弱電流信號采用雙相鎖相放大技術(shù)從低性噪比環(huán)境下將微弱電壓信號提取出來，再通過自適應(yīng)濾波技術(shù)進(jìn)一步將混入的噪聲干擾濾除，通過這兩種弱信號檢測技術(shù)的融合，實現(xiàn)了微弱信號的精密測量，間接測量微電阻阻值。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)滿足一般工程應(yīng)用的實際應(yīng)用要求，在電氣測量的技術(shù)應(yīng)用上有一定的參考價值和推廣價值。

[1] 吳文全，葉曉慧.μΩ級小電阻測量方法研究.電測與儀表,2003(11)：26-28.

[2] RIETVELD G，VAN DER BEEK J H N，MORTARA A,et al.Low-ohmic resistance comparison：measurement capabilities and resistor traveling behavior.IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement,2012：1-6.

[3] 朱恒宇,吳文全.小電阻測量技術(shù).電子測量技術(shù),2004(4)：52-53.

[4] Renesas Electronics.SH7214 Group，SH7216 Group User’s Manual：Hardware(Rev.3.00),2011：1-22.

[5] Mitsubishi Semiconductor Inc.PS21964-4/-4A/-4C/-4W Dual-In-Line Package Intelligent Power Module,2007(08)：1-10.

[6] Analog Devices Inc.AD630 Balanced Modulator/Demodulator(Rev.E),2004：1-12.

[7] Analog Devices Inc.OP07 Ultralow Offset Voltage Operational Amplifier(Rev.E),2006：1-16.

[8] Analog Devices Inc.AD7767 - 24-Bit,8.5 mW,109 dB,128 kSPS/64 kSPS/32 kSPS ADCs(Rev.C).2010：1-19.

Low Resistance Precision Measurement System Based on Constant Frequency AC Current Method

LIU Qiu-jun1,CHEN Long-jiao1,ZHAO Ji-min1,Li Xiao-hai1

(Department Electrical Engineering,Shanghai Jiaotong University,Shanghai 200240,China)

This paper introduced and implemented a low resistance precision measurement system based on the constant frequency AC current method and Ohm’s Law.According to the non-correlation between the measured signal(voltage and current through the low resistor)and noise,the useful signal can be extracted,and then we achieved low resistance precision measurement.The paper gave the details about software and hardware design of the system’s three modules:CPU module,constant frequency AC source module and weak signal conditioning module.The experimental result verifies the correctness and reliability of the designed system.The system has a certain industrial and promotional value.

low resistance precision measurement;noise;two-phase lock-in amplifier;adaptive filter;SH7216 chip

2014-01-20 收修改稿日期：2014-11-19

TN707

A

1002-1841(2015)02-0064-03

劉秋軍(1988—)，碩士研究生，從事數(shù)據(jù)采集與電機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)方面研究。E-mail：liuqiujunjoey@126.com 陳龍嬌(1989—)，碩士研究生，從事母線槽電阻精密測量技術(shù)研究。E-mail：josie_chen@126.com