高精度直流微电阻测试仪的研究与开发-----硬件系统设计

数据采集与光耦隔离

整个数据采集放大部分的流程为待测电阻两端电压u：由量程旋钮调至随意一档对进行采集，经0P177芯片组成的运放放大，如果数据放大后至运算放大器输出达到饱和电压（sv）情况下，则采用这一档位，如果超过饱和电压，则手动换挡至合适为止，如果出现欠饱和的情况，同样需要手动调节量程档位直至合适为止。

在放大器的前面加入了低通滤波环节以去除50H：工频干扰以及频率高于50Hz的交流信号干扰；为使放大电路的放大倍数足够大，应尽可能的减小放大电路的初始直流误差，因此在本电路中设置了调零电路，将放大电路的末级输出失调调整到接近。

在本测试仪中，一个完整的数据采集输入程序是采集数据经低通过滤至光耦P521进行隔离处理再到运放0PI"组成的运放系统再至ADS7805型A/D转换器再传至单片机。

在本电路中通过光祸进行隔离。外部设备和微机之间，模拟信号和数字信号之间全部采用光祸隔离，避免了两部分之间有电的直接联系而产生干扰.光祸隔离的作用是对输入端和输出端进行电气隔离，它抗干扰能力强，但光祸隔离其自身也有可能存在非线性区域工作的问题，这一问题会带来光祸隔离的误差从而会影响测试仪的高精度。光耦隔离的输入端是发光二极管，它的输入特性可以用发光二极管的伏安特性来表示；输出端是光敏三极管，它的输出特性同样可以用光敏三极管的伏安特性来表示，因为发光二极管和光敏三极管的伏安特性中都存在非线性区域，因此，光祸隔离也必定存在非线性区域。

为了确保光耦隔离运行在线性区域内，在本电路中利用两个具有相同非线性传输特性的光电耦合器，不和界，以及两个射极跟随器A，和AZ组成。如图3.3所示：

光祸隔离界和兀的非线性传输特性是相同的，即

则放大器的电压增益为：

由此可见，利用写和兀电流传输特性的对称性，利用反馈原理可以很好的补偿他们原来的非线性。

在本测试仪的硬件电路系统中，数据采集部分的抑制误差的方法是采用采集环节接低通滤波器的方法；光祸隔离的误差消除方法是利用两只相同的光祸通过反馈原理补偿其原有的非线性。

放大电路

一般仪器的放大电路只是放大的一个功能，而本高精度直流微电阻测试仪对放大电路的要求非常的高，因为放大电路环节是导致测量误差的一个重要的部分，一方面，输入误差会在放大环节得到逐步的放大，误差经过放大后其幅度会较大从而影响仪器的高精度；另一方面，放大环节如果未做好误差控制，其本身的误差如温度漂移和运放失调也是很大的一个误差源，从而大大影响仪器的测量精度。

在理想情况下，当输入信号为零时，放大器输出直流电压为零，即零工作点。

随着温度等因素的变化，若输入信号为零时，放大器输出端却存在一定的直流电压，则该直流电压被称之为"零工作点漂移"，简称"零漂"。输出"零漂"电压折算到放大器输入端即除以放大增益的值为失调电压。当放大直流信号时，零漂

电压就成了无法与被测信号分离的"误差电压"。在这种情况下，本仪器采用了自稳零运算放大器，其基本设计思路是：将放大器的失调电压记忆在记忆电容上，然后将它回送到放大器的输入端，以抵消放大器本身的失调电压。其原理图如图3.4。

 

电路分为两个阶段，第一阶段为检测误差电压和寄存误差电压到记忆电容q的阶段。第二阶段即实现对失调电压接近理想的校正，并进行放大。自校零技术能够将零点漂移的影响降低至snV/℃。

由于要实现对微小电阻的测量，所以要求放大器的分辨率高（高达10uV），线性度好，输入阻抗高，并要求漂移低、噪声低和抗干扰能力强.应选用精密电阻和精密电位器，使温度的影响降至最低.为此，本测试仪的放大系统主要采用高精度集成运放OP177、IC76Rc实现。该电路的特点是：输入失调电压温度漂移低，输入失调电流温度漂移低，等效输入噪声电压小，等效输入噪声电流小，开环差模电压增益高，共模抑制比高。在本电路中，采用了差模输入的方法来减少误差。