高精度自动电阻测试仪
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摘要：介绍一种基于STM32F103单片机的高精度自动电阻测试仪的设计与制作。该电阻测试仪使用分压法来实现对电阻的测量，采用了高精度的16位∑-△ADC AD7705完成电阻电压的准确测量。整个系统易于控制，人机交互界面友好。经测试，系统功能齐全，精确度达到0．6％，转换速率达到10／秒。
关键词：单片机STM32；AD7705；高精度
传统的电阻测试仪存在需要调档，精度不够的缺点。本文介绍了使用分压法，采用了高精度的16位∑-△ADC AD7705完成电阻电压的准确测量的自动电阻测试仪的构成。
1 总体设计
1．1 基于分压的电阻测量法
该系统使用如图1所示的分压法测电阻，采用精密电阻做为R0，RX为测量电阻，通过测量U1，U2，由欧姆定理便可以测出。此方案电路结构简单，调试方便。只要把精准电阻R0标定好，使用高精度的AD进行采样，就可以测出RX。
1．2 系统组成
该系统由STM32F103单片机做主控，系统通过单片机控制继电器来实现电阻档的自动转换，采用了高精度的16位∑-△ADC AD7705完成电阻电压的准确测量，TFT彩色液晶可以实时显示测量电阻阻值及其误差，还可以显示电位器阻值曲线。系统总体方案框图如图2所示。
2 系统各主要部分的理论分析和实际设计
2．1 STM32F32单片机最小系统模块设计
本系统中主控芯片为STM32F103，此款单片机时钟频率达到72 MHz，在72 MHz时消耗36 mA(所有外设处于工作状)，待机时下降到2μA，价格便宜、高性能、低功耗。本系统全部的控制、测量、显示等功能均由其来完成。
2．2 电压采集模块
AD7705用∑-△转换技术实现了16位无丢失代码性能，具有0．003％的非线性度，包括由缓冲器和增益可编程放大器(PGA)组成的前端模拟调节电路，可编程数字滤波器等部件。非常符合本设计要求。
设计电路时，为减少数字电路对模拟电路的干扰，模拟地与数字地分开，电路设计图如图3所示。
2．3 基准电源模块
AD7705需要外部供给一个基准电压源，结合系统需要进行温度补偿，选择用AD780。AD780是一款超高精度带隙基准电压源，可以利用4．0 V～36 V的输入提供2．5 V或3．0 V输出。AD780可以用来提供最高10 mA的源电流或吸电流，并且可以在串联或分流模式下工作，无需外部器件便可提供正或负输出电压，因此适合几乎所有的高性能基准电压源应用。能提供稳定的2．5V或3．0V输出。
2．4 自动分压式电阻测量部分
采用传统台式仪表所采用的继电器量程选择模式，利用单片机控制继电器的通断实现量程的自动切换。由于继电器在未导通时电路为断路，而在导通后基本可视为0Ω导通，两端无压降，也就是说继电器是一个电子控制的开关，而且由于继电器是机械结构，其稳定性比较高，因此可以作为理想的自动仪表控制设备。4个继电器，4个精密电阻就可以组成自动分压式电阻测量模块，电路结构简单，调试方便。
3 软件设计
(1)“超时待机”节能设计，系统采用STM32作为主控芯片，考虑到该芯片在掉电模式下待机时电流下降到2 μA，具有非常低的功耗，对系统设计了“超时待机”节能：系统若超过预定的时间没有输入，采用软件方法让主芯片进入待机模式。
(2)滤波，AD7705内部有集成化的数字滤波，本系统在软件上实现了均值滤波。
(3)温度补偿，STM32F103内部内置有温度传感器，考虑到电阻存在温漂，电阻的阻值一般随温度的增加而增加，为确保电阻测试仪的稳定性和准确性，系统在软件上对电阻测试仪进行了温度补偿。
(4)电位器为单圈旋转式电位器，为了防止步进电机在电位器已经旋转到尽头还继续前进，不但影响测量精度，还会损坏电位器和步进电机。基于以上考虑，在软件上，当检测到电位器的阻值为50 Ω或4．6 kΩ时，单片机给信号步进电机，步进电机停止前进。
(5)软件设计流程图，如图4所示。
4 测试系统
4．1 测试方法及数据
待测电阻先用Agilent34401A六位半数字万用表进行检验和测量，然后用自动电阻测试仪进行测试。
测试结果表明：
(1)简易自动电阻测试仪的测量精度达到0．6％。
(2)简易自动电阻测试仪测量电位器的精度达到1．54％。
(3)转换速度大于10／s。
(4)电位器的测量，10 s能测量20个点。
5 误差分析
测量的误差主要来源是各数字信号与模拟信号之间的干扰，在电路设计上对模拟信号与数字信号进行了隔离。另外一个误差来源来自于电路中存在阻抗，通过反复测试，再用软件进行了矫正。
6 总结
本系统以STM32F103单片机为核心，结合AD7705电压采集、AD780基准电压源和一些简单的外围设备，进行了完整的设计。整个系统稳定可靠，测量精度高。
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