Точное измерение сопротивления с помощью неидеальных компонентов

Для преобразователей, таких как тензометрические датчики или термисторы, необходимо точное измерение сопротивлений, выполняемое недорогими средствами с помощью схем, построенных на основе несовершенных компонентов, в которых ошибки усиления и смещения могут значительно ограничить точность омических измерений. Правильная топология схемы позволяет исключить большинство составляющих ошибки измерения сопротивления, оставляя точность зависящей только от сопротивления одного эталонного резистора (Рисунок 1).

Топология с резистивным делителем обеспечивает более дешевую альтернативу источнику тока и прецизионному резистору.
Рисунок 1. Топология с резистивным делителем обеспечивает более дешевую
альтернативу источнику тока и прецизионному резистору.

В отличие от измерения напряжения или тока, измерение пассивного атрибута, например, сопротивления, требует стимулирующего воздействия. Один из методов измерения сопротивления заключается в пропускании через резистор известного тока и измерении падения напряжения на резисторе. Такое измерение сопротивления означает, что при правильном выборе стимулирующего тока не потребуются никакие расчеты, поэтому этот метод был популярен, когда стоимость вычислений превышала затраты на создание точного источника тока. Однако точность источника тока напрямую ограничивает точность считываемых данных, и любые ошибки усиления или смещения при измерении напряжения отклика VRESP также ухудшают точность. Кроме того, диапазон измерений ограничен допустимым диапазоном уровней входных сигналов АЦП, как показывает следующая формула:

где ISTIM – стимулирующий ток.

С появлением более мощных микроконтроллеров и интегрированных на кристалле логометрических АЦП менее затратный подход обеспечивает архитектура с резистивным делителем (Рисунок 2):

Теоретически эта архитектура обеспечивает диапазон измерений от короткого замыкания до обрыва, однако любая ошибка смещения при измерении напряжения отклика ограничивает фактический диапазон, а эталонное сопротивление ограничивает общую точность.

Фактически, ошибка, вносимая эталонным резистором, зависит от его стоимости, а напряжением питания служит опорное напряжение VREF. Ошибка усиления логометрического АЦП, как правило, невелика и не вносит большого вклада в общую ошибку, но это не относится к ошибке смещения, которая может оказывать наибольше влияние на общую точность. Использование более дорогих и точных компонентов уменьшает ошибку смещения любых операционных усилителей, используемых на пути прохождения измеряемого сигнала.

Большинство ошибок усиления и смещения устраняется при использовании двух измерений и вычислении отношения их результатов.
Рисунок 2. Большинство ошибок усиления и смещения устраняется при использовании
двух измерений и вычислении отношения их результатов.

На Рисунке 2 показано, как существенно снизить ошибки усиления и смещения путем вычитания двух измеренных значений напряжения, устраняющего любые ошибки смещения в измерительной системе:

Использование отношения этих двух значений разности устраняет любую ошибку усиления на пути прохождения измеряемого сигнала, и единственным компонентом, определяющим величину ошибки измерения, остается эталонный резистор. Этот результат справедлив при условии, что измеряемый сигнал никогда не выходит за пределы диапазона аналого-цифрового преобразователя. Чтобы гарантировать выполнение этого условия, коэффициент усиления буфера датчика должен быть немного меньше единицы.

Можно также измерять сопротивления нескольких резисторов, для чего все измерительные тракты мультиплексируются в один буфер и один АЦП. Тогда восемь аналоговых выводов позволят измерять до шести сигналов преобразователей (Рисунок 3). В качестве альтернативы каждый из четырех путей прохождения измеряемого сигнала можно подключить к собственному буферу и преобразователю.

Используя мультиплексирование в один буфер и один аналого-цифровой преобразователь, идею можно расширить на несколько датчиков и путей прохождения сигналов.
Рисунок 3. Используя мультиплексирование в один буфер и один аналого-цифровой
преобразователь, идею можно расширить на несколько датчиков и путей
прохождения сигналов.

В листинге, который можно загрузить по ссылке в конце статьи, показано, как реализовать управление схемой, изображенной на Рисунке 2, с помощью программируемого аналогового контроллера системы на кристалле. В нем используются модуль ADCINC12 компании Cypress [1], модуль с программируемым усилением и два аналоговых выходных буфера. Поместив аналоговый блок ADCINC12 непосредственно после буфера и установив тактовую частоту ADCINC12, равной 167 кГц, чтобы получить частоту выборки 10 выб/с, можно удалить из сигнала любые помехи с частотой 50 или 60 Гц. Если приложение требует более быстрого преобразования, увеличьте частоту дискретизации. Управляющая программа, написанная на C, вычисляет значение сопротивления и сохраняет его в памяти данных микроконтроллера.

  1. Исходный код программы управления схемой на Рисунке 2

Добавить свое объявление

* заполните обязательные данные

Статистика eFaster:

посетило сегодня 275
сейчас смотрят 11
представлено поставщиков 595
загружено
позиций
25 067 862