基于零磁通電流傳感的自動電阻電橋設計

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(1.青島大學 電子信息學院，山東 青島 266071;2.中國計量科學研究院, 北京 100029;3. 國家質檢總局 電子量子標準重點實驗室,北京 100029 )

基于零磁通電流傳感的自動電阻電橋設計

王艷萍1，魯云峰2,3，遲宗濤1，李陽1

(1.青島大學電子信息學院，山東青島266071;2.中國計量科學研究院,北京100029;3.國家質檢總局電子量子標準重點實驗室,北京100029 )

因商用直流電流比較儀(DCC)精度高、結構復雜、成本高昂，基于商用零磁通電流傳感器基礎上研制了一套直流比較儀自動電阻電橋，以降低成本、滿足電阻測量精度要求較低應用場合的需求;圍繞零磁通電流傳感器的原、副邊線圈安匝平衡機制下，其原、副邊電流比例一定的特點，設計了自動電阻電橋電路;采用基于DSP的嵌入式數字電路實現系統控制和算法，使用自制且經過校準的24位AD采集電路讀取電橋中電阻兩端的壓差信號，經實時處理及屏幕顯示，最終得到被測電阻(Rx)和標準電阻值(Rs)的比例值;采用經校準過的標準電阻(Rs)對該電阻電橋100 Ω：10 Ω和10 Ω：1 Ω的比例進行校準，實驗結果表明：該電阻電橋測量的比例準確度可達10-6量級，測量的相對標準差為10-6～10-7量級。

零磁通電流傳感器；直流電流比較儀；電阻電橋；DSP控制器

0 引言

在電磁計量領域中，電阻量溯源到量子化霍爾電阻基準，并通過實物電阻逐級向下傳遞。為保證電阻傳遞和測量的準確性，用于比較標準電阻的測量儀器顯得尤為重要。[1-6]

國際上，兩端鈕電阻的測量大多采用惠斯頓電橋測量，四端電阻的測量則大多采用開爾文電橋。[7-10]然而，在一些高精度的電阻比對測量中，需考慮電壓引線電阻，此情況下多采用具有兩個獨立回路的電阻電橋電路，以消除引線誤差。主流的DCC廠商如高聯，MI等大都采用這種結構的電阻電橋電路。但，這種電流平衡的結構相當復雜，對于磁材料和工藝的要求極高，所以價格非常昂貴。基于此現狀，本文提出一種新的設計思路，采用現有的商用零磁通電流傳感器，通過利用其原副邊線圈安匝平衡的工作機制，設計了一套直流比較儀自動電阻電橋。本系統中選用了Hitec公司的MACC零磁通電流傳感器，此系統具有體積小、精度高、穩定性強的特點。

1 系統原理及硬件設計

1.1 系統基本結構及工作原理

系統的主要功能為實現相對于標準電阻器的待校準電阻器的阻值校準。系統主要分為三個部分：DSP-FPGA核心控制及人機交互模塊、電阻電橋及商用MACC模塊、模擬前端采集模塊。

圖1 直流電流比較儀原理圖

如圖1所示，系統中主動電流源和標準電阻器(Rs)構成電橋主回路，從動電流和待校準電阻器(Rx)構成電橋的次回路。零磁通商用電流傳感器(MACC)以主動電流源電流作為原邊輸入，基于其安匝平衡工作機制，在副邊感應出與原邊線圈匝數成反比例的從動電流。電橋中電流的正負方向由DSP-FPGA控制繼電器進行切換。不平衡電橋電路中兩個電阻的一端相連，另一端的電位差就是兩個電阻的壓降差。使用自制且經過校準的24位AD采集電路采集該電位差，送入DSP中進行分析計算，最終得到Rx和Rs的比值，顯示在前面的液晶屏上，此外，用戶可通過液晶屏實現數據的設定及讀取等人機交互操作。

1.2 電橋平衡原理

具有兩個獨立回路的電橋電路的平衡條件為，兩個被比較的電阻上的電壓降相等。因此，對待測電阻進行校準，需測得待校準電阻Rx和標準電阻Rs的比值，即為流經其電流的反比。根據MACC的安匝平衡機制，可獲得系統中電橋的主、次回路的電流比例。假設，在主回路中，主動電流流過RS標準電阻，產生的電壓降為VS；次回路中，從動電流流過待校準電阻RX，產生電壓降VX，電路中RX相對于RS的差模電壓，即電橋的不平衡量Vmoff，其運算方程式為：

Voff=VS-VX

(1)

對VS及VX進行展開，得到下式：

Voff=IS*RS-IX*RX

(2)

為了去除電橋中引線電阻產生的誤差及電壓的熱電勢，在進行不平衡電壓的采集時，首先，利用AD采集電路采集同一方向上的20個數據并取其平均值；其次，等待DSP處理器接收到3組平均值，即Voff1、Voff2、Voff3；最后，經過運算得到不平衡電壓，其運算公式為：

Voff=(Voff1+Voff3-2Voff2)/4

(3)

設N為MACC的匝數比，對方程式(2)做相應變換，得到電阻RX和RS的比值方程式為：

RX/RS=N-Voff/RS*IX

(4)

其中，方程式中Voff為雙極性的電壓值，利用經過校準的24位AD采集電路可將其轉換為數字量，RX是標準電阻值常量，IX為次回路電流，可依據MACC的安匝平衡原理換算得到。

1.3 硬件設計

1.3.1 DSP-FPGA核心控制及人機交互模塊

本系統的控制核心為DSP-FPGA相結合的控制方式。利用DSP控制整個直流電流比較儀的運行狀態、數據分析及處理、時序邏輯以及實現對人機交互界面的管理。FPGA則用來嚴格控制電阻電橋回路的正負換向過程，并將狀態信息通過IO口實時反饋給DSP。

本系統中采用的DSP控制器，擁有高性能的靜態CMOS技術，時鐘頻率可達150 Mhz，并且具有豐富的片內外設電路。其所具備的片內存儲器以及運行內存完全能夠支持整個DCC系統的開銷，其強大的數字信號處理及事件管理能力，能夠實現對多數據的快速分析及準確運算。

DSP控制人機交互界面過程為，用戶通過系統前端的觸摸屏，輸入所需的Rs、Rx及采樣數據個數等信息。觸摸屏將用戶設置的數據幀通過串口以UART通信協議的方式發送給DSP控制器。同時，DSP控制器將分析運算后得出的Rx和Rs的比值、平均值和相對標準差信息通過串口返回觸摸屏，顯示最終的結果信息，實現人機交互。該觸摸屏的底層基本功能由其內嵌的芯片實現，使用時只需對其進行框架搭建，通過SD卡加載人機交互界面的顯示頁面及字庫，通過串口實現數據交互。此觸摸屏的優點為，基于內嵌接口的二次開發，節約開發時間，顯示穩定。

1.3.2 電阻電橋及商用MACC模塊

自動電阻電橋電路為兩路獨立的電阻回路，主回路電流由主動電流源給出。主動電流源由自制的基準電壓板，換向電路板以及電流源核心板組成。

基準電壓板的+10 V精密電壓由精密電壓基準芯片提供，該芯片具有極低的溫度漂移(2.5 ppm/℃)，較小的噪聲系數(5 uVpp 0.1 Hz to 10 Hz)，且穩定性極好(5 ppm/1000 hr)。經差動放大器可產生-10 V電壓，用于換向的負電流。

換向電路中，繼電器收到FPGA傳來的正負脈沖，切換與之對應的正、負電壓值提供給電流源核心板。為避免電壓在正負切換過程中，產生的沖擊對維持電橋回路穩定的電流傳感器造成損害，影響兩個電橋回路的電流比，造成整個電阻電橋電路測量結果的不穩定。本設計中，在換向電路中設計了緩慢換向積分電路，如圖2所示。

圖2 緩慢轉向積分電路

緩慢換向積分電路由兩個基本的二階RC運放電路構成，其作用是：在電壓發生正負變化時，通過配置RC電路的積分時間，減緩正負電壓跳變的過程。其中，RC電路的積分時間可通過調節兩個運放間的可變電阻進行配置。

電流源核心板由三個精密運放組成的前端儀表放大器，電流源電路和采樣電阻切換電路組成。儀表放大器的作用是減少板間串擾，保證電流源的穩定性。因運放功率的限制，電路中使用功率放大器放大電流，以保證電流源輸出功率。采樣電阻使用的是中國計量科學研究院張鐘華院士提出的低負載系數精密電阻。[11-12]參考電壓、采樣電阻的穩定度及電橋電路的精度，保證了電流源電流的穩定度，能夠滿足儀器整體的穩定性要求。

電橋的從回路電流由零磁通商用MACC的副線圈感應得出。其工作機制為基于磁調制原理，通過內部磁芯實現原、副邊線圈的安匝平衡。該模塊的主、從動電流的轉換比率為1000:1，可通過在其外部增加纏繞匝數的方式改變其電流轉換比率。主、從動電流比值系數能夠通過其原、副邊線圈纏繞匝數保持在一定數值上。本系統中，在其外部纏繞了500匝，并將50匝、100匝、200匝、500匝的線圈分別引出，連接至繼電器，通過繼電器可實現不同比例的匝數比，繼而實現不同比例電流的切換。該商用MACC模塊，性能優良，具有較高的精度，極低的線性誤差(lt;4 ppm)，極低的溫度漂移(lt;0.15 ppm/K)，極低的漂移時間(0.3 ppm/month)。這些優良的性能，為電阻電橋中電流比例的準確性及穩定性提供了保障。

1.3.3 模擬前端采集模塊

核心器件為高精度模數轉換器。系統選用了適合高精密應用的低噪聲完整模擬前端，內置低噪聲、24位∑-Δ型的模數轉換器(ADC)，且內置緩沖器，可直接和電阻電橋等低阻抗輸出連接。[13-16]片內內接數字濾波器對50Hz和60Hz進行帶阻抑制，進一步降低噪聲，提高系統的穩定性。

該模塊的配置是通過寫內部的配置寄存器和模式寄存器完成。因電橋不平衡量的量級為uV，所以可通過配置其增益系數，將信號內部增益至mV量級，從而提高轉換精度。為了減少誤差將模擬地和數字地進行了分離鋪設，并用高頻磁珠相連，可降低數字接口電路的高頻開關噪聲對其的串擾。此外， ADC模塊的數字接口經三個光耦器件與DSP通信，可實現電氣上的完全隔離，消除了DSP控制核心板對ADC模塊的串擾。

在系統設計的過程中，利用多功能校準源對本模塊進行了校準，校準結果如下文所述。

2 軟件設計

本文采用基于CCS(Code Composer Studio)的軟件編程方法，對系統進行了軟件的設計，達到了很好的效果。CCS是TI 公司推出的為TMS320 系列DSP 進行軟件開發的集成開發環境(IDE)。其工作環境為Windows 操作系統，類似于VC++的集成開發環境，采用圖形接口界面。CCS 所集成的代碼調試工具能對TMS320 系列DSP 進行指令級的仿真和可視化的實時數據分析。此外，提供了豐富的輸入/輸出庫函數及信號處理庫函數, 極大的簡化了控制器開發過程。

為了構建控制器軟件框架, 使編程易于測試和維護,本文采用了模塊化設計, 將整個軟件劃分為初始化模塊，信號采集模塊，數據處理模塊等主要模塊。系統的軟件設計流程為：儀器上電后，DSP從片內Flash加載程序代碼，FPGA從EPCS-4加載芯片加載電路代碼。完成初始化，執行代碼：首先向電流源模塊的模數轉換器寫電壓指令字，開啟電流輸出。其次，初始化ADC模塊，配置電壓采樣參數。進而初始化液晶屏顯示，并讀取用戶的參數設置。完成以上操作后，進入主循環，查詢FPGA反饋的換向狀態。如正處于換向階段，則不采集電壓值，等待換向結束，采集電壓值。根據電流的正負狀態，將數據分別存入正、負暫存數組，通過運算，在每次方向改變后，得到一個數據，并存入結果數組，同時刷新液晶屏顯示。之后進入下一次循環，重復上述過程。

本系統的軟件流程圖如圖3所示。

圖3 軟件設計流程圖

3 系統測試與分析

如前文所述，本設計中采用自制的24位AD采集卡對電橋中電阻兩端的壓差信號進行讀取。在實驗室環境下(20 ℃+0.5 ℃)，利用多功能校準源(FLUKE 5720)產生0.5 V、1 V標準直流信號，采集卡采集到的電壓數據如表1所示。

表1 自制AD采集卡校準參數表

利用本文研制的DCC系統，分別對100 Ω：10 Ω以及10 Ω：1 Ω比例的Rx和Rs進行測試，其中利用經過校準的商用電流比較儀(高聯6622A)對100 Ω：10 Ω、10 Ω：1 Ω的測量值分別為：10.0000179、9.9999795。

測試方法為，儀器上電后等待一段時間，使儀器進入穩定的工作狀態。根據顯示屏提示，輸入被測電阻信息、電橋電壓大小、換向時間以及測量數據個數等，本測試中電阻比例100 Ω：10 Ω電橋電壓0.5 V，10 Ω：1 Ω電橋電壓0.1 V，換向時間均為30 s，單次測量數據個數20個。

表2、表3分別給出了電阻100 Ω：10 Ω以及10 Ω：1 Ω的10次測量結果，其中10 Ω：1 Ω每次測量數據分散性均達到10-7量級，而100 Ω：10 Ω比例單次測量數據分散性為10-6量級。

表2 10 Ω:1 Ω測試結果

表3 100 Ω:10 Ω測試結果

通過對以上原始數據的分析計算，可得到直流電流比較儀(DCC)在該兩組比例下的實際比例相對偏差為10-6量級，分散性和重復性均達到10-6～10-7量級。

分析表明，系統的誤差主要來源于以下幾個方面：一、主、從電流回路電流的比例由MACC電流傳感器維持，MACC的安匝平衡精度，限制了精度的進一步提高。二、盡管經過了兩級隔離，ADC模數轉換器仍會受到周圍環境的噪聲影響，最終損失一些位數。三、雖然接線端子經過精心挑選，但是接線端子仍然存在一定的誤差。在連接被校準電阻和標準電阻時，接線電阻與四線制電阻連接處也存在接觸熱電勢，引入了測量誤差。

以上因素綜合起來，造成了系統的誤差。

4 結論

本設計中使用了商用MACC零磁通電流傳感器，保證了電橋中的兩個回路電流比例的精確性。通過自制的已校準的AD采集電路讀取自動電阻電橋電路中電阻兩端的壓差信號，經DSP的嵌入式數字電路的控制和運算，最終能夠實現被測電阻的實時校準。實驗表明，本文設計的DCC測量精度可到達 10-6～10-7量級，能夠滿足該測量精度要求下的電阻測量應用場合。該系統具有結構簡單，成本低廉，精度較高，穩定性較好，易于使用的特點，具有廣泛的應用前景。

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DesignofAutomaticResistorBridgeBasedonZero-fluxCurrentSensing

Wang Yanping1,Lu Yunfeng2，3,Chi Zongtao1,Li Yang1

(1.School of Electronic and Information Engineering, Qingdao University, Qingdao 266071,China; 2.National Institute of Metrology, Beijing 100029, China; 3.Key Laboratory for Electrical Quantum Standard of AQSIQ, Beijing 100029, China)

Based on the commercial zero-flux DC measuring system to develop a set of DC current comparator automatic resistance bridge to reduce costs and satisfy the application of low precision of resistance measurement conditions. Around the ampere-turns balance of the zero-flux DC measuring system, automatic resistance bridge circuit is designed. Using the embedded digital circuit based on DSP to realize the control system and algorithm, and using homemade and calibrated 24 AD data acquisition circuit to read the differential voltage signal of the the resistance in the bridge. By the real-time processing and display, and ultimately get the ratio of the resistance value and standard resistance. Using the calibrated standard resistance to correct the bridge of 100 Ω: 10 Ω and 10 Ω:1 Ω, proportion accuracy reached orders of magnitude at 10-6,and relative standard deviation of the measurement for 10-6～10-7.

zero-flux DC measuring system；DC current comparator；resistance bridge；ADC

2017-05-05；

2017-06-20。

國家質檢總局質量技術監督能力提升專項(ANL1612)。

王艷萍(1991-)，女，山東青島人，碩士研究生，主要從事信號與信息處理方向的研究。

遲宗濤(1964-)，男，山東青島人，教授，碩士研究生導師，主要從事傳感器與電子測量方向的研究。

1671-4598(2017)09-0258-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.066

TM93

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