基于Tiva TM4C123GH6PM单片机技术的恒流源及仪用放大组合测电阻的实现.doc

1、电路综合创新实验（论文）题目基于TIVATM4C123GH6PM单片机技术的恒流源及仪用放大组合测电阻的实现学科类别通信工程姓名学院信息与通信工程学院专业通信工程班级2013211122学号2013210402班内序号13指导教师2015年5月摘要恒流源是广泛使用的一种单元电路。恒流源测电阻具有测量电路简单、快速、准确的特点。仪用放大器在电路设计上，有很高的共模抑制比。因此好的仪用放大器测量的信号能达到很高的精度。本文中，主要讨论的是基于MSP430单片机技术的恒流源仪用放大测电阻。关键词恒流源；仪用放大；单片机；电阻1研究的意义及背景目前，随着电子工业的发展，电子元器件急剧增加，电子元器件的

2、适用范围也逐渐广泛起来。在应用中我们常常要测定电阻的大小。另外。随着测量技术的飞速发展以及人们对电参数的测量精度要求的提高，目前教学实验中普遍采用的数字式万用表已不能满足测量要求。因此设计可靠、安全、便捷测量精度更高的电阻测试仪具有广泛的使用价值和应用前景。本设计是基于单片机的电阻测量，应用恒流源测电阻具有测量电路简单、快速、准确等特点。与普通的单组测量方法相比较该测量仪表的测试电流小并有多种保护电路，具有很高的安全性能。对于电阻测量，数欧姆以上电阻测量一直不作为难题，小电阻测量由于存在引线电阻和接触电阻阻，要精确测量有些难度，自从有凯尔文桥电桥后，小电阻测量的问题基本上得到解决，在技术上早就

3、不是问题了。目前主要是在测量的自动化、减小设备体积上做文章。在科学技术与社会生产高度发达的今天，智能测试仪器与仪器仪表发展迅速，计算机技术的迅猛发展使智能测试仪器的发展又上升到一个新的高度。精确测量电阻值已经可以不再借助电桥线路。用电压电流4线法测量电阻的技术已经十分成熟。当然，这些测量也可以用单片机来实现，并获得许多辅助功能如自动量程切换、自动记录和分析测试结果、于上位电脑接口实现数据传送、自动平衡（指以电桥方式测量）等等。2测量电路原理21恒流源电路原理如图21所示是由稳压管基准电压源LM28528、运放OPA330组成的恒流源电路。图21恒流源电路直流电源为5V。LM28528稳压管稳压

4、值为25V，运放3端口电压为25V，由虚短路，运放2端口电压值也为25V。由欧姆定律RUI可得流过R4的电流约为1MA三极管Q1和Q2接成达灵顿三极管。等效后三极管放大倍数等于两个三级管放大倍数之积。由BCII，当很大时，BI很小，可得三级管射级电流几乎与集电极电流相等。由此，可获得1MA稳定电流。22仪用放大电路原理图22仪用放大电路图如图22所示，为由运放INA333和运放OPA330组成的仪用放大电路。JP5和JP5接输入的差模电压信号，由运放INA333放大后进入LAUNCHPAD,在LAUNCHPAD内进行采样和模数转换。运放INA333除有放大差模信号功能的同时，还具有抑制共模信号

5、的作用。下面进行分析。图23仪用放大器现所设计的仪用放大器是三运放结构，如图23所示。它是由运放A1，A2按通向输入接法组成第一级查分放大电路，运放A3组成第二级差分放大电路。在第一级电路中，VI1,VI2分别加到A1和A2的同向端，RG和R5、R6组成的反馈网络，引入了负反馈。由A1、A2虚短可得VI1V2；VI2V3；1又由A1、A2虚断可得2又由A3虚断可得整理得3整理得4由A3虚短可得V5V6；5则由3式、4式和5式可得整理后可得6在上式中，如果我们选取电阻满足的关系，则输出电压可化简为7根据式2和7我们可以得到8而我们为了是电路对称，提高仪用放大器性能，我们选取电阻应满足R5R6的关

6、系，且VREF通常接地，当我们对仪用放大器进行电路调零时，我们才会将VREF赋予一定电压（这在后面进行电路调零时会具体讲到），最终我们会得到输出电压的关系式为9电压增益则为10从该式中我们可直观的看到，我们可以根据选取R2/R1和R5/RG电阻的比例关系，来达到不同的信号放大比例要求。所以电阻的选取也是仪用放大器设计最重要的环节之一。很多仪用放大器芯片，考虑到电路的稳定和安全，一般都固定R1R6的阻值，只将RG设置成可调（在后面会有相应说明）。在前面我们提到过仪用放大器有很高的共模增益，现在我们根据下面的例子来说明其对共模的抑制作用。图24仪用放大分析图根据图24可知在输入端根据图24所示，最

7、后得VOGVD再此VCM即为共模信号，而VD即为差摸信号，而噪声大多都是共模信号，经过该电路据可以被抑制而滤出我们所要的信号。3操作步骤4软件设计41程序流程图程序启动液晶初始化ADC采样初始化I2C初始化液晶显示字符读取电压ADC显示码值通过I2C读取ADS1100数据显示原始数据系统延时结束程序终止是否程序主循环USB线连接TIVALAUNCHPAD和计算机，使用CCS软件烧写程序。完成烧写后，TIVALAUNCHPAD上电后自行运行程序。1234567892液晶（LCD）初始化详细内容参见第三章LCD模块相关内容。34ADS1100芯片通过I2C通信协议与TIVALAUNCHPAD进行通

8、信和数据交换。外设端口PA6、PA7设置为I2C的时钟和数据信号线，实现与TIVA的通信。55LCD显示诸如INA333MEASUREXXV,ADS1100MEASUREXXV等信息，便于实验过程中观察实验数据变化。1周期性的通过ADC采样获取电平的ADC采样值，并在LCD直接显示出ADC的转化码值。68为了防止LCD显示内容过快的重复刷新，通过主动系统延时将主循环控制在较低的刷新频率上。（如5HZ）9当TIVALAUNCHPAD掉电后，程序会跳出主循环,程序终止。图X、电阻测量模块流程图ADC采样外设端口的电平根据和参考电平的比较，将数字量化输出。PB4采集电平转化的ADC采样值。周期性的通

9、过I2C通信采样获取ADS1100采样码值并通过LCD直接显示。742测试程序421、ADC初始化422ADC数据采样423I2C通信初始化424获取ADS1100通过I2C协议传输到TIVA的ADC数据425将ADC数据转化为实时电压数据5测量数据数据一INA恒流源法测试结果电阻/放大前电压/V放大后电压/V放大倍数2495602506073582936304530305808368274040050040661021425004557004617112242430数据二INA恒流源法（参考电压13V）测试结果电阻/放大前电压/V放大后电压/V放大倍数14687014761841812481

10、904001913192251005250700251620336808900200301721252704数据三INA恒流源法参考电压12399V（对照试验电阻/放大前电压/V放大后电压/V放大倍数1465001464183661254190300190319179100825037025022027981053005203008212047049数据四INA恒流源法（电阻取值范围050）测试结果电阻/电压计算值放大前放大后放大倍数505004949000480049710351568015715700153015721027253102572570025202572102135500339

11、33900360033929424527035835800453035827916数据处理由数据一可看出，INA放大倍数距理论值100相距甚远，因此，我们调节了参考电压，测得数据二。由数据二可看出，虽然放大倍数在RX19040时达到了1005，但当待测电阻值小范围变化时，放大倍数大范围变动，因此，得不到准确值。为排除电阻测量模块的硬件问题，我们重新更换实验板，测得数据三。测试结果与数据二相同。说明问题不是由硬件引起。为寻找问题原因，我们主要进行了两方面的深入研究。首先，我们查阅INA333放大仪的技术手册得图61TYPICALCOMMONMODERANGEVSOUTPUTVOLTAGE由图61

12、可知，放大器输入共模电压过大时，超出非饱和输出区域，导致放大倍数大范围变动。然后，我们再次分析了恒流源电路。图中三极管1Q和2Q等效后的达灵顿三极管集电极和射级间电压值约为12V（07V05V），则待测电阻两端电压最大只可达到13V（25V12V），因此待测电阻的取值范围受到限制。由以上分析可知，测量电阻阻值不可太大。调整待测电阻取值范围后，重新测得数据四。由数据四，可以发现，电阻值在5至40时测量结果较为准确。基于数据四，通过MATHMATICA用最小二乘法进行数据拟合，结果如图72。图62拟合结果7误差分析此测量过程中，系统误差主要包括以下两个方面1、恒流源电流调整电阻阻值偏差，导致恒流值

13、偏差；2、电路上，待测电阻处接触电阻等影响；为消除系统误差，通过一次函数对测量结果进行修正，修正斜率和修正零点分别为修正后数据如下表71修正后数据通过MATHMATICA用最小二乘法进行数据拟合，结果如图71。图71修正后拟合结果对比图72、图71，可知标定后，有效减小了系统误差。8参考文献1秦龙。MSP430单片机应用开发典型实例M北京中国电力出版社，200576782秦龙。MSP430常用模块与综合系统实例讲解M北京电力工业出版社，20081021033杨素行。模拟电子技术基础简明教程（第二版）M北京高等教育出版社，19971111124沙占友，王彦朋，孟志永。单片机外围电路设计M北京电力工业出版社，200356585HTTP/BBS21ICCOM/ICVIEW31977511HTML6HTTP/WWWDOCINCOM/P111187044HTML