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一、課題要求
1．任務
設計制作一個檢測mΩ電阻變送器，其示意圖如圖1-1所示：
圖1-1毫歐姆（mΩ）電阻變送器
2．要求
2.1基本要求
（1）檢測電路的輸出電壓VO1= 0～1V 。
（2）流經Rx 的檢測電流It≤5mA 。
（3）在Rx=10mΩ～100mΩ量程范圍內變送精度優於10%（FS）。
（4）檢測電路的輸出內阻≤20Ω 。
2.2發揮部分
（1）將檢測電路的輸出電壓VO1 轉換成1～5V 的標准電壓源輸出，電壓轉換電路至少能驅動≤ 200Ω的電阻性負載。
（2）將檢測電路的輸出電壓VO1 轉換成4～20 mA 的標准電流源輸出，電流轉換電路至少能驅動≥500Ω 的電阻性負載。
（3）增加量程越界指示功能。
（4）盡可能提高變送精度，直至優於2%（FS）。
3．說明
不能使用 “V／I 轉換”和“I／V 轉換”之類的專用IC ，測量放大器用INA128，運放使用TLC084，電壓基准用TL431。
二、方案設計與論證
1．四探頭電流檢測法
在測量阻值較小的電阻時，引線電阻和連接點處的接觸電阻會使測量結果不准確，因此要使用四探頭電流檢測法。其原理如圖2-1所示：該方法具有靈敏度高、測量准確加上方法巧妙，使用方便、對電源穩定性要求不高等特點，已被廣泛地應用於電工技術和非電量電測中。
圖2-1四探頭電流檢測法
2.檢測電路
由圖1-1可知，檢測電路向被測電阻輸出一個恆定電流，並將被測電阻的電壓值送給后級電路。根據被測電阻和檢測電流的數量級，判斷輸出電壓值為μv級，需要經過放大才能得到0-1V的電壓范圍。因此檢測電路應包含一個高增益、高精度的放大器，在本課題中采用測量放大器。
綜上所述，檢測電路的結構框圖如圖2-1所示：
圖2-2 檢測電路
3.電壓轉換電路
通過線性放大可以把0-1V電壓轉換成1-5V，作為變送器的輸出電壓。該電壓也與電阻的大小呈線性關系。將此電壓進行AD轉換，再通過換算即可得到被測電阻的測量值，歐姆表也可由該原理制成。
4.電流轉換電路
4-20mA也是儀表的標准輸出，它可由1-5V輸出電壓經過V-I電路得到。也可以把1-5V電壓加在一個250Ω的電阻兩端后得到。相對來說，后者電路更簡單。但為了保證電路的驅動能力，本設計采用V-I電路。
三、單元電路設計與仿真
1.檢測電路
（1）恆流源電路
本系統采用Howland電流源，其原理圖如圖3-1所示：
圖3-1 Howland電流源
兩個運放TLC081均引入了負反饋，前者構成同相求和運算電路，后者構成電壓跟隨器。根據虛短、虛斷原理，若取R1=R3，R2=R4，則輸出電流Iout=。本系統取R1=R2=R3=R4=R5=R6=10k，Rs=2k，計算得Vin=2.5(1+)=5v，Iout=-2.5mA
Howland電路的仿真結果如圖3-2所示：
圖3-2 Howland電流源仿真
（2）測量放大器
由上文可以計算出：被測電阻的電壓變化范圍為0uV-250uV,而測量電路需要輸出0-1V的電壓。放大倍數為4000，一般的運放難以實現高增益，高精度的放大。故本設計使用了測量放大器。
測量放大器可以用若干普通運放搭建，也有專門的IC。從簡化設計的角度考慮，選用Ina128這款低功耗、高精度的通用儀表放大器。該芯片外圍電路簡單，可實現1-10000的任意增益。
測量放大器電路如圖3-3所示：
圖3-3 測量放大器
由增益公式G=1+=可知，Rg=12.5Ω。需要注意的是，由於增益很大，誤差也被放大了，電阻的誤差也會對精度造成很大影響，而且可選用的電位器阻值都遠大於12.5，難以進行精確調整。所以4000倍的增益由二級運放完成。取Rg=125Ω，即G=400。輸出端連接一個增益為10的放大電路即可。
Ina128的仿真結果如圖3-4所示：
圖3-4 測量放大器仿真
可以看到，檢測電路在驅動20Ω負載時，輸出電壓沒有異常，滿足設計要求。
2.電壓轉換電路
電壓轉換電路如圖3-5所示：
圖3-5 電壓轉換
該電路為一個反相求和電路。輸出電壓Vo=-Rf（=-（4Vin+1），輸出端接驅動電路提升帶負載能力，並把電壓反相，變為正值。
電壓轉換電路（Rx=100mΩ）的仿真結果如圖3-6所示：
圖3-6 電壓轉換仿真
輸出電壓與預期一致，在驅動200Ω電阻時能正常工作。
4.電流轉換電路
電流轉換電路如圖3-7所示：
圖3-7 電流轉換
該電路前級為反相求和電路，后級電路為負載共地方式的V-I轉換電路。負載電流僅由輸入電壓決定，而與負載的大小無關。由於運放電源的限制負載只能在一定范圍內變化。當輸入電壓不變時，負載電阻在一定范圍內變化，輸出電流將保持不變，這就構成恆流源電路。
電流轉換電路的仿真結果（Rx=100mΩ）如圖2-8所示：輸出電流和驅動能力均滿足要求。
圖3-8 電流轉換仿真
四、系統測試
1、測試儀器
直流穩壓電源 GPS-4303C
高精度數字電橋測試儀 LCR-819
萬用表 VA17
2、測試步驟
先對變送電路進行校准。直流穩壓電源GPS-4303為系統提供±8V電源，接上一個校准電阻，調節電路，使測量放大器輸出為1V，電壓轉換電路輸出為5V，電流轉換電路輸出為20mA。
把高精度數字電橋測試儀 LCR-819測得的電阻值作為理論值，計算出輸出電壓和輸出電流的理論值，並與萬用表VA17測得的系統實測值進行比較，得到系統誤差。
3、測試數據
| 標稱值
（mΩ） |
參照測量值
（mΩ） |
Vo1
（V） |
Vo2
（200Ω） |
Io
（510Ω） |
實測值
（mΩ） |
絕對誤差
（mΩ） |
相對誤差 | 結論 |
| 10 | 11.4 | 0.11 | 1.45 | 6.02 | 11 | -0.4 | 3.51% | |
| 20 | 19.7 | 0.215 | 1.86 | 7.44 | 21 | 1.3 | 6.60% | |
| 30 | 32.0 | 0.35 | 2.42 | 9.68 | 33 | 1.0 | 3.13% | |
| 50 | 53.3 | 0.51 | 3.08 | 12.3 | 55 | 1.7 | 3.19% | |
| 100 | 102 | 1.01 | 5.06 | 20.2 | 105 | 3 | 2.94% |