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毫歐姆（mΩ）電阻變送器
一、課題要求
1．任務(wù)
設(shè)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）檢測電路得輸出電壓VO1= 0～1V 。
（2）流經(jīng)Rx 得檢測電流It≤5mA 。
（3）在Rx=10mΩ～100mΩ量程范圍內(nèi)變送精度優(yōu)于10%（FS）。
（4）檢測電路得輸出內(nèi)阻≤20Ω 。
2.2發(fā)揮部分
（1）將檢測電路得輸出電壓VO1 轉(zhuǎn)換成1～5V 得標(biāo)準(zhǔn)電壓源輸出，電壓轉(zhuǎn)換電路至少能驅(qū)動≤ 200Ω得電阻性負(fù)載。
（2）將檢測電路得輸出電壓VO1 轉(zhuǎn)換成4～20 mA 得標(biāo)準(zhǔn)電流源輸出，電流轉(zhuǎn)換電路至少能驅(qū)動≥500Ω 得電阻性負(fù)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(yōu)于2%（FS）。
3．說明
不能使用 "V／I 轉(zhuǎn)換"和"I／V 轉(zhuǎn)換"之類得專用IC ，測量放大器用INA128，運放使用TLC084，電壓基準(zhǔn)用TL431。
二、方案設(shè)計與論證
1．四探頭電流檢測法
在測量阻值較小得電阻時，引線電阻和連接點處得接觸電阻會使測量結(jié)果不準(zhǔn)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、測量準(zhǔn)確加上方法巧妙，使用方便、對電源穩(wěn)定性要求不高等特點，已被廣泛地應(yīng)用于電工技術(shù)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恒定電流，并將被測電阻得電壓值送給后級電路。根據(jù)被測電阻和檢測電流得數(shù)量級，判斷輸出電壓值為μv級，需要經(jīng)過放大才能得到0-1V得電壓范圍。因此檢測電路應(yīng)包含一個高增益、高精度得放大器，在本課題中采用測量放大器。
綜上所述，檢測電路得結(jié)構(gòu)框圖如圖2-1所示：
圖2-2 檢測電路
3.電壓轉(zhuǎn)換電路
通過線性放大可以把0-1V電壓轉(zhuǎn)換成1-5V，作為變送器得輸出電壓。該電壓也與電阻得大小呈線性關(guān)系。將此電壓進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，再通過換算即可得到被測電阻得測量值，歐姆表也可由該原理制成。
4.電流轉(zhuǎn)換電路
4-20mA也是儀表得標(biāo)準(zhǔn)輸出，它可由1-5V輸出電壓經(jīng)過V-I電路得到。也可以把1-5V電壓加在一個250Ω得電阻兩端后得到。相對來說，后者電路更簡單。但為了保證電路得驅(qū)動能力，本設(shè)計采用V-I電路。
三、單元電路設(shè)計與仿真
1.檢測電路
（1）恒流源電路
本系統(tǒng)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(fù)反饋，前者構(gòu)成同相求和運算電路，后者構(gòu)成電壓跟隨器。根據(jù)虛短、虛斷原理，若取R1=R3，R2=R4，則輸出電流Iout=
。本系統(tǒng)取R1=R2=R3=R4=R5=R6=10k，Rs=2k，計算得Vin=2.5(1+)=5v，Iout=-2.5mA
Howland電路得仿真結(jié)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：被測電阻得電壓變化范圍為0uV-250uV,而測量電路需要輸出0-1V得電壓。放大倍數(shù)為4000，一般得運放難以實現(xiàn)高增益，高精度得放大。故本設(shè)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，也有專門得IC。從簡化設(shè)計得角度考慮，選用Ina128這款低功耗、高精度得通用儀表放大器。該芯片外圍電路簡單，可實現(xiàn)1-10000得任意增益。
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。需要注意得是，由于增益很大，誤差也被放大了，電阻得誤差也會對精度造成很大影響，而且可選用得電位器阻值都遠(yuǎn)大于12.5，難以進(jìn)行精確調(diào)整。所以4000倍得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得放大電路即可。
Ina128得仿真結(jié)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(qū)動20Ω負(fù)載時，輸出電壓沒有異常，滿足設(shè)計要求。
2.電壓轉(zhuǎn)換電路
電壓轉(zhuǎn)換電路如圖3-5所示：
圖3-5 電壓轉(zhuǎn)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(qū)動電路提升帶負(fù)載能力，并把電壓反相，變?yōu)檎怠?/p>
電壓轉(zhuǎn)換電路（Rx=100mΩ）得仿真結(jié)果如圖3-6所示：
圖3-6 電壓轉(zhuǎn)換仿真
輸出電壓與預(yù)期一致，在驅(qū)動200Ω電阻時能正常工作。
4.電流轉(zhuǎn)換電路
電流轉(zhuǎn)換電路如圖3-7所示：
圖3-7 電流轉(zhuǎn)換
該電路前級為反相求和電路，后級電路為負(fù)載共地方式得V-I轉(zhuǎn)換電路。負(fù)載電流僅由輸入電壓決定，而與負(fù)載得大小無關(guān)。由于運放電源得限制負(fù)載只能在一定范圍內(nèi)變化。當(dāng)輸入電壓不變時，負(fù)載電阻在一定范圍內(nèi)變化，輸出電流將保持不變，這就構(gòu)成恒流源電路。
電流轉(zhuǎn)換電路得仿真結(jié)果（Rx=100mΩ）如圖2-8所示：輸出電流和驅(qū)動能力均滿足要求。
圖3-8 電流轉(zhuǎn)換仿真
四、系統(tǒng)測試
1、測試儀器
直流穩(wěn)壓電源 GPS-4303C
高精度數(shù)字電橋測試儀 LCR-819
萬用表 VA17
2、測試步驟
先對變送電路進(jìn)行校準(zhǔn)。直流穩(wěn)壓電源GPS-4303為系統(tǒng)提供±8V電源，接上一個校準(zhǔn)電阻，調(diào)節(jié)電路，使測量放大器輸出為1V，電壓轉(zhuǎn)換電路輸出為5V，電流轉(zhuǎn)換電路輸出為20mA。
把高精度數(shù)字電橋測試儀 LCR-819測得得電阻值作為理論值，計算出輸出電壓和輸出電流得理論值，并與萬用表VA17測得得系統(tǒng)實測值進(jìn)行比較，得到系統(tǒng)誤差。
3、測試數(shù)據(jù)
