程控高精度标准电阻发生装置

2014-08-25

电阻作为电磁学领域最重要的参数，其测量精度高低直接影响到整个电磁技术的发展，当前可调电阻的应用越来越广泛，精密测量时需要用由可调标准电阻组成电桥进行测试，作为可调标准电阻的主体，电阻箱精度偏低，不能用四线消除引线电阻的方式进行测量，存在很大的误差。“程控高精度标准电阻发生装置”项目应用微电流信号检测技术和直流大功率正负微电压信号输出技术，实现了输出电流超过2安培的模拟电阻输出功能，在输出范围为0.1欧姆至11兆欧姆内连续可调，分表率优于0.0001%，精度优于0.01%。项目研究的程控高精度标准电阻发生装置性能完全能够替代电阻箱，可在多种场合下充分适应计量检定测试工作的需要。“程控高精度标准电阻发生装置”项目由黑龙江省计量检定测试院承担完成，主要完成人有张轶鹏、李浩、张健、刘缨、张颖、杨威。

一、理论基础

项目以电工学理论作为基础，运用多项标准源中高新技术，同时结合弱信号检测技术来完成此任务。在电工学理论中，一个复杂的有源二端线性网络根据戴维南定理和诺顿定理可以被简化认为一个电压源和一个电阻，网络两端的电压差与其流入电流的比值，根据欧姆定律可以认为是其整个网络的等效电阻。

二、工作原理

在电阻的测试中，均是通过流过电流与此产生电压降之间的关系测出的，将整个“高精度标准电阻发生装置”示作一个有源二端线性网络，当其流过电流时，产生的电压降可以进行设定，且产生的电压降正比于设定值、正比于电流值，此时该装置具有电阻的一切特性，可以被认为是一个模拟等效电阻装置。

根据楞次定律，将整个测试仪器看成一点，流出电流一定等于流入电流，R1上电流I1与R2上电流I2相等，存在下列关系式：

R= R1+R2

R：输出电阻

R1：标准电阻

R2：可调电阻

当R=0时，R1=-R2，由此提出“负电阻”的概念，即一个电阻上的压降与其流过电流比值是负时，就看作“负电阻”。

R=（U1-U2）/I ，R1作为标准电阻对输入电流进行精密测试，形成的电压信号为基准U1，R2的压降U2与U1和电阻设定有关，通过设定U2值，既可设定R值，而U2与U1的输出测试点是本装置的电压输出线，完全可以消除引线影响。

由于本装置存在调节细度高、稳定性好，承载功率大，具有校准程控功能，以及电压线、电流线分开处理，能接成消除引线电阻的四线工作方式等多项优点，完全能够在计量检定测试工作中替代标准电阻、电阻箱等仪器。

三、实现的方法及手段

该项目的理论基础和工作原理浅显易懂，但具体实施却十分复杂，主要由计算机控制系统、显示与操作系统、电流检测及量程自动转换系统、基准及运算系统和信号输出系统五部分组成。原理框图如下：

计算机控制系统是用单片机作为仪器设备的全部中枢，不仅控制其他系统，而且具有校准标定和串行远程通讯功能。在设定输出值前，需要进行三次判断。首先判断极性，作为模拟电阻装置应该是无极性的，不论测试电流方向如何，都不应该影响输出值，从理论基础和工作原理来讲不存在任何问题，但此处要保证指标，需要对元器件性能和线路板制作工艺提出异常高的要求，本项目采用单极性加倒相的工作方式进行。第二次判断是对电流测试量程的判断，合理的电流测试量程决定电压基准信号处于合理的位置，保证其在斩波和滤波中有较高的稳定性和较好的线性度，保证整个输出的稳定、准确、可靠。第三次判断是对输出信号放大与衰减倍数的判断，由于检测仪器的测试电流不尽相同，量程也五花八门，本装置设计了10^-8到10⁸放大与衰减倍数，以此保证在大功率和宽量程都能正常使用。

显示与操作系统中采用LDC320×240大屏幕显示，量程可选用手动切换与自动切换，置数采用直接送数与修正送数两种方式，并可进行串行远程通讯，可进行软件校准等功能。

电流检测及量程自动转换系统是本项目最重要的一环，直接关系到输出的技术指标问题。由于本项目所研制的设备不仅电阻量程范围宽，测试电流范围也很广，在小电阻大电流时，应充分考虑电阻所能承受电流和功率的能力问题，合理设计电压线和电流线也是保证技术指标关键所在。在电阻较大电流较小时，利用弱信号检测的技术，降低噪声，提高信噪比，提高放大精度，也充分考虑到电流漏电问题。本项目内部最大标准电阻是80M，此处最大工作电流为30nA，即使pA级的漏电也会严重影响输出结果，运用双仪用放大器，进行差分放大，采用合理的噪声消除技术，使得最后输出结果能够充分满足本项目技术指标的要求。

基准及运算系统是计算机的数字信号到模拟信号转换系统，由于时间频率测量精度非常高，能达到10^-15量级以上的精度。脉冲调宽式数模变换由于电压取决于时间宽度比，线性度好，温度系数小，将基准电压信号进行斩波分割，精度最高可达1—2PPM，而本设备的程控基准信号精度也在3～5PPM，基本原理如下。

。

脉冲调宽式数模变换把数字量变换成相应的调宽脉冲，用此调宽脉冲去控制基准电压电路，使其产生一个相应与时间宽度的电压，把此电压经过隔离送到其他各个放大部分，采用这种时间分割系统可以任意设定电压，经运算后输出。脉冲调宽式数模变换是本装置稳定和准确的核心。为了改善线性度，在模拟开关中加入微调电位器，以补偿两管导通误差。调节此电位器，可输出线性达到2×10^－6以内，可满足电路要求。

信号输出系统是本装置与外部相连接两部分之一，即工作原理中所提及的R2。本装置所承受的最大电流是2A，首先本系统是一个具有能够输出+/-2A以上电流能力的直流功率放大器。本项目充分引用标准源技术，设计出正负直流功率放大器，能够输出电流较大、噪声很低的微小电压信号，通过合理设计电压线和电流线，运用两级高精度仪用运算放大器，实现了10^-8到10⁸放大与衰减倍数的精密运算，以此保证设备输出信号的稳定、准确和可靠。

整体来看，该项目运用数字合成、时分割脉冲调宽可调直流基准、微电流信号检测技术、正负微电压直流大电流信号输出等技术，设计出一种具有自动控制功能的可调电阻装置，降低了电阻测量中产生的误差，提高了电阻测量的工作效率，可解决高速铁路等新兴领域中出现的大量电阻式传感器快速准确检定测试问题，同时也提高了电阻的量值传递精度。2012年2月13日黑龙江省计量检定测试院对项目研制的装置进行了测试，专业技术人员对其有代表性的41个输出点进行多轮精密测试，结果显示稳定性良好，最大输出误差为0.0045%，高于项目任务书所定技术指标。