基于STC89C54RD单片机和AD574的高精度电阻测试仪的设计

本文给出了一种以STC89C54RD 为控制核心的高精度自动电阻测试仪的设计，系统量程为10Ω 到10MΩ，具有自动切换量程和自动筛选的功能。采用恒流测压以及恒压测流相结合的方法，同时采用高精度运放OP07 及精密电阻确保测试电路测量的精度。为了避免高阻测试时的工频干扰，采用12 位的高速AD574 进行模数转换，既保证测量速度又达到了数字滤波的效果。

　　此外，本文还阐述了整个系统的误差来源以及减少误差、提高精度的办法。

　　0 引言

　　电子行业发展迅速，作为最基本的电路元件之一的电阻，在电子系统中的需求量不断加大。在电子仪表中，需要精密的电阻来提高仪表的精度，对于普通的电子仪表的公司而言，需要既快捷又能保证精度的电阻测试仪，在电子电路的设计中，往往需要便捷的测出电阻值的阻值，因此，设计一个不仅安全性和可靠性高，而且简易实用的高精度电阻测量仪具有很大的现实意义。利用单片机作为控制核心的智能仪器仪表应用广泛，其具有可靠性高、功耗低、体积小等优点，使得测量仪表更加数字化、智能化和微型化。

　　1 系统设计

　　本系统由单片机STC89C54RD 控制，将被测电阻通过测量电路，将电阻的变化转变为电压和电流的变化送给模数转换器进行A/D 转换，并将得到的数字信号送给单片机，通过软件设计能够实现电阻阻值的判断测量，最后通过显示电路将被测电阻显示出来，同时通过软件设计能够实现自动筛选的功能，系统框图如图1 所示。

　　2 硬件设计

　　2.1 恒流源测电压法

　　采用OP07 构成的双运放恒流源电路，利用流过被测电阻Rx的电流恒定，则通过测量Rx 两端的电压值来算出Rx 的电阻值，在测量小电阻（100-100kΩ）时可以有很高的精度。

　　2.2 恒压源测电流法

　　采用恒流源测电压的方法测大电阻（100k-10MΩ）时流过电阻的电流很小，输出电压较小，A/D 难以对其采样转换，同时存在较大的误差，所以这种加压测电流的方法在测大电阻时是行不通的。因此采用恒压源测电流的方法，其设计电路图如图2 所示。

　　2.3 12 位A/D 转换接口电路

　　整个系统的测量精度的提高以及测量速度的提升，还取决于模数转换电路，模数转换芯片AD574 是一种经典的12 位高速逐次比较型A/D,内置双极性转换电路构成的混合集成芯片，具外接元件少，功耗低，精度高，具有自动校零和自动极性转换功能，只需外接少量的阻容元件即可构成一个完整的A/D 转换电路。

　　AD574 的非线性误差小于1/2LSB,最大转换时间为35us,适合于转换速率小于30kB/s 的应用领域。AD574 的输入控制信号有CE,CS,R/C,A0,及12/8,控制信号与其对应的工作状态如表1所示，其与单片机的接口电路如图3 所示。

　　3 软件设计

　　本电路中STC89C54RD 单片机控制继电器的通断，实现测量电阻电路的档位切换。被测电阻所测的电压送到A/D 转换器AD574（数据经过转换，电压和电阻的值相等）A/D 转换后的数据送到单片机中进行处理，最后进行显示，其流程图如图4 所示。自动筛选程序首先判断单片机是否有键按下，当有键按下时，进入筛选，否则进入测量电路，采集A/D 模块输出的数值量，进行处理，并将处理数值显示。

　　4 误差分析

　　4.1 系统误差产生的原因

　　（1）集成运放的非理想产生误差；

　　（2）A/D 转换电路产生的误差；.

　　（3）电场的干扰等。

　　4.2 减少误差提高精度的主要方法

　　（1）设置四档量程，但在同一量程中，去AD 的电压范围也在满幅度到1/10 满幅度之间，采用12 位AD 转换时，在1/10 满幅度（1V）以下时，精度不够，现采用AD 过采样的方法提高精度，每次测试时，进行多次AD 转换（200 次）后取平均值；

　　（2）高阻测试时，工频干扰将影响测量，采用在一个工频正弦周期里进行多次（200 次）AD 转换，可以使数字滤波的效果最佳；

　　（3）低阻测试时，导线电阻及继电器和探头的接触电阻不可忽视，在测试时采用“四线制”,消去了相应的误差；

　　（4）工艺要求，为了保证电阻测试仪的高精度，在工艺上的要求也至关重要，首先电源必须经过去耦滤波，地线尽量保证足够的线粗，并尽可能短；其次运放的电阻选择必须要注意“配对”,即需要从大量的电阻中进行筛选；再次，量程电阻要采用千分之一以上的精密电阻，最后运放须选择高精度运放OP07.

　　5 结论

　　通过STC89C54RD 单片机对继电器的通断的控制进行对测量电阻的量程切换，小电阻采用双高精密运放OP07 组成恒流源测量电压，大电阻的测量是通过恒压源测量电流来实现，将测到的电压或电流送入到12 位串行AD574 电路，实现模拟量的采集，通过STC89C54RD 单片机以及键盘显示电路实现了整个电路的控制。整个电路的硬件结构简练，输出的电压稳定。但整个系统偏重于软件设计，A/D 转换对不同量程的电阻输出电压的转换算法不同，A/D 转换的算法误差，是系统测试误差的主要来源。要不断调整A/D 转换的算法，从而不断提高测试精度。