多功能电阻测试仪校准系统设计

构框图

Fig.4 Hardware structure of the system

3.2.1 电源模块

整个电源模块的设计采用线性电源，且数字部分和模拟部分相互隔离，模拟部分各路电源供电也相互隔离或用磁珠相连，减少电源的纹波和噪声对整个系统的干扰及减少系统之间各部分相互干扰，保证整个系统的高精度及高线性度。

3.2.2 数字部分

微处理器具体采用新架构的微处理器，具有强大的处理能力及丰富的接口，本设计在其上移植嵌入式实时操作系统来完成整个系统的数据处理及相关调度。微处理器内部集有设计中常有的资源，本设计用到的资源，如图4中数字部分：3个独立的USART接口，一个连接显示模块，为面板显示提供人机界面，工作时显示出整个系统的运行情况并通过LCD上的触摸屏与用户进行实时交互，一个连接按键组，使用户操作更加方便快捷，一个通过RS232电平转换芯片与上位机提供连接接口；1个IIC接口，连接存储芯片来增加存储空间；2个SPI接口，一个连接模拟部分的DA乘法器设定分压模块的放大比例系数，一个连接模拟部分A/D转换器，获取采样的电压信号并运算对应的示值电流及做相关运算分析；部分的GPIO接口，控制模拟部分的程控放大及获取报警状态等。

3.2.3模拟部分

系统在基于电流型有源模拟电阻器原理基础上进行拓展设计的，如图4模拟部分：保护电路：保护系统，当被检测试仪产生的大电流超过系统所能承受的范围时，产生报警信号通过MCU控制蜂鸣器给用户发出报警，并自动断开测试回路，保护系统不被检测仪产生的大电流损坏；宽频直流比较仪：将被检测试仪产生的大电流按一定比例转换成小电流。差分采样：与精密电阻R一起将小电流信号转换成电压信号，差分采样大大降低了前端采样共模噪声的干扰；增益：通过MCU控制实现电压信号不同量程下对应比例的放大；A/D转换器：将电压信号转换成数字信号通过隔离的SPI接口送入到MCU，运算出对应的示值电流及做相关分析；DA乘法器：MCU通过电气隔离的SPI接口控制DA乘法器输出来调节分压比达到系统调节电阻阻值的目的。

3.3软件设计

本设计采用实时嵌入式操作系统[6]作为开发平台，具体流程如图5所示。

（一）初始化，将操作系统、程序变量及硬件相关配置进行初始化；

（二）创建任务，包括建立按键响应任务、数据处理任务、显示任务、通信任务、故障处理任务等；

（三）任务调度。系统通过液晶屏、触摸屏和按键旋钮等和用户进行交互，调用程序中的相关任务线程控制相关硬件完成电流测量、报警处理、误差计算、电阻值设置、参数设置等功能。

图5程序流程图

Fig.5 The program flow chart

4.系统的测试结果

4.1验证电路

参考《JJG l66—93直流电阻器》检定规程采用伏安法进行校准，以验证多功能校准系统的准确度是否符合设计的技术指标。可调恒流源提供了测试的电流，量程为0～600 A；电流转换器和电压表一起组成了电流测量标准装置。整个校准方案测试系统构成如图6所示。

图6多功能校准系统校准装置框图

Fig.6 Block diagram of multifunction calibration system

4.2数据分析

多功能校准系统校准装置对系统进行校准测量。

4.2.1电流测量误差

表1为20 A量程下在不同电流测试时的相对误差，相对误差小于0.011%。

表2为100 A量程下在不同电流测试时的相对误差，相对误差小于0.01%。

4.2.2电阻误差

表3为75 mΩ时不同测试电流下的实际电阻值，其相对误差小于0.003％。表4为固定测试电流100 A时模拟大功率电阻不同阻值时的误差，从表中可看出，其相对误差都在0.004％ 内。这是由于系统采用的器件件如直流比较仪、差分采样放大器、信号放大器、D/A转换器等都是高线性度元件，保证系统的高线性度。经过多次及不同阻值及电流下的测试验证，系统模拟输出电阻准确度都能在0.02%范围内，符合设计要求。