基于AD630實(shí)現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻在線測(cè)量

2 測(cè)量系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)
依據(jù)上述原理所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，由通路選擇開關(guān)電路、前置放大帶通濾波器、AD630乘法器電路、積分器電路、交流恒流信號(hào)產(chǎn)生電路、方波轉(zhuǎn)換電路、取樣電路、單片機(jī)控制系統(tǒng)以及外部顯示通訊等組成。由于蓄電池的內(nèi)阻很小，故必須降低導(dǎo)線阻抗對(duì)電池內(nèi)阻的影響，因此采用四引線連接法。系統(tǒng)輸出的交流恒流信號(hào)接到電池兩端，再將電池內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓信號(hào)，連接到輸入轉(zhuǎn)換開關(guān)電路。上電后，首先由單片機(jī)控制調(diào)整檢測(cè)信號(hào)和參考信號(hào)的相位差φ使之為0。開始測(cè)量后，先由模擬開關(guān)CD4052選通電流測(cè)量通路，該通路在向蓄電池注入交流信號(hào)的回路中設(shè)置一標(biāo)準(zhǔn)取樣電阻，以測(cè)定交流信號(hào)的電流值；再選通電壓測(cè)量通路，測(cè)定電壓值。采集到的信號(hào)通過放大濾波等處理后送入單片機(jī)中，利用式(1)算出蓄電池的內(nèi)阻。

2．1 放大濾波電路
由于采集到的信號(hào)非常微弱，所以必須先進(jìn)行前級(jí)放大濾波再輸入相關(guān)器中。如圖3所示，低噪聲前置放大器由儀用放大器AD620和帶通濾波器組成。

AD620是一種高性能儀器放大器，性能穩(wěn)定，增益可調(diào)，其放大倍數(shù)由1腳和8腳之間的電阻RG決定，G=1+(49．4 kΩ／RG)。信號(hào)經(jīng)過其放大后，通過帶通濾波器檢測(cè)出0．4～3 kHz的帶通信號(hào)，輸送到乘法器信號(hào)端。直流放大電路采用高精度運(yùn)放OP27實(shí)現(xiàn)程控增益放大，放大器的反饋電阻利用模擬開關(guān)CD4052進(jìn)行選擇，通過單片機(jī)控制選擇放大倍數(shù)，使信號(hào)在最佳A／D采集電壓范圍內(nèi)。
2．2 相關(guān)運(yùn)算電路
在設(shè)計(jì)中相關(guān)器采用AD公司生產(chǎn)的AD630，這是一款高精度的平衡調(diào)制器，內(nèi)部電阻均是高穩(wěn)定度的SiCr薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩(wěn)定性。它的信號(hào)處理應(yīng)用包括平衡調(diào)制和解調(diào)、同步檢測(cè)、相位檢測(cè)、正交檢波、相敏檢測(cè)、鎖定放大和方波乘法等。AD630邏輯圖如圖4所示，其內(nèi)部可以被認(rèn)為是集成了兩個(gè)前置放大器，一個(gè)用來選通前置放大器的精密比較器，一個(gè)作為多路選擇開關(guān)以及輸出級(jí)積分運(yùn)算放大器。擁有高切換速度和快速穩(wěn)定的線性放大器，由于比較器的響應(yīng)時(shí)間快速，可使開關(guān)失真降至最低。此外，還有極低的通道間串?dāng)_。AD630通常用于高精度的信號(hào)處理以及動(dòng)態(tài)范圍寬的儀器設(shè)備。在鎖相放大電路中，當(dāng)其用作同步解調(diào)器時(shí)，可以恢復(fù)在100 dB噪聲背景下的微弱信號(hào)。AD630最優(yōu)的工作頻率是在1 kHz，故注入蓄電池的信號(hào)和參考信號(hào)選為1 kHz，同時(shí)1 kHz也處于適宜的電池內(nèi)阻頻率響應(yīng)范圍，不過其在零點(diǎn)幾兆赫茲時(shí)仍然可正常工作。

采用AD630作為乘法器實(shí)現(xiàn)的相關(guān)檢測(cè)電路原理圖如圖5所示。其中，AMP A和AMP B分別配置為正相放大器和反相放大器。輸入信號(hào)為一路待檢測(cè)信號(hào)和一路參考信號(hào)。待檢測(cè)信號(hào)通過1腳送入，參考信號(hào)通過9腳輸入到比較放大器。待檢測(cè)信號(hào)在器件內(nèi)部根據(jù)載波信號(hào)的正負(fù)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了開關(guān)乘法功能。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
3．1 前置放大與濾波結(jié)果分析
設(shè)計(jì)中前置放大要求為100倍，根據(jù)AD620中RG計(jì)算公式RG=49．4 kΩ／(G-1)計(jì)算出RG為499 Ω。在此對(duì)電容誤差為±5％，電阻誤差為±1％的放大電路使用Multisim軟件進(jìn)行仿真，如圖6所示，通道A為輸入信號(hào)，通道B為經(jīng)過AD620放大后的輸出信號(hào)，若輸入信號(hào)有效值為13．621 mV，則輸出為1．366 48 V，可實(shí)現(xiàn)精確穩(wěn)定的放大。
3．2 帶通濾波結(jié)果分析
帶通濾波是通過一級(jí)低通濾波器和一級(jí)高通濾波器實(shí)現(xiàn)的。低通濾波器是采用多重反饋型的LPF，如圖3中U2級(jí)所示，可解得該濾波器傳遞函數(shù)為：

由于當(dāng)時(shí)通帶截止，所以由可解得截止頻率f=0．37／(2πRC)。按照設(shè)計(jì)要求選取R=20 kΩ，C=1 nF，仿真得到其頻率特性如圖7所示。