完整、低成本、軟件可編程的歐姆表可以測(cè)量微歐級(jí)

許多應(yīng)用要求測(cè)量非常低的電阻，包括但不限于保險(xiǎn)絲完整性分析、繼電器特性測(cè)量和超導(dǎo)體評(píng)估等。 市面上有各種各樣的商用設(shè)備可用來(lái)完成這種任務(wù)，但這些設(shè)備價(jià)格異常高昂，而且無(wú)法集成到實(shí)驗(yàn)室以外的許多應(yīng)用中。 常用的低成本、緊湊型電阻測(cè)量方法是將一個(gè)已知直流電流注入未知電阻，然后測(cè)量由此產(chǎn)生的電壓，并利用歐姆定律計(jì)算電阻值。 遺憾的是，對(duì)于超低電阻，要使產(chǎn)生的電壓足以與周?chē)肼曄鄥^(qū)別，所需的電流會(huì)變得大得離譜。

圖1. AD8253配置為透明增益模式，允許用戶(hù)根據(jù)表1手動(dòng)設(shè)置增益。

圖1是一個(gè)完整、低成本、軟件可編程鎖定放大器的原理圖，設(shè)計(jì)用于測(cè)量微歐級(jí)電阻。 將電流切換到未知電阻中，產(chǎn)生一個(gè)交流電壓。 通過(guò)如下方式產(chǎn)生1 mA電流脈沖：利用一個(gè)模擬開(kāi)關(guān)(ADG436)將10 V電壓(來(lái)自精密基準(zhǔn)電壓源ADR01)和地電壓交替施加于10 kΩ電阻和未知電阻的串聯(lián)組合。 由此產(chǎn)生的微乎其微的交流電壓隨后被施加于增益配置為100的儀表放大器AD8228。 AD8228的低噪聲特性使它非常適合用作第一增益級(jí)。 AD8228之后是軟件可編程增益儀表放大器AD8253，其增益可根據(jù)待測(cè)電阻的大小配置為1、10、100或1000。 圖1中，AD8253配置為透明增益模式，允許用戶(hù)根據(jù)表1手動(dòng)設(shè)置增益。 AD8228和AD8253的增益漂移都非常低，因而系統(tǒng)增益在整個(gè)溫度范圍內(nèi)極其穩(wěn)定。 為了提取幅度信息，一個(gè)平衡解調(diào)器(AD630)同步整流所施加的信號(hào)。 然后，一個(gè)采用AD820的有源三極點(diǎn)低通濾波器抑制所有帶外頻率，并讓帶內(nèi)目標(biāo)信號(hào)通過(guò)。在最大系統(tǒng)增益時(shí)，其傳遞函數(shù)為50 mV/m。

該系統(tǒng)完全獨(dú)立自足，用戶(hù)只需提供+/-15V電源。 由普通低成本數(shù)字IC構(gòu)建的1 kHz振蕩器產(chǎn)生CLK信號(hào)，以控制系統(tǒng)的激勵(lì)和解調(diào)部分，這些IC的5 V電源則利用分流調(diào)節(jié)器ADR5045從15 V供電軌獲得。

圖2. 對(duì)于不同長(zhǎng)度的18 AWG銅線，系統(tǒng)的輸出電壓具有213.58 /cm的電阻，與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果相同。

如上面圖2所示，系統(tǒng)的輸出電壓在整個(gè)范圍內(nèi)是線性的。

圖3. 系統(tǒng)的測(cè)量誤差，曲線中的噪聲是由放置測(cè)量引線的人為誤差所引起，曲線的斜率是由系統(tǒng)的微小增益誤差所引起。

圖4進(jìn)一步證實(shí)了系統(tǒng)的線性特征。

圖4. 測(cè)量引線放置在1/2/4/8/16 cm的電線上時(shí)，系統(tǒng)的輸出電壓證實(shí)了系統(tǒng)的線性特征。