（测试计量技术及仪器专业论文）ptcr综合性能测试仪的研制.pdf

东南大学硕士论文 摘要 p t c 热敏电阻在许多领域获得了广泛的应用。为了生产出合格的p t c 热敏电阻产品，需 要对p t c 热敏电阻进彳亍性能测试。本文从实际应用出发，针对生产的实际需要，结合当今微 电子技术和自动化技术的发展，吸收现有设备的一些有益经验，研究了p t c r 综合性能测试 仪。达到了一定的精度和速度，满足p t c 热敏电阻生产厂家的需求。 本文首先概要介绍了p t c 热敏电阻的基本特性、工作原理和典型应用，对现有设备进 行了简单介绍，给出了p t c r 综合性能测试仪的总体设计 文章设计并且实现p t c r 综合性能测试系统的硬件电路。单片机控制通道切换和测试数 据的采样，通过串口和上位计算机进行通讯，由计算机进行数据的收集、处理、存储、显示 和打印。文章在信号调理电路、保护电路及抗干扰方面都进行了有益的探索 另外本文还设计了一套温度测控系统，对温度测量电路、温度控制算法以及加热电路都 一一进行了研究，为p t c r 的性能测试提供了所必须的温度条件。 本文最终实现了六个工位p t c r 的三大特性的测试，电阻一温度特性测试；电流一时间 特性测试( 包括动作特性测试和不动作特性测试) ；耐工频电流特性测试 关键词：p t c r ，热敏电阻，温度，测量控制 东南大学硕士论文 a b s t r a c l p o s i t i v et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n tr e s i s t o ri sw i d e l yu s e d f o rp r o d u c i n ge l i 舀b l ep t c l t ，i ti s n c c a ；s 町t ot e s tt h ep t c rp r o d u c lm e e t i n gw i t ht h ed e m a n do fp r o d u c t i o na n dt h ep r a c t i c a l a p p l i c a t i o n , c o m b i n i n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e r nm i c r o e | e e t r o n i c sa n da u t o m a t i o n t e c h n o l o g i e s ，a n da s s i m i l a t i n gt h eu s e f u le x p e r i e n o ef r o mt h ee x i s t i n gd c v i c e s , t h i sp a p e rd e v e l o p s ac o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i s t i ct e s t i n gd e v i c eo fp t c rw i t hag o o db a r g a i nt os a t i s f yt h e 眦r m a n u f a c t u r e r 1 k sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i cf e a t u r e s ，w o r k i n gp r i n c i p l e sa n dt y p k a la p p l i c a t i o no f p r c w i t ht h eg e n e r a ld e m o n s t r a t i o no f c u r r e n te q u i p m e n t s , w ed i g nt h es y s t e m i cf r a n l eo f t h et e s t i n g d e v i c eo f 呲r t h cd e s i g na n dr e a l i z a t i o no fc i r c u i t sf o rt h ec o m p r e h e n s i v ec h a r a c t e r i s t i ct e s t i n gd e v i c eo f p t c ri si l l u s t r a t e dh e r e i n m c uc o n t r o l st h ec h a n n e ls w i t c h i n ga n ds a m p l i n go f t e s td a t a v i at h e c o m m u n i c a t i o nb ys e r i a li n t e r f a c e sa n dt h en p p e l c o m p u t e r , t h ec o m p u t e re x e c u t e sf u n c t i o n s ，s u c h a sd a t ag a t h e r i n g , p r o c e s s i n g , s t o r i n g , d i s p l a y i n ga n dp r i m i n g a sw e l l w ei n v e s t i g a t es e v e r a l p o t e n t i a la s p e c t s 。s u c ha ss i g n a lp r o c e s s i n gc i r c u i t s ，p r o t e c t i o nc i r c u i ta n da n t i j a m m i n gc i r c u i t i na d d i t i o n , at e m p e r a t u r em e a s u r i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e mi sd e v e l o p e d ，w h i c hi si n v o l v e d w j t hac i r c u i tf o rt e m p e r a t u r em e a s u r i n g t e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n ga l g o r i t h ma n dh e a t i n gc i r c u i t , e t e t h i ss y s t e mp r o v i d e st h e s a n t i a lt e m p e r a t u r ec i r c u m s t a n c ef o rt h ep e r f o r m a n c ea n a l y s i so f p t c r a tt h el a s ts t e p ，w i t ht h i sd e v e l o p e ds y s t e m ，w er e a l i z et h et e s t i n gp r o c e d u r e sf o rt h r e em a j o r f e a t u r e so fp r c r ：r e s i s t a n c e - t e m p e r a t u r et e s t , c u r r e n t - t i m et e s t , a n dc u r r e n ts h o c kw i t h s t a n d i n g t e s t 。 k e yw o r d ：p t c r ，t h e r m a lr e s i s t o r ，t e m p e r a t u r e ，t e s ta n dc o n t r o l 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 一签名砬新签名链 研究生签名尘1 9 五壹l 导师签名l 趁! ：j l 东南大学硕士学位论文 1 1p t c r 的基本概念 第一章绪论 p t c r ( p o s i t i v e t e m p e r a t u r e c o e f l 5 c i e m r e s i s t a n c e ) 是指正温度系数电阻，其显著特性是随 着温度的升高p t c r 的阻值变大目前得到普遍使用的p t c 热敏电阻按材料可以分为陶瓷 p t c r 和有机材料p t c r 两种，其中有机高分子p t c r 有价格低、常温电阻小等优点，陶瓷 p t c r 有重复性好的特点，两种p t c r 各有优缺点j 两种p t c 电阻有着不同的p t c 效应机理 陶瓷p t c r ：实验证明陶瓷p t c r 的p t c 效应是由陶瓷基体中的晶界层产生，而晶粒 本身并没有p t c 效应其p t c 效应的强度、常温电阻的大小和基体中的晶粒大小，种类等 都有一定的关系 有机高分子p t c r ：一般认为是有机基体中掺杂的导电粒子聚集形成导电链，随着温度 的升高导致导电链的断裂或导电粒子扩散从而使有机高分子p t c r 的阻值升高，特别在有机 晶体的熔融点附近，导电链的状况急剧变化导致有机p t c r 的电阻值也急剧上升显现出强烈 的p t c 效应其p t c 效应的强度，常温电阻的大小和填充的碳粒的畲量、大小、表面积以 及在基体内的分步情况等都有关系 目前，世界上仅有美、日、中国等少数国家掌握了一定的有机p t c 材料技术，并开发了 相应的产品其中著名的有美国r a y c h e m 公司的p o l y sw i t c hd e v i c e ，被称为“可重复使用 的保险丝”( r e s e c t a b l ef u s e ) 。该类产品是符合i e e e - 1 3 9 4 标准的解决过流保护的理想器件 而我国的有机高分子p t c 热敏电阻的研制和开发也达到了褶当的水平 1 2 p t c r 的应用 最初人们只是将p t c 元件用作一种简单的电加热器，随着对其性能的不断了解，开始广 泛应用于各个方面。特别是近几年，p r i 元件的应用取得了长足的进展，它具有的熟敏、限 流、延时等的开关特性和无触点、无噪声、使用寿命长的特点，并且易加工成各种形状和尺 寸，适合集成化人们已经开发出许多高耐压、低阻值、高可靠、复合化、片状化和高效发 热体结构的新品种，广泛应用于工业电子设备、通信和家用电器产品等多种领域，随着科学 技术的不断发展相信p 1 元件必将得到越来越广泛的应用。p t c 元件的主要用途分为开关 和发热两大类别 1 2 1 开关保护 这是目前p t c r 材料最主要的应用。在通常情况下，它处于低阻，对电路的影响很小；当 电路中出现过载或短路后，由于它自身的热效应而使电阻迅速上升，起到了限流的作用，应 用的领域有； ( 1 ) 卫星电视视频接收器。采用同轴电缆传递视频信号及用于提供l n b ( l o w - n o i s e - b l o c k ) 电源，为了防止同轴电缆在安装时被弯曲或压坏所造成的短路或在用户将天线与接收器分离 时所造成的过流，都必须给l n b 提供p t c 热敏电阻作过流保护 ( 2 ) 通用线路的过流保护。当电路出现异常时，p t c r 能够自动限制过电流和阻断电流，当 故障捧除后恢复原态，是一种自动保护、自动恢复使用、无触点、无噪声、无火花的“万次 保险元件” ( 3 ) 电池用于便携式电话和笔记本电脑及其它便携式电子器件的镍镉、锂、卤素等电池 都需要过流保护如外部电路突然短路或充电电池已被充满电而充电器却继续充电，这些都 会给电池带来损坏。而电路中若有p t c 热敏电阻，此问题可以得到解决。 ( 4 ) 彩电消磁电路能有效消磁因磁场的影响被磁化的c r 傥光板，改善色彩障碍，使图 东南大学硕士学位论文 像、色彩清晰、逼真f r o 热敏电阻自身的特性使其无需其它控制器就能控制电流，在断电 后返回到正常电阻值的时间很短，因而有再消磁的性能。 黟旷音器( 喇叭) 现在的喇叭普遗是独立于功放设计的，所以市售喇叭与功放常有不匹 配现象。如输出功率较大的功放配低功率的喇叭在较响的声音时会使喇叭的绕组产生过高的 电压由于使用保护电路会给喇叭带来杂音，而保险丝的使用又不实际，故p t c r 成了较好的 选择。 ( 6 ) 即插即用和热插拔虽然即插即用和热插拔给p c 机用户带来了极大的便利，但随之而 来的过流问题也成为了最大的。麻烦”主机板的鼠标和键盘的端口需要过流保护，在各种 外设热插时，u s b ( 通用串行总线) 也需要保护f r c 热敏电阻可以很好地解决这些问题 ( 7 ) 灯丝。用于各种荧光灯电子镇流器、电子节能灯中。不必改动线路将产品直接跨接在 灯管的谐振电容两端，可以改变电子镇流器、电子节能灯的硬启动为预热启动灯丝的预热 时间达o 4 - - 2 秒可延长灯管寿命3 倍以上 应用p t c 热敏电阻器实现预热启动如图l 一1 所示，刚接通开关时，r t 处于常温态，其阻值 远远低于c 2 阻抗，电流通过c l 、r t 形成回路预热灯丝约0 4 2 秒后，r t 焦耳热温度超过 居里点t c 跃入高阻态，其阻值远远高于c 2 阻抗电流通过c 1 、c 2 形成回路导致l 谐振，产生 高压点亮灯管 图1 1 应用f t c 热敏电阻器实现预热启动 ( 8 ) 三相电动机过热保护电路引起电动机过热的原因很多，比如：启动时间过长、连 续过载、频繁启动、电压过高、环境温度过高、缺相等。过热严重影响电动机绕组的绝缘， 利用p t c 热敏电阻作过熟保护，与传统的双金属器件的电阻温度计相比，具有结构简单 尺寸小，响应快、成本低等优点。 图1 2 为电动机过热保护电路图采用三个p t c 热敏电阻及辅助继电器j 2 帽串联。正常 运行时，p t c 热敏电阻处于低阻状态，经二极管整流后的电压主要加在辅助继电器j 2 上， j 2 吸合，则主继电器j l 通电吸合，电动机正常运转当电动机过热时，p t c 热敏电阻处于 高阻状态辅助继电器j 2 切断主继电器j 1 的回路电源，从而保护了电动机 b c j i - 1 ,。f 1 一i i 里停止厂斟 粤兰一闹 以砭 图1 - 2 电动机过热保护电路 2 东南大学硕士学位论文 1 2 2 发热保护 过热的保护方法可以根据负载电流的大小分为直接保护和间接保护两种 l 埴接保护 这种方法一般用在小电流的场合流过热敏电阻的电流应保证在伏安特性曲线( 图1 - 3 ) 的左侧也就是说，使通过热敏电阻的电流小到不能因电阻器的自热温升使其电阻值增大到 的影响负载的程度在这种情况下，热敏电阻可直接与负载串联电路如图1 4 所示。 ，烈 玖捻 a 馓b ：猾 薹 稿 鬟夕 7 ；，。 3 3 0 加 电压( v ) 图l - 3p t c r 的伏安特性曲线图i - 4 p t c r 过热保护电路 在这种方法的电路中，触发热敏电阻动作有两种可能性，一是环境温度升高导致热敏电 阻的温度升高导致热敏电阻动作，另一种可能是由于过大电流通过导致熟敏电阻自热温度升 高导致热敏电阻动作，甚至两者的共同作用下出现过电流未到规定的电流值时熟敏电阻已经 动作。从而出现过流保护的误动作。这种方法能够真正的抑制通过被保护器件的电流 直接保护法常用于电动机、变压器过热保护等场合。汽车上的电动机或者马达等设备在 运行中会产生过热现象，导致设备寿命的缩短，例如把线圈的导线外所包的绝缘材料烧掉， 从而导致整个设备的瘫痪利用有机p t c 热敏电阻的电阻特性，当马达过热时即断流，就 可以达到控制马达温度的目的图1 - 5 为马达、变压器过热保护原理。 j ，k 图1 - 5 a 马达过热保护图1 - 5b 变压器过热保护 ( 2 ) 间接保护 间接保护法指p t c 热敏电阻不直接接入被保护器件的回路中，而是通过晶体管放大器 或其它方式间接地对保护器件实现保护作用。图1 - 6 是一个简单的过热开关的原理图。 东南大学硕士学位论文 + 图1 _ 6 闻接保护法 河接过热保护法其实是通过热棍舍导致热敏电阻动作，从而触发保护电路工作关断负 载上的电源实现过热保护在这种方法中，热敏电阻器避开了大电流电路，因而可以对大电 流器件进行保护图中热敏电阻r t 要安装在紧贴负载电阻r l 的地方。使它们之间能充分地 进行热交换当甩过热时，而r t 温度上升，电阻增大，使晶体管t 导通，继电器j 吸合， 其常闭触头k 断开，达到保护的目的 陶瓷p 1 材料同样也具有非线性p 1 效应它在需要大电流的冰箱等用电器的马达启 动时，作过流保护方面已有大量应用，但过流保护性能不如有机p 1 热敏电阻优越。主要 的原因在于陶瓷p 1 热敏材料在居里点以上的温度范围内电阻随温度上升相对较慢，与有 机p 1 陀热敏材料相比，没有一个类似于保险丝似的电阻突变过程，况且它在起始零功率时 相对阻值较大。陶瓷p 1 热敏材料生产成本较低廉，又具有自动控温等优点，很适宜于替 代电热丝作恒温加热器，如电蚊香加热器、暖风机、电吹风等。 1 3p 1 陀r 的电性能介绍 1 、电阻一温度特性：指在规定的电压下随着温度豹变化，p 1 犯r 的零功率电阻值与电 阻体温度之问的关系。零功率电阻值，指在某一规定的温度下测量p 1 _ c r 的电阻值，测量时 应保证该电阻的功耗低到本身功耗引起的电阻值的变化可以忽略的程度川由于温度的升高 导致p t c r 内部结构或状态的变化，在p 1 r c r 材料的居里点附近变化特别明显( 电阻的变化 率可达2 0 3 ( p o ) 根据电阻一温度曲线变化速度的不同，p 1 r 电阻可以分为缓变型 ( 5 - 1 0 。j ) 和突变型( 1 5 , - , 6 0 c ) 其中突变型根据居里点的不同又可以分为低居里点( 居里 点在5 0 1 2 0 之间) 突变型和高居里点( 居里点在1 2 0 旬4 0 之间陕变型。根据其特性的不 同，应用的场合也不同利用p i r 的此特性可以用作过热，过流保护器件 2 5t 1 i t t p 图l - 7p 1 r 的电阻温度特性 2 、电流一时间特性：是指在恒定的夕 加电压( 一般为有效值电压) 下，p 1 r 通过的电流 随时间的变化特性。开始加电压瞬间的电流称为起始电流，通电后1 秒或3 秒的电流称为阻 4 东南大学硕士学位论文 尼电流。平衡时的电流称为残余电流【3 1 其电流随时问呈指数形式衰减，衰减系数与电阻温 度系数成正比，与外加电压、p t c r 的热容、元件的形状和大小均有关系利用p t c r 的此 特性可以用作消磁电阻 3 嚣 01 0 02 0 03 0 0 时同t “- ) 图1 - 8f i c r 的电流- 时间特性 3 、电压一电流特性；包括零功率伏一安特性、静态伏一安特性等通过静态伏一安特 性我们可以知道p 1 r 在工作状况下的情况，也有利于我们确定f i c r 的工作点和适用条件。 2 s 糖 廿 图1 - 9f r c r 的不同温度下的电压电流特性 ， 4 、交流频率效应：由于晶粒边界的势垒层存在空间电荷，具有电容效应，所以p 1 材 料的电阻率随交流频率的变化而变化当温度高于居里点时，电阻率的频率相关性大；当温 度低于居里点时。电阻率的频率相关性小，如图1 4 所示从图中可以看出。由于频率的不 同，同一温度下的电阻率有数量级的差别，并且r j a a x p l i n i n 值随频率的上升而下降，当频 率大于l z 时，p t c 材料不再具有正温度系数的特性。 力 。 “r 屯 图1 1 0p 1 r 的交流频率效应 5 、耐电流特性：是p 1 熟敏电阻在规定的工频电压下经受特定初始电流多次冲击的能 5 东南大学硕士学位论文 1 4p t c r 测试设备的研究意义及研究现状 p r c 元件目前的社会需求量极大，据估计每年的需求量达上亿只因而近几年生产p t c 熟敏电阻厂家不断增多，生产规模也不断扩大，对p t c r 自身的可靠性提出了更高要求这为 p t c 热敏电阻性能测试设备提供了很大的市场。 目前，大多数h c 热敏电阻生产厂家对器件性能的测试大多采用了人工方法如采用普 通高耪度万用表进行电阻测量，普通温度计对一些温度点进行温度的测量这些传统的测量 方法，测量时问长，而且测试精度也不高。为了精确测试p t c 熟敏电阻性能，许多生产产家 不得不采用高级测量仪器来测量p t c 热敏电阻单特性( 如高精度示波器来测量电流一时间 特性) ，造成仪器许多功能的浪费也提高了企业投入成本 国内研究p t c 热敏电阻测试仪器主要有华中科技大学、武汉理工大学等，他们研究的测 r c 们 试仪器仅解决了手工测量的一些缺陷“1 ，但是并未解决多功能、低成本等问题。并且他 们研制的产品都是单一功能，要测试一个p t c 元件的各种电性能，就要先后在多台仪器上操 作当待测元件很多时，操作过程繁琐且容易出错，经济负担也比较大 本论文从实际应用出发，针对生产的实际需要，结合当今微电子技术和自动化技术的发 展，吸收现有设备的一些有益经验。研究并开发p t c 热敏电阻综合性能测试仪，以优良的性 能价格比，满足p t c 热敏电阻生产产家的需要。本论文所设计的测试仪器考虑将所有的测试 功能集中到一台仪器或系统中，形成一台多功能测试仪器，从而实现测试设备的简化，大大 降低测试软硬件成本，只使用一套测试设备就可以实现多个p t c r 多项性能的测试采用通 道切换和a d 相结合的方法来实现，即采用单片机控制通道切换和测试数据的采样，通过 串口和上位计算机进行通讯，充分发挥了单片机的控制功能。又利用了通用计算机强大的数 据处理和显示功能，进行数据的收集、处理、存储、显示和打印 1 5p t c r 测试设备的技术难点 i 、阻温特性测试技术难点： 高精度控温设备：高温度稳定性，快速而稳定的升温0 0 ( 3 分钟) ， 高精度温度测量设备( o 0 1 ) ， 高精度高分辨率大跨度电阻测量设备。i f - d 0 0 m ；o 0 lq ， 2 、不动作特性测试技术难点： 高精度程控电流源， 3 、动作特性测试技术难点： 高精度可程控大电流大功率电流源， 相应大功率保护电路， 4 、耐工频电流特性测试技术难点： 保护电路。 1 6 本文的要求和主要研究内容 本论文要求达到的指标和要求如下： ( 1 ) 能够实现阻温特性，动作特性、不动作特性测试和耐工频电流测试三大功能； ( 2 ) 能够快速、高精度地测量p t c r 电阻器的标称电阻值i ( 3 ) 电阻范围：o 1o l o m q 。电阻分辨率为0 o lo ； ( 4 ) 控制温度范围：室温+ 2 0 0 ，温度分辨率为0 1 ； ( 5 ) 位数：6 只次； 6 东南大学硕士学位论文 ( 6 ) 超温自动保护和击穿( 过电流) 保护电路； ( 7 ) 自动保存数据，计算参数、显示曲线及打印 u i n 时，输出高电平，发出中断申请，单片机进入中断 子程序后进行相应的处理 在测试加压开始很短的时间内设置一个较高的过流保护动作阀值电压u i n ，以避开p t c r 的起始大电流，等测试回路中的电流降低后再自动降低过流保护动作阀值电压u i n ，从而解 决了过流保护动作阀值电流设置过高导致过流保护的灵敏度降低和过流保护动作阀值电压 设置过低而使p t c r 在嬲试剐开始大屯流时易产生误保护动作的矛盾，在很大程度上提高了 p t c r 过流保护的灵敏度和可靠性 图2 1 1 保护电路原理图 东南大学硕士学位论文 报警电路如图2 - 1 2 所示，当某一路p t c r 样品被击穿，保护电路作用切断回路，同时进 行声光报警，报警电路如图2 - 1 1 所示，某一路样品被击穿，则蜂鸣器声音报警，六个发光 二极管由一片3 8 译码器控制，指示区分是哪个工位被击穿 图2 - 1 2 声光报警电路 1 4 东南大学硕士学位论文 第三章系统硬件设计与实现 3 i 单片机整体设计 如图3 - l 所示，单片机控制继电器实现对6 个工位待测p t c 样品的切换，以及3 个测试 功能的切换。模拟多路开关用于电阻测量时，切换不同的量程。l e d 数码管显示待测电阻的 阻值保护电路用于耐工频电流的测试，作用时产生中断，单片机通知切断测量回路看门 狗采用x 2 5 0 4 5 ，防止程序跑飞整个单片机系统通过串口实现与上位机的数据传输 7 ll e d 显示 i 嚣h 一r筮 叫d 转换 旧雾卜l 路p 片 i 机 7 l 继电器控制 看门狗r _ _ h i 串口 图3 - i 单片机整体设计框图 3 2 电源电路设计 系统中单片机、调理电路以及模数转换电路采用5 v 、1 2 v 供电将2 2 0 v ，5 0 h z 的交 流电经过变压器后，转化为1 5 v 的交流电然后经过一个桥式整流、电容滤波后分成两路， 一路经三端线性稳压器7 8 0 5 后，产生o + 5 v 的电压，供系统中的模拟电路使用另一路先 经7 8 1 2 ，7 9 1 2 正负稳压后，产生+ 1 2 v 和一1 2 v 的一组电压。然后经7 8 0 5 和7 9 0 5 正负稳压后，产 生+ 5 v 和一5 v 的另一组电压这两组电压供系统中的数字电路使用电源设计中，把数字电 路电源和模拟电路电源分开，可以减少因某块稳压电源故障而使整个系统破坏的可能性，而 且也减少了公共阻抗的相互耦合以及和公共电源的相互耦合。大大提高了供电的可靠性，也 有利于电源散热电源的原理框图如图3 - 2 所示： 图3 - 2 电源的原理框图 东南大学硕士学位论文 在电源电路中一稳压器输入有电容旁路输入旁路电容能够提供良好的高额特性，以保 证在所有负载条件下工作的稳定性一般选择0 3 3 u f 或更大的钽电容、涤纶电容或其他在 高额时内阻抗小的电容为旁路电容旁路电容用尽量短的引线直接连在稳压墨输入端上在 信号处理扳上的电源入口处加入兀形滤波电路，玎彤滤波电路由电容和电感组成。加入n 形 滤波电路有利于降低电线路上的噪声，能够消弱电源线上瞬变噪声对信号处理系统的干扰。 在电流时间特性测试中，需要3 0 v 直流电压。采用开关电源实现 整个板子上的缝电器选用的2 4 v 驱动的，也采用开关电源实现 耐工顿电流测试特性中，需2 2 0 v 交流电压直接接入 3 3 上位机与单片机的串行通信 在设计中，单片机选用a t 8 9 c 5 2 ，为与p c 机进行串行通信采用i i x 2 3 2 进行r s - 2 3 2 电 平与r i l 电平的相互转换 单片机和p c 机的串行通信一般采用脑一2 3 2 + i 强- 4 2 2 或r s _ 4 8 5 总线标准接口，也有采用 非标准的2 0 = a 电流环本文采片 r s 一2 3 2 串行总线接口与单片机通信的方法。8 s - 2 3 2 是e i a 4 0 为公共电话网络数据通信而制定的标准由于r $ - 2 3 2 的发送和接受是“对地”而言的，采 用非平衡模式传辅，存在共地噪声，所以其最大传输距离和速率在标准中被限定为1 5 米和 1 9 2 0 0 b i t s 从电气特性而言，i i s 一2 3 2 总线的逻辑电平与t t l 电平完全不兼容，总线中的 任何一条信号线的电平均为负逻辑关系，逻辑。0 ”规定+ 5 + 1 5 v 之间。逻辑“1 ”规定为 一f i l s v 之间，噪声容限为2 v 。即要求接受器能识别低至+ 3 v 的信号作为逻辑”0 一，高到一3 v 的信号作为逻辑”1 ” 从机械特性而言，8 8 - 2 3 2 包括标准的2 5 针及其简化的9 针引脚捧列。在实际应用中， 船一2 3 2 - c 的2 5 条引线中有许多是很少使用的，在计算机与终端通讯中一般只使用3 9 条 引线表& 1 为常用的9 针接口各引脚的信号功能。 表3 1 接口各引脚的信号功能 引脚名称功能 信号方向 1d c d 载波信号检测d c e - d t e 2 l i 【d接受d c e d t e 3t x d 发送d c b d 1 芑 4m d t e 准器就绪 d c b t e 5g n d 信号地 6d s r i ) c e 准备就绪d c e _ d t e 7f 邢 d t e 请求发送数据 d c e 呻t e 8粥 d c e 清除发送d c e 叽 9r i 振铃指示 d c e d t e 备注：b t e曾数据终端设备如单片机和p c 机，d c e 指数据通信设备 如常用的-0 d 叫。 8 8 2 3 2 规定的电平和一般微处理器的逻辑电平不一致必须进行电平转换虻1 4 8 8 和 m c l 4 8 9 芯片为早期的r $ - 2 3 2 至t 孔逻辑电平舶转挟芯片，采用该苍片的主要缺点是电路需要 + 1 2 v 电压，不适合用于低功耗的系统。本文采用 1 a x 2 3 2 作为转换芯片m t t x 2 3 2 是m a x i m 公司 生产的包含两路驱动器和接受器的8 8 - 2 3 2 转换芯片芯片内部有一个电压转换器，可以把 输入的+ 5 v 电压转换为r s 一2 3 2 接口所需的+ i o v 电压，尤其适用于+ 1 2 v 的单电源系统。圈3 - 3 为m a l 2 3 2 的典型应用电路。 东南大学硕士学位论文 图3 - 3 姒x 2 3 2 的典型应用电路 3 4 信号调理电路 主要介绍测量电阻时，采集电压值的信号调理电路下面就不同测量电阻的方法分别 介绍： 1 、交流法测量o 2 0 时，调理电路如图3 - 4 所示： 亨 图3 4 交流法测电阻原理图 电路用一片放大器t l 0 8 4 可实现四路的放大a a 、r i - r 4 组成频率为3 0 0 h z 的方波发 生器，d z 降方波稳定在5 v p - p ，因为被测电阻r p t e r 和r a 的值远远小于i 坫，所以通过r p t e r 的电流约为： i x = 6 r 6 = l m a ( 3 1 ) 所以放大器a b 的输入为： v i n = 0 0 0 1 ( r p t c r + r a ) ( 3 2 ) 放大器a b 提供a s r t = l o 的交流增益，放大器a c 和二极管d 将交流信号转换为直流信 号，其增益为i + r l l r 1 0 = 1 0 。放大器a d 是是增益为1 + r 1 3 r 1 2 的直流放大器，输出为： 1 7 东南大学硕士学位论文 v = o 5 x v m x l 0 1 0 ( 1 + r 1 3 r 1 2 ) = o 0 5 x ( r p t c r + r a ) ( 1 + r 1 3 ，r 1 2 ) ( 3 3 ) 这里o 5 是针对方波5 0 的占空比而言的转换率。直流输出经过r 1 4 和c 4 平滑后，输 入电压跟随器a p 电路中r a 取值1 q ，它为放大器提供了一个基础信号，当r p t c = 0 时，r a 向a b 发送 一个i m v p - p 的信号如果r a = 0 而r p t c 又非常小时，放大器a b 的噪声可能会淹没这种 徽弱的输入信号为了对r a 所造成的输出偏移进行补偿，当r x = 0 时，读出测量初始值， 以后的每次测量结果与初始值相减，其差值作为测量的结果 2 、恒流法测量电阻，需要特别注意的是量程为2 q 2 k q 时，由于接受到的信号比较 微弱，需要将此信号放大才可以进行后继处理，提高测试精度 对于微弱信号的放大，要求放大器的分辨率高，线性度好，输入阻抗高，并要求漂移低、 抑制噪声和抗干扰能力强，因此选用测量放大器( 又称仪表放大器) 测量放大器能够较好地 抑制包括工频、静电和电磁耦合等共模干扰，是一种具有精密差动电压增益的放大器件。由 于其具有高输入阻抗、低输出阻抗、低温漂、高共模抑制能力、低失调电压、高稳定增益等 特点，使其广泛作为微弱信号检测系统中的前置放大器。对于高精度弱信号的检测，一般用 二级放大器：第一级采用测量放大爨，以提高输入通道的共模抑制比；第二级一般为普通的 运算放大器，将第一级的输出信号放大至满足a d 转换器所要求的输入电压变换范围( 本文 中要求单极性0 2 v ) 本文设计采用二级放大，测量放大器选用a d 6 2 0 ，运算放大器选用 l t c 6 9 1 0 - 1 可编程增益放大器，以分别实现信号的1 倍、1 0 倍、1 0 0 倍放大。下面分别介绍a d 6 2 0 和l t c 6 9 1 0 - 1 两种放大器 a d 6 2 0 是一种只用一个外部电阻就能设置放大倍数为1 1 0 0 0 的低功耗、高精度仪表放 大器。它体积小，为8 管脚的s o i c 或d i p 封装，供电电源范围为- - + 2 3 v 1 8 v ，最大供电 电流仅为1 3 m a 。a d 6 2 0 具有很好的直流特性和交流特性，它的最大输入失调电压为5 0 u v 最大输入失调电压漂移为l u v ，最大输入偏置电流为2 0 n a 。6 = 1 0 时，其共模抑制比大 于9 3 d b 在l k h z 处输入电压噪声为9 n v 、爿2 ，在0 1 h z 1 0 h z 范围内输入电压噪声的峰 一峰值为0 2 8 u v ，输入电流噪声为0 1 a 4 h z 。g = l 时它的增益带宽为1 2 0 h z ，建立时坶 为1 5 u s 总的来看，a d 6 2 0 的特点可归结为如下几点： ( 1 ) a d 6 2 0 能确保高增益精密放大所需的低失调电压、低失调电压漂移和低噪声等性 能指标： ( 2 ) 只用一只外部电阻就能设置放大倍数1 1 0 0 0 ： ( 3 ) 体积小，只有8 个引脚 ( 4 ) 低功耗，最大供电电流为1 3 m a a d 6 2 0 的管脚和结构简图如图3 - 5 所示： 1 8 东南大学硕士学位论文 - i n + n a s v o t m a n 孵辩 图3 5a d 6 2 0 的管脚和结构简图 a d 6 2 0 是在传统的三运放组合方式改进的基础上研制的单片仪用放大器。输入三极管q 1 和q 2 提供了唯一双极差分输入，因内部的超b 处理，它的输入偏移电流比一般情况低1 0 倍 通过q 1 一 l r 1 环路和q 2 - - a 2 - - r 2 环路的反馈。保持了q 1 、q 2 集电极电流为常量，所以输入 电压相当于加在外接电阻r g 的两端，从输入到a 1 _ 2 输出的差分放大倍数为g = ( r 1 + r 2 ) r g + 1 。由a 3 组成的单位增益减法器消除了任何共模成分，而产生一个与r e f 管脚电位有关的单 路输出 r g 的值还确定了前级的跨导。当r g 减小时。放大倍数增大。对输入三极管的跨导渐渐 地增大，这具有明显的优点：放大倍数增加使得开环增益增大，因此减小了与增益有关的误 差；由c l 、c 2 和前置运放跨导确定的增益带宽乘积增加，因此频率响应得到改善；主要由 输入三极管集电极电流和基极电阻确定的输入电压噪声减小到9 n y 丑2 内部增益电阻r l 和船被精确定为2 4 7 k q 。使得运放增益精确地由r g 来决定当g = 1 时，r g 端不连接；对于任意的增益值，r g 由一下公式计算： 4 9 4 娩 、 r g 2 ( g - - 1 ) 【3 4 ) 本文取放大倍数g = 1 ，r g 端不连接。a d 6 2 0 采用双电源供电，考虑其供电范围以及所需 设计电源，取：+ v s = + 5 y ，- - v s = - - s v 电源必须在靠近器件电源引脚处加电容去耦去 耦电容选用0 1 u f 表面安装的陶瓷片状电容和l o u f 的钽电解电容 l t c 6 9 1 0 - 1 是占用p c b 空间非常小的低噪声数字控制可编程增益放大器，它通过3 位数 字输入来提供8 种电压增益以供选择。电源电压范围为2 7 v l o 5 v ，最大电源电流为3 e d l 典型值。满摆幅输入输出( i 0 ) ，即输入和输出信号幅度几乎等于电源( 干线) 电压值，也 就是常说的。轨对轨”l t c 6 9 1 0 - 1 的增益档级为0 ，l 、2 、5 、1 0 、2 0 、5 0 、l o o v v ，输入 电压噪声为9 9 n v 、压云，系统动态范围是l l g d b ，增益带宽乘积( g b w ) 为1 1 。图3 - 6 是 l t c 6 9 1 0 - 1 的引脚捧列和内部电路组成框图 1 9 东南大学硕士学位论文 攫丌 翻d 棵 t - v e 2 6 l 图3 - 6l t c 6 9 1 0 - 1 的引脚捧列和内部电路组成框图 l t c 6 9 1 0 - 1 的引脚功能如下； o u t ( 脚1 ) ：模拟输出，这是内部运算放大器的输出端，其输出摆幅接近电源( 干线) 电压( v + 和v 一) 运算放大器在任何时刻，包括零增益设置( 数字输入0 0 0 ) 在内，都 是有源的该脚输出电流为l o m a ，可驱动商达5 0 p f 容性负载。 6 n d ( 脚2 ) ：模拟地，位于内部电阻分压器的中间点，同时又是内部运算放大器的非 反相输入端 i n ( 脚3 ) ：模拟输入输入到放大器的信号是i n 脚与a g n d 脚之间的电压差该脚在 内部连接到数字控制电阻，在单位增益( 数字输入0 0 1 ) 上，其输入电阻大约是l o k q ，输 入电压范围为v + 到v 一增益设置超过l ( 数字输入0 1 0 ) 或更高对，输入电阻器阻值下降 电压增益为l o 或更高( ) 数字输入1 0 0 或更大时，输入电阻将降至1k q 左右。在“0 ”增 益状态( 数字输入0 0 0 ) ，i n 脚的模拟开关断开，此时该脚会呈现非常高的输入阻抗 ，。 v - - ( 脚4 ) 、v + ( 脚8 ) ：电源输入，使用时，应接0 1 u f 的电容器进行旁路 g o 、g l 和g 2 ( 脚5 、6 和7 ) ：a 1 0 s 电平数字增益控制输入，其中g 2 是最高有效位( 1 l s b ) 这三个脚可用来组合控制从i n 脚到o u t 脚的电压增益对l t c 6 9 1 0 一1 ，其电压增益的8 个 值，分别对应于数字输入0 0 0 1 1 1 l t c 6 9 1 0 - 1 是一种电压增益数字可编程的小外形宽带反相d c 放大器。该p g 通过在g ( 6 2 、g 1 和6 0 ) 脚上的3 位数字输入来控制8 种电压增益选择。当3 位二进制数字增加时， 电压增益也相应增加，通过1 4 0 s 模拟开关切换闭环运算放大嚣的输入电阻器阵列和反馈电阻 器阵列中的电阻来实现增益控制放大器带宽取决于增益设置。在5 v 电源电压下，当电 压增益选择1 2 和5 时，其- - 3 d b 频率分别为7 、5 和2 5 埘z ，而当增益设置为从1 0 到1 0 0 ( 数 字输入从1 0 0 到儿1 ) ，其增益带宽截止频率均为1 1 m h z ，如下表3 2 所示： 表3 2l t c 5 9 1 0 一l 的增益设置与相关特性 控制输入代码 电压增益线性输入范围( v ”)输入阻 g 2g 1g o 、 ( d b )5 v 双电源5 v 单电源3 v 单电源抗( k 0 ) 00001 2 01 053开路 001101 0531 0 0 1 02652 51 55 0 1151 4 21 0 62 10o1 02 01o 50 31 l002 02 60 50 2 50 1 51 l1 0 5 03 4o 2 o 10 0 6 l 11 l 1 0 04 0o 10 0 5o 0 3l 东南大学硕士学位论文 恒流测电阻电压最大值为2 v ，采用5 v 单电源供电，电压增益取i 、1 0 和1 0 0 对应的 数字输入分别为0 0 1 、1 0 0 和1 1 1 此信号调理电路图如下所示： 圈3 7 信号调理电路图 3 5 数据采集部分 模数转换接口的作用是将由传感器模拟接口电路调理过的模拟信号转换为适合计算规 处理的数字信号。并送入计算机数据通道中，并由计算机进行处理和显示，这一过程称为数 据采集 d 是这部分的关键部件，它的性能往往直接影响整个系统的技术指标。a d 的主要性 能指标包括：分辨率、转换时间( 或转换速率) 、转换误差。 在测量电阻进行电压采集时，由于电压变化较为缓慢，因此采样率也不是很高，相应的 对a d 的转换时间没有特别的要求，同时因为p i r 在常温时阻值很小，可能不足一欧姆，要求 测试精度达到0 0 1q ，因此需要精度比较高的a d 转换器 双积分式 d 转换以其转换糖度商、灵敏度商，抑制干扰能力强、造价低等特点，在各 类数字仪表和低速数据采集系统中得到了广泛的应用。测