摘要：介紹一種基于STM32F103單片機(jī)的高精度自動(dòng)電阻測(cè)試儀的設(shè)計(jì)與制作。該電阻測(cè)試儀使用分壓法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻的測(cè)量，采用了高精度的16位∑-△ADC AD7705完成電阻電壓的準(zhǔn)確測(cè)量。整個(gè)系統(tǒng)易于控制，人機(jī)交互界面友好。經(jīng)測(cè)試，系統(tǒng)功能齊全，精確度達(dá)到0．6％，轉(zhuǎn)換速率達(dá)到10／秒。
關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)STM32；AD7705；高精度

    傳統(tǒng)的電阻測(cè)試儀存在需要調(diào)檔，精度不夠的缺點(diǎn)。本文介紹了使用分壓法，采用了高精度的16位∑-△ADC AD7705完成電阻電壓的準(zhǔn)確測(cè)量的自動(dòng)電阻測(cè)試儀的構(gòu)成。

1 總體設(shè)計(jì)
1．1 基于分壓的電阻測(cè)量法
    該系統(tǒng)使用如圖1所示的分壓法測(cè)電阻，采用精密電阻做為R0，RX為測(cè)量電阻，通過測(cè)量U1，U2，由歐姆定理便可以測(cè)出。此方案電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。只要把精準(zhǔn)電阻R0標(biāo)定好，使用高精度的AD進(jìn)行采樣，就可以測(cè)出RX。

1．2 系統(tǒng)組成
    該系統(tǒng)由STM32F103單片機(jī)做主控，系統(tǒng)通過單片機(jī)控制繼電器來實(shí)現(xiàn)電阻檔的自動(dòng)轉(zhuǎn)換，采用了高精度的16位∑-△ADC AD7705完成電阻電壓的準(zhǔn)確測(cè)量，TFT彩色液晶可以實(shí)時(shí)顯示測(cè)量電阻阻值及其誤差，還可以顯示電位器阻值曲線。系統(tǒng)總體方案框圖如圖2所示。

2 系統(tǒng)各主要部分的理論分析和實(shí)際設(shè)計(jì)
2．1 STM32F32單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)中主控芯片為STM32F103，此款單片機(jī)時(shí)鐘頻率達(dá)到72 MHz，在72 MHz時(shí)消耗36 mA(所有外設(shè)處于工作狀)，待機(jī)時(shí)下降到2μA，價(jià)格便宜、高性能、低功耗。本系統(tǒng)全部的控制、測(cè)量、顯示等功能均由其來完成。
2．2 電壓采集模塊
    AD7705用∑-△轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)了16位無丟失代碼性能，具有0．003％的非線性度，包括由緩沖器和增益可編程放大器(PGA)組成的前端模擬調(diào)節(jié)電路，可編程數(shù)字濾波器等部件。非常符合本設(shè)計(jì)要求。

    設(shè)計(jì)電路時(shí)，為減少數(shù)字電路對(duì)模擬電路的干擾，模擬地與數(shù)字地分開，電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。
2．3 基準(zhǔn)電源模塊
    AD7705需要外部供給一個(gè)基準(zhǔn)電壓源，結(jié)合系統(tǒng)需要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，選擇用AD780。AD780是一款超高精度帶隙基準(zhǔn)電壓源，可以利用4．0 V～36 V的輸入提供2．5 V或3．0 V輸出。AD780可以用來提供最高10 mA的源電流或吸電流，并且可以在串聯(lián)或分流模式下工作，無需外部器件便可提供正或負(fù)輸出電壓，因此適合幾乎所有的高性能基準(zhǔn)電壓源應(yīng)用。能提供穩(wěn)定的2．5V或3．0V輸出。
2．4 自動(dòng)分壓式電阻測(cè)量部分
    采用傳統(tǒng)臺(tái)式儀表所采用的繼電器量程選擇模式，利用單片機(jī)控制繼電器的通斷實(shí)現(xiàn)量程的自動(dòng)切換。由于繼電器在未導(dǎo)通時(shí)電路為斷路，而在導(dǎo)通后基本可視為0Ω導(dǎo)通，兩端無壓降，也就是說繼電器是一個(gè)電子控制的開關(guān)，而且由于繼電器是機(jī)械結(jié)構(gòu)，其穩(wěn)定性比較高，因此可以作為理想的自動(dòng)儀表控制設(shè)備。4個(gè)繼電器，4個(gè)精密電阻就可以組成自動(dòng)分壓式電阻測(cè)量模塊，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，調(diào)試方便。

3 軟件設(shè)計(jì)
    (1)“超時(shí)待機(jī)”節(jié)能設(shè)計(jì)，系統(tǒng)采用STM32作為主控芯片，考慮到該芯片在掉電模式下待機(jī)時(shí)電流下降到2 μA，具有非常低的功耗，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了“超時(shí)待機(jī)”節(jié)能：系統(tǒng)若超過預(yù)定的時(shí)間沒有輸入，采用軟件方法讓主芯片進(jìn)入待機(jī)模式。
    (2)濾波，AD7705內(nèi)部有集成化的數(shù)字濾波，本系統(tǒng)在軟件上實(shí)現(xiàn)了均值濾波。
    (3)溫度補(bǔ)償，STM32F103內(nèi)部?jī)?nèi)置有溫度傳感器，考慮到電阻存在溫漂，電阻的阻值一般隨溫度的增加而增加，為確保電阻測(cè)試儀的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，系統(tǒng)在軟件上對(duì)電阻測(cè)試儀進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。
    (4)電位器為單圈旋轉(zhuǎn)式電位器，為了防止步進(jìn)電機(jī)在電位器已經(jīng)旋轉(zhuǎn)到盡頭還繼續(xù)前進(jìn)，不但影響測(cè)量精度，還會(huì)損壞電位器和步進(jìn)電機(jī)?；谝陨峡紤]，在軟件上，當(dāng)檢測(cè)到電位器的阻值為50 Ω或4．6 kΩ時(shí)，單片機(jī)給信號(hào)步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)停止前進(jìn)。
    (5)軟件設(shè)計(jì)流程圖，如圖4所示。

4 測(cè)試系統(tǒng)
4．1 測(cè)試方法及數(shù)據(jù)
    待測(cè)電阻先用Agilent34401A六位半數(shù)字萬用表進(jìn)行檢驗(yàn)和測(cè)量，然后用自動(dòng)電阻測(cè)試儀進(jìn)行測(cè)試。
    測(cè)試結(jié)果表明：
    (1)簡(jiǎn)易自動(dòng)電阻測(cè)試儀的測(cè)量精度達(dá)到0．6％。
    (2)簡(jiǎn)易自動(dòng)電阻測(cè)試儀測(cè)量電位器的精度達(dá)到1．54％。
    (3)轉(zhuǎn)換速度大于10／s。
    (4)電位器的測(cè)量，10 s能測(cè)量20個(gè)點(diǎn)。

5 誤差分析
    測(cè)量的誤差主要來源是各數(shù)字信號(hào)與模擬信號(hào)之間的干擾，在電路設(shè)計(jì)上對(duì)模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)進(jìn)行了隔離。另外一個(gè)誤差來源來自于電路中存在阻抗，通過反復(fù)測(cè)試，再用軟件進(jìn)行了矯正。

6 總結(jié)
    本系統(tǒng)以STM32F103單片機(jī)為核心，結(jié)合AD7705電壓采集、AD780基準(zhǔn)電壓源和一些簡(jiǎn)單的外圍設(shè)備，進(jìn)行了完整的設(shè)計(jì)。整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，測(cè)量精度高。