如何提高电阻测量精度:优化电路设计与误差消除

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对于应变计或热敏电阻等传感器,必须使用由不完美元件构建的电路来准确且经济地测量电阻,其中增益和偏移误差会严重限制欧姆测量的精度。正确的电路拓扑结构可以在测量欧姆时消除大多数误差项,而精度则仅由单个参考电阻器决定(图 1)。
 
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与测量电压或电流不同,测量电阻等无源属性需要激励。测量电阻的一种方法是强制已知电流通过电阻器并测量电阻器两端的电压。以这种方式测量欧姆意味着,通过正确选择激励电流,您无需进行数学运算,因此当计算成本超过构建精确电流源的成本时,这种方法很流行。然而,电流源的精度直接限制了读数的精度,测量响应电压的任何增益或偏移误差也会抵消精度。此外,测量范围仅限于 ADC 的信号范围,如下式所示:
 
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随着功能更强大的微控制器和片上比率式 ADC 的发展,电阻分压器模块架构(图 2)提供了一种更便宜的方法:
 
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这种架构具有从短路到开路的理论测量范围,但测量响应电压的任何偏移误差都会限制实际范围;基准电阻限制了整体精度以及测量响应电压的任何增益和偏移误差。
 
参考电阻的成本决定了参考电阻引入的误差,您可以得出电源电压 V抄送,从参考电压 V裁判.比率式ADC的增益误差通常很小,对整体误差的贡献不大,但失调误差则不是这种情况,失调误差可能是对整体精度的最大误差贡献。使用更昂贵、更精确的元件可以减少测量路径中任何运算放大器的失调误差。
 
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图 2 显示了如何显著消除增益和失调误差,其中减去两个测量电压可消除测量系统中的任何失调误差:
 
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这两个差值的比值消除了任何测量路径增益误差,留下基准电阻来确定测量误差。只要测得的信号从未超出 A/D 转换器的范围,此结果就是有效的。为了保证这种情况,请将检测缓冲区增益设置为略小于 unity。
 
您还可以测量多个电阻器,其中所有检测路径都多路复用到单个缓冲器和 A/D 转换器,八个模拟引脚允许您测量多达六个传感器(图 3)。或者,您可以将四个 sense paths 中的每一个连接到自己的 buffer 和 converter。
 
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该列表可从本文末尾的链接下载,其中显示了如何使用可编程模拟片上系统控制器实现图 2 中的电路。它使用 Cypress 的 ADCINC12 用户模块 (参考 1)、可编程增益调节用户模块和两个模拟输出缓冲器。将 ADCINC12 的模拟块放在缓冲器的正下方,并将 ADCINC12 的时钟设置为 167 kHz,采样率为 10 个样本/秒,可消除信号中的任何 50 Hz 或 60 Hz 干扰。如果应用程序需要更快的转换,请提高采样率。控制软件为 C 语言;程序计算电阻读数并将其保存在全局内存位置。
 
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