电子竞赛3——毫欧姆（mΩ）电阻变送器
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一、课题要求
1．任务
设计制作一个检测mΩ电阻变送器，其示意图如图1-1所示：
图1-1毫欧姆（mΩ）电阻变送器
2．要求
2.1基本要求
（1）检测电路的输出电压VO1= 0～1V 。
（2）流经Rx 的检测电流It≤5mA 。
（3）在Rx=10mΩ～100mΩ量程范围内变送精度优于10%（FS）。
（4）检测电路的输出内阻≤20Ω 。
2.2发挥部分
（1）将检测电路的输出电压VO1 转换成1～5V 的标准电压源输出，电压转换电路至少能驱动≤ 200Ω的电阻性负载。
（2）将检测电路的输出电压VO1 转换成4～20 mA 的标准电流源输出，电流转换电路至少能驱动≥500Ω 的电阻性负载。
（3）增加量程越界指示功能。
（4）尽可能提高变送精度，直至优于2%（FS）。
3．说明
不能使用 “V／I 转换”和“I／V 转换”之类的专用IC ，测量放大器用INA128，运放使用TLC084，电压基准用TL431。
二、方案设计与论证
1．四探头电流检测法
在测量阻值较小的电阻时，引线电阻和连接点处的接触电阻会使测量结果不准确，因此要使用四探头电流检测法。其原理如图2-1所示：该方法具有灵敏度高、测量准确加上方法巧妙，使用方便、对电源稳定性要求不高等特点，已被广泛地应用于电工技术和非电量电测中。
图2-1四探头电流检测法
2.检测电路
由图1-1可知，检测电路向被测电阻输出一个恒定电流，并将被测电阻的电压值送给后级电路。根据被测电阻和检测电流的数量级，判断输出电压值为μv级，需要经过放大才能得到0-1V的电压范围。因此检测电路应包含一个高增益、高精度的放大器，在本课题中采用测量放大器。
综上所述，检测电路的结构框图如图2-1所示：
图2-2 检测电路
3.电压转换电路
通过线性放大可以把0-1V电压转换成1-5V，作为变送器的输出电压。该电压也与电阻的大小呈线性关系。将此电压进行AD转换，再通过换算即可得到被测电阻的测量值，欧姆表也可由该原理制成。
4.电流转换电路
4-20mA也是仪表的标准输出，它可由1-5V输出电压经过V-I电路得到。也可以把1-5V电压加在一个250Ω的电阻两端后得到。相对来说，后者电路更简单。但为了保证电路的驱动能力，本设计采用V-I电路。
三、单元电路设计与仿真
1.检测电路
（1）恒流源电路
本系统采用Howland电流源，其原理图如图3-1所示：
图3-1 Howland电流源
两个运放TLC081均引入了负反馈，前者构成同相求和运算电路，后者构成电压跟随器。根据虚短、虚断原理，若取R1=R3，R2=R4，则输出电流Iout=。本系统取R1=R2=R3=R4=R5=R6=10k，Rs=2k，计算得Vin=2.5(1+)=5v，Iout=-2.5mA
Howland电路的仿真结果如图3-2所示：
图3-2 Howland电流源仿真
（2）测量放大器
由上文可以计算出：被测电阻的电压变化范围为0uV-250uV,而测量电路需要输出0-1V的电压。放大倍数为4000，一般的运放难以实现高增益，高精度的放大。故本设计使用了测量放大器。
测量放大器可以用若干普通运放搭建，也有专门的IC。从简化设计的角度考虑，选用Ina128这款低功耗、高精度的通用仪表放大器。该芯片外围电路简单，可实现1-10000的任意增益。
测量放大器电路如图3-3所示：
图3-3 测量放大器
由增益公式G=1+=可知，Rg=12.5Ω。需要注意的是，由于增益很大，误差也被放大了，电阻的误差也会对精度造成很大影响，而且可选用的电位器阻值都远大于12.5，难以进行精确调整。所以4000倍的增益由二级运放完成。取Rg=125Ω，即G=400。输出端连接一个增益为10的放大电路即可。
Ina128的仿真结果如图3-4所示：
图3-4 测量放大器仿真
可以看到，检测电路在驱动20Ω负载时，输出电压没有异常，满足设计要求。
2.电压转换电路
电压转换电路如图3-5所示：
图3-5 电压转换
该电路为一个反相求和电路。输出电压Vo=-Rf（=-（4Vin+1），输出端接驱动电路提升带负载能力，并把电压反相，变为正值。
电压转换电路（Rx=100mΩ）的仿真结果如图3-6所示：
图3-6 电压转换仿真
输出电压与预期一致，在驱动200Ω电阻时能正常工作。
4.电流转换电路
电流转换电路如图3-7所示：
图3-7 电流转换
该电路前级为反相求和电路，后级电路为负载共地方式的V-I转换电路。负载电流仅由输入电压决定，而与负载的大小无关。由于运放电源的限制负载只能在一定范围内变化。当输入电压不变时，负载电阻在一定范围内变化，输出电流将保持不变，这就构成恒流源电路。
电流转换电路的仿真结果（Rx=100mΩ）如图2-8所示：输出电流和驱动能力均满足要求。
图3-8 电流转换仿真
四、系统测试
1、测试仪器
直流稳压电源 GPS-4303C
高精度数字电桥测试仪 LCR-819
万用表 VA17
2、测试步骤
先对变送电路进行校准。直流稳压电源GPS-4303为系统提供±8V电源，接上一个校准电阻，调节电路，使测量放大器输出为1V，电压转换电路输出为5V，电流转换电路输出为20mA。
把高精度数字电桥测试仪 LCR-819测得的电阻值作为理论值，计算出输出电压和输出电流的理论值，并与万用表VA17测得的系统实测值进行比较，得到系统误差。
3、测试数据
| 标称值
（mΩ） |
参照测量值
（mΩ） |
Vo1
（V） |
Vo2
（200Ω） |
Io
（510Ω） |
实测值
（mΩ） |
绝对误差
（mΩ） |
相对误差 | 结论 |
| 10 | 11.4 | 0.11 | 1.45 | 6.02 | 11 | -0.4 | 3.51% | |
| 20 | 19.7 | 0.215 | 1.86 | 7.44 | 21 | 1.3 | 6.60% | |
| 30 | 32.0 | 0.35 | 2.42 | 9.68 | 33 | 1.0 | 3.13% | |
| 50 | 53.3 | 0.51 | 3.08 | 12.3 | 55 | 1.7 | 3.19% | |
| 100 | 102 | 1.01 | 5.06 | 20.2 | 105 | 3 | 2.94% |
