摘 要： 介紹了多功能單片機MSC1210和16位D/A轉換器AD5061的功能特點及精密電阻儀的設計思想和工作原理，突出關鍵器件的選用和高精度低溫漂恒流源電路設計。采用輸出電流經A/D轉換反饋回單片機的外部閉環誤差調整和由運算放大器等構成深度負反饋的內部閉環穩定系統，實現高精度恒流輸出和精細測量目標。
關鍵詞： MSC1210；AD5061；A/D轉換；D/A轉換；恒流源
精密電阻的測量關鍵要解決高精度恒流源和精密電壓準確、分辨率高的電壓檢測系統。如果流過被測電阻電流太小，在電阻上產生的壓降很小，則對檢測電路的設計提出更高的要求；如果選擇電流過大，電阻將產生焦爾熱，大多電阻對溫度敏感，影響測量精度，尤其是電爆螺栓、電爆管等，在使用時都要進行配對測試，測量電流控制不好，則會有潛在危險。因此，設計一款檢測電流很小且可手控的精密電阻測試儀十分必要。
新型多功能單片機的出現，使這一復雜問題簡單化。使用MSC1210為控制核心研制的精密電阻測試儀，恒流輸出最小為50 nA，步進為1 nA，恒流輸出最大為63.5 mA，電壓檢測通道最高分辨電壓為1 nV，滿足特殊精密電阻測量的要求。
1 系統硬件設計
系統由精密電壓測量通道和精密恒流輸出通道2大部分組成，系統結構框圖如圖1所示。采用四線電阻測量法，可以克服線路阻抗對測量的影響。
1.1 核心器件選擇
MSC1210是新型多功能微處理器（簡稱MCU），內核與8051系統兼容，但速度快3倍速，RAM 1 280 B，閃存32 KB，集成了具有輸入緩沖、數字濾波、增益自動校正功能的可編程放大器，放大倍數在1～128可調，溫漂小于1.255 ppm/℃；8通道24 bit低噪聲高精度A/D轉換器和可編程看門狗定時器等電路。
雖然MCU內部集成有2.5 V的高精度電壓基準源，為了便于數值運算，使用了外置的電壓基準REF191，穩定電壓為2 048 mV，最大誤差為±2 mV，最大溫度漂移小于5 ppm/℃。
AD5061是一款性價比極高的16 bit D/A轉換器，最大溫漂小于20 ppm/℃，8腳SOT-23封裝，有標準的SPI接口，能夠滿足該系統需要。內部功能如圖2所示。
1.2 電路系統設計
1.2.1 恒流源電路設計
對精密電阻進行準確測量，恒流源的精度至關重要。而影響恒流源精度的要素是電壓/電流轉換和恒流輸出驅動電路的設計。恒流源電路如圖3所示。
AD5061在ＭＣＵ控制下工作。當寫入代碼“０”時，Ｖin輸出０ Ｖ，寫入65535時，則Ｖin輸出2.048 Ｖ。代碼變化1位，輸出電壓變化31.25 V。
IC4A、BG1、R3和R6構成第一級具有深度負反饋的電壓電流轉換電路。VMOS三極管為電壓控制器件，源極、漏極與柵極絕緣的，在本電路中流經BG1漏極與流經源極的電流Ι1完全相等，不像普通三極管，基極電流影響測控精度。當AD5061輸出Ｖin后，BG1源極電壓Vs1維持與Ｖin相等，當漏極電流增加時，則源極電壓增加，反饋到IC4A的反相輸入端，使IC4A輸出端電壓降低，使BG1柵極電壓降低，從而強制通過BG1電流Ι1減少，維持VS1與Ｖin相等。
Ι1=Vin/R6（1）
IC4B和BG2構成恒流功率輸出，工作原理與第一級電壓電流轉換電路相同。根據電路，I1×R3=I2×R9，輸出電流
I2=（Ι1×R3）/R9（2）
由式（1）和（2）得：
I2=（R3×Vin）/（R9×R6）（3）
如果R6=R3，則：I2=Vin/R9。
由式（3）可見，只要基準電壓穩定并選擇好R9、R6、R3，就能使輸出電流穩定。
電路中R6=R3=1 kΩ，選用金封金屬箔電阻，R9=31.25 Ω，錳銅線自繞。
1.2.2 精密電壓測量電路設計
由于測量電流非常微小，在被測電阻上產生的電壓也是很微弱，為了準確提取有用的信號，要增大放大電路放大倍數，并提高A/D轉換靈敏度。
首先通過MCU內部功能寄存器設定放大為差動輸入，AIN0為CH0通道的“+”，AIN1為CH0通道的“-”，用于檢測被檢電阻的電壓；AIN2為CH1通道的“+”，AIN3為CH1通道的“-”，用于檢測流經被測電阻的電流，為穩定恒流輸出形成大回路閉環控制。
通過MCU內部功能寄存器開啟輸入緩沖，提高輸入阻抗，減少對被測電路的影響；開啟SinC3數字濾波器，降低系統和外部輸入噪聲影響；開啟自動校正功能，克服放大增益誤差、偏移的影響。
放大器有1、2、4、8、16、32、64、128 8擋放大倍數，系統自動選擇放大倍數，當CH0通道A/D轉換值不足2 V時，放大倍數自動增加，直到最大。也可手動設置。而CH1通道參數固定，A/D轉換值與設定值相比較，用于修正輸出電流。R1是電流采樣。
繼電器K是本系統特設，用于校準輸出電流和靜電放電。
按鍵掃描電路和顯示驅動電路不再詳述。
2 軟件設計
軟件采用Keil C51編寫，使用模塊化結構。主要有LCD顯示、按鍵掃描、A/D轉換、驅動AD5061進行D/A轉換和數據處理等，其主程序邏輯結構如圖4所示。該系統應用之一就是武器系統的電爆管的測試。對電爆管測試前，根據電爆管參數要求，設定檢測電流，等穩定后，接入系統進行測試。
精密電阻儀樣機完成后，進行整機調試、環境實驗、計量檢定等實驗，性能良好，參數穩定，輸出電流最大誤差為±5 nA，電爆管電阻的最大相對誤差小于0.1%，滿足設計要求。該系統成本低、精度高，應用范圍寬，有較高的推廣價值。
參考文獻
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