嵌入式系统的分压器自校准方法

作者： 国自电气 时间：2024-11-06 09:19:41 阅读：23

　高精度的二进制电阻分压器作为一种重要的电压比率器件广泛应用于计量校准和电测仪表等领域。由于直流电阻分压器的工作电流通常很小，一般在1MA以下，所以电阻发热带来的温度变化影响较小，分压器可达到较高的精确度和稳定性，常被用于准确、稳定地测量电压波形和高灵敏度直流微伏电压表的测试和校准中。随着高性能模数转换器和数模转换器的快速发展，高精度电阻分压器在高性能ADC和DAC线性度验证评价方面也获得了广泛应用，因此发展一种可以简单快速实现比率自校准的高精度电阻分压器具有重要的应用价值。传统的多级电阻分压器造价昂贵，结构复杂，校准过程复杂耗时，难以满足测试计量领域对低成本高性能电阻分压器的需求。本文基于二进制电阻分压结构，并结合嵌入式系统，设计并实现了一种可自动校准的二进制电阻分压器，该二进制电阻分压器结构简单，易于实现，通过电阻分压器涉及的开关、电阻等关键器件的合理布局与选型，可以比较容易地实现分压器的高稳定性和高准确度。同时，利用嵌入式系统可以方便地实现校准过程的简易化、自动化、高效化。

１　实验原理

电阻分压器及比率自校准原理

八位二进制电阻分压器原理如图略所示。图中所有电阻名义值均相同，采用双刀双掷开关，交换每一级降压电阻和负载电阻，采用单刀双掷开关，给每一级自校准提供参考电压。忽略开关和布线电阻，进行N对测量，即可完全校准一个N位分压器。

２　校准系统构成

本文基于前面所述原理设计了两套八位自校准二进制电阻分压器，电阻分压器实物图如图略所示。图中，左侧为嵌入式系统控制电路，右侧为分压网络，分压网络主要由继电器和电阻排列组成。

校准系统结构框图如图略所示，校准系统实物图如图略所示。校准系统由一个±１０Ｖ的源、两套自校准二进制电阻分压器、数字电压表、微处理器与计算机构成的控制系统组成。其中，两路八位二进制电阻分压器完全独立且无源，自校准过程是计算机通过ＲＳ２３２向微控制器发送控制指令，继电器驱动电路实现开关切换，数字电压表通过ＧＰＩＢ总线将测量结果反馈给计算机，最终微处理器对数据进行分析计算。整个校准过程耗时几分钟左右，可以收获较高的精度。

本文设计并实现了一种基于嵌入式系统的高精度二进制电阻分压器，这种分压器较现有高精度电阻分压器具有结构简单，准确度更高并可以实现自动比率自校准的特点。本文提供的自校准方法整个过程可以在几分钟内完成，解决了现有设备校准过程复杂耗时等问题。分压器提供的分压比率精度超过了现有仪器仪表，为现有设备定期校准修正提供了可靠的补偿参考。为验证分压器和自校准方法的可靠性，研制了两个独立的八位二进制分压器，实验结果表明其比率校准相对偏差小于５×１０（-7），这种偏差主要是由分压器所用精密电阻的短期稳定性造成的，通过采用稳定性更高的电阻可以进一步提高比率校准的准确度。同时，该分压器自校准完成后的补偿参数可通过增设一个数模转换模块进行修正，达到最终为更接近名义值的分压比例输出。