摘 要： 介绍了多功能单片机MSC1210和16位D/A转换器AD5061的功能特点及精密电阻仪的设计思想和工作原理，突出关键器件的选用和高精度低温漂恒流源电路设计。采用输出电流经A/D转换反馈回单片机的外部闭环误差调整和由运算放大器等构成深度负反馈的内部闭环稳定系统，实现高精度恒流输出和精细测量目标。
关键词： MSC1210；AD5061；A/D转换；D/A转换；恒流源
精密电阻的测量关键要解决高精度恒流源和精密电压准确、分辨率高的电压检测系统。如果流过被测电阻电流太小，在电阻上产生的压降很小，则对检测电路的设计提出更高的要求；如果选择电流过大，电阻将产生焦尔热，大多电阻对温度敏感，影响测量精度，尤其是电爆螺栓、电爆管等，在使用时都要进行配对测试，测量电流控制不好，则会有潜在危险。因此，设计一款检测电流很小且可手控的精密电阻测试仪十分必要。
新型多功能单片机的出现，使这一复杂问题简单化。使用MSC1210为控制核心研制的精密电阻测试仪，恒流输出最小为50 nA，步进为1 nA，恒流输出最大为63.5 mA，电压检测通道最高分辨电压为1 nV，满足特殊精密电阻测量的要求。
1 系统硬件设计
系统由精密电压测量通道和精密恒流输出通道2大部分组成，系统结构框图如图1所示。采用四线电阻测量法，可以克服线路阻抗对测量的影响。
1.1 核心器件选择
MSC1210是新型多功能微处理器（简称MCU），内核与8051系统兼容，但速度快3倍速，RAM 1 280 B，闪存32 KB，集成了具有输入缓冲、数字滤波、增益自动校正功能的可编程放大器，放大倍数在1～128可调，温漂小于1.255 ppm/℃；8通道24 bit低噪声高精度A/D转换器和可编程看门狗定时器等电路。
虽然MCU内部集成有2.5 V的高精度电压基准源，为了便于数值运算，使用了外置的电压基准REF191，稳定电压为2 048 mV，最大误差为±2 mV，最大温度漂移小于5 ppm/℃。
AD5061是一款性价比极高的16 bit D/A转换器，最大温漂小于20 ppm/℃，8脚SOT-23封装，有标准的SPI接口，能够满足该系统需要。内部功能如图2所示。
1.2 电路系统设计
1.2.1 恒流源电路设计
对精密电阻进行准确测量，恒流源的精度至关重要。而影响恒流源精度的要素是电压/电流转换和恒流输出驱动电路的设计。恒流源电路如图3所示。
AD5061在ＭＣＵ控制下工作。当写入代码“０”时，Ｖin输出０ Ｖ，写入65535时，则Ｖin输出2.048 Ｖ。代码变化1位，输出电压变化31.25 V。
IC4A、BG1、R3和R6构成第一级具有深度负反馈的电压电流转换电路。VMOS三极管为电压控制器件，源极、漏极与栅极绝缘的，在本电路中流经BG1漏极与流经源极的电流Ι1完全相等，不像普通三极管，基极电流影响测控精度。当AD5061输出Ｖin后，BG1源极电压Vs1维持与Ｖin相等，当漏极电流增加时，则源极电压增加，反馈到IC4A的反相输入端，使IC4A输出端电压降低，使BG1栅极电压降低，从而强制通过BG1电流Ι1减少，维持VS1与Ｖin相等。
Ι1=Vin/R6（1）
IC4B和BG2构成恒流功率输出，工作原理与第一级电压电流转换电路相同。根据电路，I1×R3=I2×R9，输出电流
I2=（Ι1×R3）/R9（2）
由式（1）和（2）得：
I2=（R3×Vin）/（R9×R6）（3）
如果R6=R3，则：I2=Vin/R9。
由式（3）可见，只要基准电压稳定并选择好R9、R6、R3，就能使输出电流稳定。
电路中R6=R3=1 kΩ，选用金封金属箔电阻，R9=31.25 Ω，锰铜线自绕。
1.2.2 精密电压测量电路设计
由于测量电流非常微小，在被测电阻上产生的电压也是很微弱，为了准确提取有用的信号，要增大放大电路放大倍数，并提高A/D转换灵敏度。
首先通过MCU内部功能寄存器设定放大为差动输入，AIN0为CH0通道的“+”，AIN1为CH0通道的“-”，用于检测被检电阻的电压；AIN2为CH1通道的“+”，AIN3为CH1通道的“-”，用于检测流经被测电阻的电流，为稳定恒流输出形成大回路闭环控制。
通过MCU内部功能寄存器开启输入缓冲，提高输入阻抗，减少对被测电路的影响；开启SinC3数字滤波器，降低系统和外部输入噪声影响；开启自动校正功能，克服放大增益误差、偏移的影响。
放大器有1、2、4、8、16、32、64、128 8挡放大倍数，系统自动选择放大倍数，当CH0通道A/D转换值不足2 V时，放大倍数自动增加，直到最大。也可手动设置。而CH1通道参数固定，A/D转换值与设定值相比较，用于修正输出电流。R1是电流采样。
继电器K是本系统特设，用于校准输出电流和静电放电。
按键扫描电路和显示驱动电路不再详述。
2 软件设计
软件采用Keil C51编写，使用模块化结构。主要有LCD显示、按键扫描、A/D转换、驱动AD5061进行D/A转换和数据处理等，其主程序逻辑结构如图4所示。该系统应用之一就是武器系统的电爆管的测试。对电爆管测试前，根据电爆管参数要求，设定检测电流，等稳定后，接入系统进行测试。
精密电阻仪样机完成后，进行整机调试、环境实验、计量检定等实验，性能良好，参数稳定，输出电流最大误差为±5 nA，电爆管电阻的最大相对误差小于0.1%，满足设计要求。该系统成本低、精度高，应用范围宽，有较高的推广价值。
参考文献
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