Исключение термо-ЭДС из результатов низкоомных измерений

Журнал РАДИОЛОЦМАН, сентябрь 2017

John Wynne

EDN

Если два проводника из разнородных металлов соединить в петлю, и температура одного контакта будет выше, чем другого, через петлю потечет электрический ток. Величина этого тока зависит от типа металлов и разности температур в точке соединения. При размыкании такой петли на ее концах появится термоэлектрическое напряжение. И, опять же, величина этого напряжения зависит от типа металлов и разности температур. Соединение двух металлов образует термопару, поэтому термоэлектрическое напряжение представляет собой напряжение термопары.

Когда вы пытаетесь измерять малые напряжения или низкие сопротивления, термо-ЭДС могут вызывать ошибки в показаниях. Стандартный способ, которым решают эту проблему изготовители цифровых мультиметров, заключается в двукратном измерении со сменой полярности тока возбуждения. Переключение полярности тока, возбуждающего низкоомный резистор или спай термопары, изменяет полярность полезного сигнала, но не влияет на полярность нежелательных термо-ЭДС. Последующее усреднение двух измерений исключает термо-ЭДС из конечного результата [1]. На Рисунке 1 показано измерение низкоомного резистора R_LOW с помощью микросхемы АЦП AD7719. На схеме также показаны две термо-ЭДС – ЭДС₁ и ЭДС₂, – представляющие собой суммы всех термо-ЭДС на пути АЦП и резистора. При однократном измерении эти термо-ЭДС обычно вызывают ошибку.

Рисунок 1.	В такой конфигурации ток возбуждения течет через RLOW сверху вниз.

Однако вы можете программно переключать каждый из двух источников тока AD7719 – I_EXC1 и I_EXC2 – на выводы I_OUT1 и I_OUT2. Эта возможность позволяет реверсировать направление тока возбуждения, идущего через низкоомный резистор. Таким образом вы можете сделать два измерения и исключить эффекты ЭДС₁ и ЭДС₂. Чтобы увеличить ток возбуждения и тем самым повысить чувствительность измерений, два внутренних тока возбуждения по 200 мкА могут параллельно выводиться на один выход. Таким образом можно получить один источник тока 400 мкА, который и используется в предлагаемой схеме в качестве тока возбуждения I_EXC. Транзисторы Q₁ и Q₂ переключают ток возбуждения таким образом, что, независимо от его направления, через эталонный резистор R_REF он всегда течет в одну сторону. Транзисторами противофазно управляют выходы портов P₁ и P₂ микросхемы AD7719 (на рисунке не показаны). Подходящим для резистора R_REF будет сопротивление 6.8 кОм, при котором опорное напряжение имеет типичное для логометрических измерений значение 2.5 В.

Рисунок 2.	В такой конфигурации ток возбуждения меняет направление и течет от нижнего вывода RLOW к верхнему.

Пути токов для каждой фазы измерений показаны на Рисунках 1 и 2. Во время Фазы 1 ток возбуждения выходит из вывода I_OUT1, а затем через R_LOW, Q₂ и R_REF уходит в землю. В Фазе 2 ток возбуждения вытекает из I_OUT2 и идет в землю через R_LOW, Q₁ и R_REF. Во время Фазы 1

V_{РАЗН(ФАЗА1)} = V_AIN1 – V_AIN2 = V_ЭДС1 – V_ЭДС2 + I_EXC×R_LOW.

Теперь вы переключаете источники тока. В Фазе 2

V_{РАЗН(ФАЗА2)} = V_AIN1 – V_AIN2 = V_ЭДС1 – V_ЭДС2 – I_EXC×R_LOW.

Далее вы программно объединяете два измерения, чтобы исключить составляющую термо-ЭДС:

V_РАЗН = V_{РАЗН(ФАЗА1)} – V_{РАЗН(ФАЗА2)} = I_EXC×R_LOW.

И, наконец, логометрический результат измерений нужно преобразовать в абсолютный. Этот результат вы получили путем измерения известного напряжения с использованием «неизвестного» логометрического опорного напряжения. На основе этих результатов, полученных при измерении известного напряжения, но с неизвестным опорным напряжением, можно сделать вывод о величине опорного напряжения, и, следовательно, об абсолютном значении V_РАЗН на выводах A_IN1 и A_IN2. Известное напряжение, скажем 2.048 В, можно получить с помощью такой микросхемы опорного источника, как ADR420. Оно подключается ко второй паре дифференциальных входов A_IN3 и A_IN4 и мультиплексируется на вход основного канала 24-битного АЦП.

Ссылки

Материалы по теме