自适应可控空气电阻器的制作方法

本发明涉及电流测量技术，特别是一种自适应可控空气电阻器，通过主控模块从封装在一起的多个空气电阻中选取合适电阻值的采样空气电阻以匹配相应的电流测量量程，从而既能够确保不超过采样空气电阻的功率以保证电流测量准确度又能够避免因更换采样空气电阻而导致的需要长时间控温以保证阻值稳定性的处理过程。

背景技术：

卫星、飞船等各种航天器都需要进行整体环境模拟的大型试验，在试验过程中难免会使用大功率电源进行模拟，这些大功率电源中多为高稳定性直流大电流源，存在无法搬运、需要现场校准需求。该类电源电流值达到几百安，稳定性在5×10^-5/h量级，故选用直流电流比较仪对直流大电流进行精密测量。在测量大电流时，需要先将被测电流按一定比例转换成小电流，然后再与流经采样电阻中的电流进行比较，最终得到准确的大电流值。由于被测电流未知，要想被测电流准确可靠，关键是采样电阻的选取。按照以往的测量方式，采样电阻都需人工选取，在每次更换采样电阻后，还需要经过长时间控温以保证阻值的稳定性，测试过程费时费力。因此需要一套能够根据电流大小自动切换电阻的采样系统，而传统的扫描开关配合空气电阻搭建采样装置的问题在于，一是扫描开关存在较大的热电势，影响测量结果准确性，二是传统的扫描开关和空气电阻体积较大且无法同时控温，影响测试效率。本发明提出了一种自适应可控高精度空气电阻的设计方法，并根据该方法研制了一套自适应可控空气电阻，该电阻目前已应用于直流大电流校准系统中，经测试，该系统准确度高、稳定性好，采用该装置大大提高了直流大电流测试效率，因而该发明有良好的应用前景。

技术实现要素：

本发明针对现有技术中存在的缺陷或不足，提供一种自适应可控空气电阻器，通过主控模块从封装在一起的多套或多个采样电阻即空气电阻中选取合适电阻值的采样电阻以匹配相应的电流测量量程，从而既能够确保不超过采样电阻的功率以保护采样电阻，又能够快速准确测量电流值，还能够避免因更换采样电阻而导致的需要长时间控温以保证阻值稳定性的处理过程。

本发明的技术方案如下：

自适应可控空气电阻器，其特征在于，包括主控模块，所述主控模块分别连接数据采样控制模块、多通道开关电路和驱动模块，所述多通道开关电路包括若干条采样电流通路，每一条采样电流通路上设置有一个继电器，所述继电器连接一个采样空气电阻，各条采样电流通路上的采样空气电阻具有不同的电阻值以对应不同的电流测量量程。

所述主控模块包括单片机、主控制单元和辅助控制单元。

所述数据采样控制模块包含AD转换电路，AD转换电路可采用单电源供电的12位AD转换器，或采用双电源供电的24位AD转换器，或采用更高精度的模数芯片。

所述数据采样控制模块包括AD转换器，所述驱动模块包括第一驱动电路，所述AD转换器连接第一继电器，所述第一继电器分别连接第一驱动电路和一个并联电阻电路，所述第一驱动电路包括MOS管电路或第1三极管，所述MOS管电路或第1三极管连接所述主控模块，所述并联电阻电路并联于所述多通道开关电路的两端，所述并联电阻为分流电阻。

所述多通道开关电路包括至少三条采样电流通路，其中第一条采样电流通路包括第一量程采样空气电阻，第一量程采样空气电阻连接第三继电器，第三继电器通过第3三极管连接所述主控模块；第二条采样电流通路包括第二量程采样空气电阻，第二量程采样空气电阻连接第四继电器，第四继电器通过第4三极管连接所述主控模块；第三条采样电流通路包括第三量程采样空气电阻，第三量程采样空气电阻连接第五继电器，第五继电器通过第5三极管连接所述主控模块。

所述数据采样控制模块扩展至8条采样通道；所述多通道开关电路包括一条不含采样空气电阻的电流通路，所述不含采样空气电阻的电流通路包括第二继电器，第二继电器通过第2三极管连接所述主控模块。

各条采样电流通路上的采样空气电阻通过各继电器中的双刀双掷开关共用一个电压测量表。

所述采样空气电阻采用4只电阻构成，所述4只电阻均为包含铝合金外壳、镀金端钮以及采用聚四氟乙烯块封装的空气电阻，所述4只电阻通过两两并联后串联，所述4只电阻共同构成所述采样空气电阻；其中第一量程采样空气电阻的电阻值为1欧姆，第二量程采样空气电阻的电阻值为10欧姆，第三量程采样空气电阻的电阻值为100欧姆，第一量程范围为0～3mA，第二量程范围为3～30mA，第三量程范围为30～350mA。

所述继电器为低热电势继电器或电磁继电器，电磁继电器内部触点的接触电阻约50mΩ。

所述驱动模块是使用PNP三极管构成的共射放大电路，或采用MOS管驱动电路，以提升主控模块I/O口驱动能力。

本发明的技术效果如下：本发明自适应可控空气电阻器，其自适应电阻的技术指标稳定性优于1×10^-5/h，在提高测量准确度的同时，也大大减少了电阻的控温时间。本发明确定电流测量的自适应性，使其满足高稳定性直流大电流校准系统的特殊需求。

附图说明

图1是实施本发明自适应可控空气电阻器的系统结构示意框图。

图2是实施本发明自适应可控空气电阻器的电路原理结构示意图。

附图标记列示如下：STC89C52-主控模块/主控电路主控模块，包括端口P00至P37(其中P00～P07对应主控模块引脚39～32，P10～P17对应主控模块引脚1～8，P20～P27对应主控模块引脚21～28，P30～P37对应主控模块引脚10～17)，P00对接第三继电器K3，P01对接第四继电器K4，P02对接第五继电器K5，P03对接第一继电器K1，P04对接第二继电器K2，P00～P04为继电器动作指令端口，P13～P17为AD控制指令端口，P20～P27为AD数据位端口；MAX197-AD转换器/模数转换器；K1-第一继电器/第一双刀双掷开关；K2-第二继电器/第二双刀双掷开关；K3-第三继电器/第三双刀双掷开关；K4-第四继电器/第四双刀双掷开关；K5-第五继电器/第五双刀双掷开关；V1‐第1三极管；V2‐第2三极管；V3‐第3三极管；V4‐第4三极管；V5‐第5三极管；Rx1‐第一量程采样空气电阻；Rx2‐第二量程采样空气电阻；Rx3‐第三量程采样空气电阻；R1‐第一电阻；R2‐第二并联电阻；R3‐第三并联电阻；R4‐第四并联电阻；R5‐第五并联电阻；R6‐第六电阻；R7‐第七电阻；R8‐第八电阻；R9‐第九电阻；R10‐第十电阻；R11‐第一分压电阻；R12‐第二分压电阻。

具体实施方式

下面结合附图(图1-图2)对本发明进行说明。

图1是实施本发明自适应可控空气电阻器的系统结构示意框图。图2是实施本发明自适应可控空气电阻器的电路原理结构示意图。如图1至图2所示，自适应可控空气电阻器，包括主控模块，所述主控模块分别连接数据采样控制模块、多通道开关电路和驱动模块，所述多通道开关电路包括若干条采样电流通路，每一条采样电流通路上设置有一个继电器，所述继电器连接一个采样空气电阻，各条采样电流通路上的采样空气电阻具有不同的电阻值(例如，Rx1＝1Ω，Rx2＝10Ω，Rx3＝100Ω等)以对应不同的电流测量量程(例如，0～3mA，3～30mA，30～350mA等)。所述主控模块包括单片机ARM、主控制单元和辅助控制单元。主控电路包括主控模块STC89C52。所述数据采样控制模块包含AD转换电路，AD转换电路可采用单电源供电的12位AD转换器，或采用双电源供电的24位AD转换器，或采用更高精度的模数芯片。所述数据采样控制模块包括AD转换器MAX197，所述驱动模块包括第一驱动电路，所述AD转换器MAX197连接第一继电器K1，所述第一继电器K1分别连接第一驱动电路和一个并联电阻电路(例如，由5只100Ω电阻R1,R2，R3，R4，R5组成)，所述第一驱动电路包括MOS管电路或第1三极管V1，所述MOS管电路或第1三极管V1连接所述主控模块STC89C52，所述并联电阻电路并联于所述多通道开关电路的两端，所述并联电阻为分流电阻。

所述多通道开关电路包括至少三条采样电流通路，其中第一条采样电流通路包括第一量程采样空气电阻Rx1，第一量程采样空气电阻Rx1连接第三继电器K3，第三继电器K3通过第3三极管V3连接所述主控模块STC89C52；第二条采样电流通路包括第二量程采样空气电阻Rx2，第二量程采样空气电阻Rx2连接第四继电器K4，第四继电器K4通过第4三极管V4连接所述主控模块STC89C52；第三条采样电流通路包括第三量程采样空气电阻Rx3，第三量程采样空气电阻Rx3连接第五继电器K5，第五继电器K5通过第5三极管V5连接所述主控模块STC89C52。所述数据采样控制模块扩展至8条采样通道；所述多通道开关电路包括一条不含采样空气电阻Rx的电流通路，所述不含采样空气电阻的电流通路包括第二继电器K2，第二继电器K2通过第2三极管V2连接所述主控模块STC89C52。各条采样电流通路上的采样空气电阻通过各继电器中的双刀双掷开关共用一个电压测量表V。所述采样空气电阻采用4只电阻构成，所述4只电阻均为包含铝合金外壳、镀金端钮以及采用聚四氟乙烯块封装的空气电阻，所述4只电阻通过两两并联后串联，所述4只电阻共同构成所述采样空气电阻；其中第一量程采样空气电阻Rx1的电阻值为1欧姆，第二量程采样空气电阻Rx2的电阻值为10欧姆，第三量程采样空气电阻Rx3的电阻值为100欧姆，第一量程范围为0～3mA，第二量程范围为3～30mA，第三量程范围为30～350mA。所述继电器为低热电势继电器或电磁继电器，电磁继电器内部触点的接触电阻约50mΩ。所述驱动模块是使用PNP三极管构成的共射放大电路，或采用MOS管驱动电路，以提升主控模块I/O口驱动能力。

将1Ω、10Ω和100Ω三只采样空气电阻封装于自适应可控空气电阻器(以下简称自适应电阻)中，然后由主控模块控制采样空气电阻的选取，既确保不超过采样空气电阻的功率，更能保证电流测量准确度。自适应电阻的电路主要组成部分包括主控电路、AD转换电路、切换电路和驱动电路。1)主控电路。以主控模块STC89C52为核心，主要完成对AD芯片的数据传输和继电器动作控制。目的是处理信号，并对选通量程进行判断和控制。2)AD转换电路。由数模转换器和一组并联电阻构成。其中并联电阻由5只100Ω电阻组成。数模转换电路基于MAX197，主要功能是将采样空气电阻上的电压进行模数转换，进而识别输入电流，并将信号输入至主控模块。3)切换电路和驱动电路。切换电路选用小型电磁继电器DS2Y-S-DC5V，双刀双掷；驱动电路使用8550三极管，提升主控模块I/O口驱动能力。切换电路分为四条电流通路。除一条通路只含有继电器外，其余三条通路每路都由一个继电器和一个采样空气电阻构成。目的是由继电器的吸合控制电流通路。

自适应可控空气电阻器最大允许电流为350mA，考虑到测量准确度的要求，将电流分为三个量程，即Rang₁为(0～3)mA、Rang₂为(3～30)mA、Rang₃为(30～350)mA。在Rang₁中用100Ω作为采样空气电阻、在Rang₂中用10Ω作为采样空气电阻、在Rang₃中用1Ω作为采样空气电阻。当电流流经采转换电路并选择相应采样空气电阻后，对电阻两端的电压进行测量，然后再除以采样空气电阻值，即为标准电流值。

电路工作原理如下：1)主控模块采用上电复位模式，晶振频率11.0592MHz，P0.0～P0.4口作为继电器动作指令，P1.3～P1.7口作为AD控制指令，P2.0～P2.7口作为AD数据位。上电后，主控模块等待采样空气电阻上的电压建立，然后触发K1继电器动作。此时AD芯片的两个模拟通道分别接在采样空气电阻的两端，主控模块控制AD芯片分两次转换两个通道的电压值，读取高、低两个字节的转换结果，将其做减法即得到采样空气电阻上的压降数字量，根据数字量所属的区间确定对应使用的电阻。选定电阻后，首先触发电阻对应的继电器动作，然后再释放短路继电器K2，最后释放K1继电器，此方法一方面确保回路中不出现电流中断，另一方面确保恒流源的电流全部流经标准电阻。2)MAX197是单电源供电的12位AD转换器，具有量程多、通道多、通道之间独立等特点，转换时间可达6us，最高采样频率100KSps。本设计中，对转换速度和采样频率的要求不高，因此采用MAX197内部时钟、内部获取的工作模式；对电流识别的精度要求高，因此采用0～10V档单极性量程、外部基准的工作模式。外部的基准电压由R11、R12组成的分压电阻提供，约为3.23V，则MAX1997的实际量程为0V～7.88V(高于采样空气电阻任一端电压)，电压步进量约2mV，等效的电流步进量约为0.1mA。主控模块分两次对MAX197的控制字节写入0x50和0x51后，MAX197将分别启动对通道0和通道1的AD转换，每次转换均耗时约7.7us，MAX197完成内部转换后将INT置低位用于外部中断，待主控模块读取AD结果数据时，INT自动置高位准备下一次的转换。3)切换电路的核心部件为电磁继电器DS2Y-S-DC5V，其内部触点的接触电阻约50mΩ，利用其双刀联动的特点将电压表的引入与标准电阻的转换同时进行，保证了一块电压表即可完成三路电阻端电压的测量。4)驱动电路是使用PNP三极管构成共射放大电路，主控模块的低电平触发使得三极管工作在饱和状态，集电极输出电压约4.7V且电流高于140mA，满足继电器线包的工作电压与电流。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。此外，尽管本说明书中使用了一些特定的术语，但这些术语仅仅是为了方便说明，并不对本发明构成任何限制。