抑制微小电阻测量误差的驱动系统及测量方法

本发明属于精密测量领域，具体涉及一种抑制微小电阻测量误差的驱动系统。

背景技术：

1、电阻作为电学的一个基本物理量，是否能够准确测量对科研生产和设备研制有极其重要的作用。电阻的测量间接影响了高端设备的研制工作，很多新技术的落地应用也需要对电阻进行精密测量，例如在温度测量领域，使用最为广泛的温度传感器为铂电阻，主要利用其在不同温度下电阻值不同，且具有稳定性高、高精度以及在中温(-200～650℃)范围内线性度接近直线等优点，因此市场中使用的高精度测温仪大多都是采用高精度测量铂电阻的阻值实现的。

2、近年来，在高精度测量微小电阻方面也取得了一定的成果，但面对精度越来越高的需求，微小电阻的测量依然是一个具有挑战性的课题。测量电阻比较典型的方法是对待测电阻施加一个电流，读取待测电阻两端电压，从而求出阻值。测量微小电阻时，若使用大电流流入微小电阻，可能会使电阻两端电压过大，从而使小电阻表面的氧化层被击穿，使得测量的电阻值小于实际值，也会对待测电阻噪声难以修复的损伤，即使未被击穿，大电流长时间流过电阻，电阻上会出现温度变化，从而使得阻值变化，因此要想精确测量小电阻，需要对待测电阻施加小电流。但小电流流过待测电阻，产生的电压十分微小，若要精确测量需要对各种误差进行抑制，特别当待测电阻阻值小于1ω时，热电势、导线电阻等误差会对测量产生很大的误差干扰，导致测量的结果和实际结果相差甚远，因此需要设计合适的测量驱动系统对误差进行抑制，从而提高测量的精度。

3、传统抑制微小电阻测量误差的驱动系统存在无法滤除低频噪声的问题，因此测量精度难以提高。微小电阻一般指阻值小于1ω的电阻，目前测量微小电阻的驱动系统主要是采用四线制接线和偏置电压补偿法对导线电阻和热电势进行抑制，针对其他误差主要采用滤波电路进行滤除，这种方法在一定程度上提高了测量的精度，但目前最高精度为mω级，难以满足高精度测量的需要。分析其主要原因为滤波电路主要对和信号频率差异较大的噪声可以进行有效滤除，但是对和信号频率相近的误差难以滤除，其中影响最大的误差为低频噪声，低频噪声主要为1/f噪声和温度漂移，因此为提高测量精度，满足设备在0～1ω量程范围内最大不确定度为0.009％的测量精度要求，需要对低频噪声进行抑制，因此需要研究一种抑制微小电阻测量误差的驱动电路以满足高精度测量微小电阻的需求。

技术实现思路

1、本发明目的是为了解决测量微小电阻的驱动系统难以对低频噪声进行抑制，无法达到高精度测量微小电阻的问题，本发明提供了一种抑制微小电阻测量误差的驱动系统及测量方法。

2、抑制微小电阻测量误差的驱动系统，驱动系统用于将待测电阻rx的高、低压端的低频电压信号转化为高频电压信号，并且其驱动系统包括恒流源、瞬态补偿电路、开关管驱动电路、第一电压跟随器、模拟开关k3、jfet开关管k1和k2；

3、恒流源输出为10ma电流；jfet开关管k1和k2异步工作；瞬态补偿电路用于抑制jfet开关管k1的瞬态电压；

4、恒流源通过模拟开关k3与待测电阻rx的高压端连接，待测电阻rx的高压端还与jfet开关管k1的源极和瞬态补偿电路的第一输入输出端连接，jfet开关管k1的漏极与瞬态补偿电路的第二输入输出端、第一电压跟随器的输入端和jfet开关管k2的漏极同时连接，高通滤波器的输出作为驱动系统的输出；第一电压跟随器的输出端与瞬态补偿电路的参考电压输入端和开关管驱动电路的反馈输入端同时连接；

5、开关管驱动电路的第一和第二控制输出端分别与jfet开关管k1和k2的栅极连接；

6、待测电阻rx的低压端与jfet开关管k2的源极连接后，接电源地；jfet开关管k1的漏极和jfet开关管k2的漏极均作为驱动系统的输出端输出高频电压信号。

7、优选的是，开关管驱动电路包括电阻r1至r4和两个栅极驱动器；

8、第一栅极驱动器的驱动信号输出端与电阻r1的一端和电阻r2的一端同时连接，电阻r1的另一端作为开关管驱动电路的第一输出端；

9、第二栅极驱动器的驱动信号输出端与电阻r3的一端和电阻r4的一端同时连接，电阻r4的另一端作为开关管驱动电路的第二输出端；

10、电阻r2的另一端和电阻r3的另一端连接后，作为开关管驱动电路的反馈输入端。

11、优选的是，瞬态补偿电路包括单片机、d/a转换器、电阻r5至r6、以及电容c1至c2；

12、单片机的控制信号输出端与d/a转换器的控制信号输入端连接，d/a转换器的数据输入端作为瞬态补偿电路的参考电压输入端；

13、d/a转换器的数据输出端与电阻r5的一端和电阻r6的一端同时连接；电阻r5的另一端与电容c1的一端连接，电容c1的另一端作为瞬态补偿电路的第一输入输出端；

14、电阻r6的另一端与电容c2的一端连接，电容c2的另一端作为瞬态补偿电路的第二输入输出端。

15、优选的是，所述的抑制微小电阻测量误差的驱动系统，还包括高、低压端高频噪声抑制电路；其中，低压端高频噪声抑制电路串联在待测电阻rx的低压端与jfet开关管k2的源极之间，用于抑制待测电阻rx的低压端的高频噪声；高压端高频噪声抑制电路串联在待测电阻rx的高压端与jfet开关管k1的源极之间，用于抑制待测电阻rx的高压端的高频噪声。

16、优选的是，低压端高频噪声抑制电路包括第一极性转换电路、第一电感互感器和第二电压跟随器；

17、第一极性转换电路用于对输入电压极性取反；

18、第二电压跟随器的输入端与待测电阻rx的低压端和第一电感互感器的副边w4的同名端同时连接，副边w4的异名端与jfet开关管k2的源极连接；

19、第二电压跟随器的输出端与第一极性转换电路的输入端连接，第一极性转换电路的输出端与第一电感互感器的原边w3的同名端连接，原边w3的异名端接电源地。

20、优选的是，高压端高频噪声抑制电路包括第二极性转换电路、第二电感互感器和第三电压跟随器；

21、第二极性转换电路用于对输入电压极性取反；

22、第三电压跟随器的输入端与待测电阻rx的高压端和第二电感互感器的副边w1的同名端同时连接，副边w1的异名端与jfet开关管k1的源极连接；

23、第三电压跟随器的输出端与第二极性转换电路的输入端连接，第二极性转换电路的输出端与第二电感互感器的原边w2的同名端连接，原边w2的异名端接电源地。

24、优选的是，驱动系统绘制在电路板上时，在jfet开关管k1和k2的周围使用地线环进行隔离。

25、优选的是，采用铜材质的屏蔽导线和接线端子将待测电阻rx与jfet开关管k1和k2进行连接。

26、优选的是，所述的抑制微小电阻测量误差的驱动系统还包括放大器和高通滤波器；

27、jfet开关管k1的漏极和jfet开关管k2的漏极均与放大器的输入端连接，放大器的输出端与高通滤波器的输入端连接。

28、采用所述的抑制微小电阻测量误差的驱动系统实现的测量方法，该测量方法为高频双端测量法，具体为：闭合模拟开关k3后，控制jfet开关管k1导通、jfet开关管k2关断，此时jfet开关管k1的漏极输出的电压为待测电阻rx的高压端电压v1；再控制jfet开关管k1关断、jfet开关管k2导通，此时jfet开关管k2的漏极输出的电压为待测电阻rx的低压端v2，计算待测电阻rx两端差分电压v＝v1-v2，根据差分电压v和流经待测电阻rx上的电流i，得到rx＝v/i。

29、本发明的优点：

30、在分析微小电阻测量的误差之后，发现影响测量精度的主要是低频噪声，且由于有用信号为直流信号，因此低频噪声难以滤除；故而本发明提供了一种抑制微小电阻测量误差的驱动系统及测量方法，驱动系统用于将待测电阻高、低压端的低频电压信号转化为高频电压信号，将低频电压信号转化为高频电压信号的过程即将有用信号和低频噪声进行频率分离，故而后续进行高通滤波可以很好的对低频电压信号的低频噪声进行过滤，有效对低频噪声进行抑制，并且当恒流源输出恒定10ma电流时，达到高精度测量微小电阻的需求。

31、由于待测电阻rx输入为微小电阻，恒定10ma电流流过微小电阻产生的电压为微弱信号，因此低频电压信号转化为高频电压信号的切换过程需要保证信号的信噪比，若使用传统的模拟开关对驱动系统进行特殊设计，模拟开关的导通电阻会随着模拟开关的输入电压变化，而且模拟开关的导通电阻平坦度也会对测量产生很大影响，可能导致信号非周期波动，因此本发明采用jfet开关管k1和k2对驱动系统进行特殊设计，有效避免信号非周期波动，进一步为后续精确测量提供准确数据基础。

32、本发明还设计了信号反馈通道，即通过开关管驱动电路作为反馈回路保证jfet开关管k1和k2栅源电压为零，当控制jfet开关管开通时，栅极电压实时的随着输入信号变化，不仅保障了jfet管开通时栅源电压为零，而且在一定程度上阻止了电压的突变，抑制了噪声带来的突变。

33、jfet开关管作为高频开关器件，其开关速度过快，由于其寄生电容的存在，开关瞬态会存在电压的过冲，过冲不仅会增加损害器件的可能性，而且会引入高频噪声，因此，增加瞬态补偿电路，消除jfet开关管k1瞬态的电压过冲，从而抑制开关瞬态产生的干扰。