基于fpga-tdc的电阻测量系统及方法
【专利摘要】本发明提出了一种基于FPGA?TDC的电阻测量系统及方法，用于解决现有电阻测量系统及方法中存在测量精度及分辨率低的技术问题，该系统包括：依次连接的参考电压产生模块(1)、电阻?时间转换模块(2)和FPGA?TDC测量模块(3)，及微小电容差测量模块(4)；参考电压产生模块(1)包括由FPGA芯片、DAC芯片和仪用运算放大器芯片组成的参考电压产生电路，电阻?时间转换模块(2)包括两个不同的子模块，FPGA?TDC测量模块(3)搭建在FPGA芯片内部，微小电容差测量模块(4)包括由FPGA芯片和微小电容差测量芯片组成的微小电容差测量电路。本发明具有测量精度高和分辨率高的特点，可用于高分辨率的电阻测量领域。
【专利说明】
基于FPGA-TDC的电阻测量系统及方法
技术领域
[0001]本发明属于电阻测量领域，涉及一种基于FPGA-TDC的电阻测量系统和一种基于 FPGA-TDC的电阻测量方法，可用于高分辨的电阻测量。
【背景技术】
[0002] 电阻作为电学计量的一个基本物理量，在电工测量技术中占有非常重要的地位。 在现代电学测量领域，对电阻的测量是电子工作者的经常性工作。电阻计量领域尤为广泛， 主要的应用领域包括电阻计量、超大功率发射机的接地电阻、飞机机体的电阻测量、金属电 阻率、电力通讯电缆的接触电阻等。
[0003] 传统的测量电阻的方法有万用表测量法、伏安法、等效替代法、电桥法等。万用表 测量法采用两线制测量，被测电阻与测试导线串联，当被测电阻比较小时，测试线电阻以及 接触电阻对测量结果影响较大;伏安法测量电阻时需要测量出电阻两端的电压和流过电阻 的电流，由于电压表分流和电流表分压作用，用伏安法测量电阻会对测量结果产生比较大 的影响;等效替代法的测量精度严格依靠可调的标准电阻，标准电阻的精度不够高，将会对 测量结果产生较大的误差；电桥法测量中值电阻最为精确，但会因检流计灵敏度不够而带 来误差。
[0004] 传统的电阻测量方法存在测量精度和测量分辨率低的问题，在众多科技工作者的 不懈努力下，研发出了测量精度和测量分辨率较高的一些电阻测量方法，大体可以归为以 下三类。第一类:不运用微控制芯片，而采用恒流法和恒压法，如：四线制恒流法、恒压测试 法等，四线制恒流法可以排除测试导线电阻和接触电阻对测量结果的影响，但测量精度取 决于恒流源的稳定性，特别是高阻值测量时所需的测试电流很小，受环境温度变化的影响 很难保持稳定，所以该方法只适合对低阻值和中阻值的电阻进行高精度测量;恒压测试法 在测量小电阻时会产生很大的电流，导致被测电阻自身发热引起阻值变化而降低测量精 度，所以不适合低阻值的测量。第二类是利用集成电路IC搭建电阻测量系统，此方法具有较 高的稳定性和可靠性，且结构简单，但测量精度和分辨率需进一步提升。例：中国专利申请， 申请公布号为CN101788609A，发明名称为"电阻值测量方法及装置、电容值测量方法及装 置"，该发明提供了一种电阻值测量方法及装置，该电阻值测量装置包括:集成电路1C，包括 具有中断检测功能的I/O端口和定时器，用于获取定时器的计时结果，并根据计时结果生成 待测电阻器的电阻值;充放电路，由待测电阻器和电容器串联组成，并且充放电路的一端耦 接IC的I/O端口，另一端接地;其中该IC通过I/O端口和待测电阻器对电容器进行充电，并当 电容器处于充电饱和状态时，控制定时器开始计时，触发电容器执行放电过程，并启动I/O 端口的中断检测功能；该I/O端口，用于在电容器的放电过程中，当检测到电容器的电压值 达到中断触发电压阈值时，发送中断信号至1C，以触发IC控制定时器停止计时。由于在该发 明中，电阻的测量精度依赖于定时器的精度和标准电容的精度，但定时器的定时精度及分 辨率欠佳，加之电容的精度也不够高，因此利用该电阻测量方法测得的电阻的精度和分辨 率还不够高。第三类是基于可编程芯片的电阻测量系统及方法，采用可编程芯片如单片机 搭建的电阻测量系统，增加了系统的程控性和灵活性，在一定程度上提高了电阻的测量精 度。例：2013年赵顺洪在科学咨询（科技?管理)2013年10期中题为"基于80C52的充放电法 测高值电阻"中提出一种用充放电法测量高值电阻阻值的电路。将待测电阻和已知电容连 接成一个充放电回路，用稳定直流电压通过待测电阻对电容充电，将待测电阻值转换成电 容的充电时间，通过测量电容的充电时间来间接测量出待测电阻值。该电阻测量系统和测 量方法中，待测电阻的测量精度依赖于已知电容的精度、直流稳压电源的精度和时间间隔 的测量精度，但对已知电容测量时，可能会产生较大的误差，从而对测量结果带来较大的误 差;加之，直流稳压电源的精度不够高，同样也会影响电阻的测量结果。该测量系统中，时间 间隔产生电路采用门级电路搭建，对门级电路的性能要求较为苛刻，其稳定性不够高，且运 用单片机80C52采用脉冲计数法对时间间隔信号进行测量时，由于单片机的时钟频率较低， 必然会对时间间隔信号的测量结果带来较大的误差，从而对待测电阻的测量结果带来较大 的误差。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于FPGA-TDC的电 阻测量系统及方法，用于解决现有电阻测量系统及方法中存在测量精度及分辨率低的技术 问题。
[0006] 为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：
[0007] 一种基于FPGA-TDC的电阻测量系统，包括依次相连的电阻-时间转换模块2和 FPGA-TDC测量模块3，电阻-时间转换模块2用于将待测电阻值转换成时间间隔信号;FPGA-TDC测量模块3用于测量所述时间间隔信号的大小；电阻-时间转换模块2包括第一电阻-时 间转换模块21和第二电阻-时间转换模块22,用于产生两路时间间隔信号，其中第一电阻-时间转换模块21由依次连接的第一放电电路和双比较器电路组成，第二电阻-时间转换模 块22由依次连接的第二放电电路和双比较器电路组成;在电阻-时间转换模块2的前端连接 有参考电压产生模块1，该参考电压产生模块1包括由FPGA芯片、DAC芯片和仪用运算放大器 芯片组成的参考电压产生电路，用于产生两个参考电压;FPGA-TDC测量模块3搭建在FPGA芯 片内部；电阻测量系统还包括微小电容差测量模块4,该模块包括由FPGA芯片和微小电容差 测量芯片组成的微小电容差测量电路，用于测量两个微小电容的容值差。
[0008] 上述基于FPGA-TDC的电阻测量系统，电阻-时间转换模块2用于通过第一放电电路 和双比较器电路、第二放电电路和双比较器电路，将待测电阻值转换为时间间隔信号，实现 将待测电阻值的测量转换为对时间间隔的测量。
[0009] 上述基于FPGA-TDC的电阻测量系统，DAC芯片采用两个通道并行的结构。
[0010]上述基于FPGA-TDC的电阻测量系统，第一放电电路由RC电路并联第一微小电容& 组成，第二放电电路由RC电路并联第二微小电容C2组成，其中RC电路中的电阻是待测电阻 Rx，电容是参考电容Crrf。
[0011]上述基于FPGA-TDC的电阻测量系统，FPGA-TDC测量模块3具有皮秒量级的分辨率。 [0012]上述基于FPGA-TDC的电阻测量系统，测量两个微小电容的容值差，是指由FPGA芯 片控制微小电容差测量芯片直接测量第一微小电容&和第二微小电容&的容值差(C 2-C1)13
[0013]上述基于FPGA-TDC的电阻测量系统的测量方法，包括如下步骤：
[0014] 步骤I，利用参考电压产生电路，产生高电平参考电压Vh和低电平参考电压Vu
[0015] 步骤2,将高电平参考电压Vh和低电平参考电压^分别输入到第一电阻-时间转换 模块21和第二电阻-时间转换模块22中的双比较器电路中，得到第一时间间隔信号和第二 时间间隔信号；
[0016] 步骤3,利用FPGA-TDC测量模块3分别测量第一时间间隔信号和第二时间间隔信 号，得到第一时间间隔信号的大小At1和第二时间间隔信号的大小At 2;
[0017] 步骤4,利用微小电容差测量模块4,测量第一微小电容C1和第二微小电容(：2的容值 差(C2-C1);
[0018] 步骤5,利用以上测量结果，计算待测电阻的阻值Rx，计算公式为：
[0019]
[0020] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0021] 1.本发明由于FPGA-TDC测量模块搭建在FPGA内部，对第一时间间隔信号和第二时 间间隔信号进行测量时，其测量分辨率可达到ps量级，与现有技术中采用通过单片机80C52 利用脉冲计数法对时间间隔信号进行测量，其测量分辨率仅能达到us量级相比，有效地提 高了待测电阻测量的分辨率。
[0022] 2.本发明由于在计算待测电阻的阻值中，采用的由微小电容差测量模块测量第一 微小电容和第二微小电容的容值差，其分辨率可达fF量级，与现有技术中通过RC测量电路 测量单个电容容值，其分辨率仅能达到 uF量级相比，进一步提高了待测电阻测量的分辨率， 同时提高了测量精度。
[0023] 3.本发明由于电阻-时间转换模块中的双比较器电路所使用的参考电压，采用由 FPGA芯片、DAC芯片和仪用运算放大器芯片组成的参考电压产生电路产生的高电平参考电 压Vh和低电平参考电压Vu与现有技术中采用的由直流稳压电源提供的电压相比，避免了待 测电阻计算过程中因电压因素造成的误差，提高了测量精度。
【附图说明】
[0024] 图1是本发明测量系统的整体结构示意图；
[0025] 图2是本发明测量方法的流程框图；
[0026] 图3是本发明中参考电压产生模块的结构示意图；
[0027] 图4是本发明中第一电阻-时间转换模块和第二电阻-时间转换模块的电路原理 图；
[0028] 图5是本发明中第一时间间隔信号和第二时间间隔信号的示意图。
【具体实施方式】
[0029]下面将结合附图和具体实例，对本发明作进一步详细说明。
[0030]参照图1，本发明基于FPGA-TDC的电阻测量系统，包括依次相连的参考电压产生模 块1、电阻-时间转换模块2和FPGA-TDC测量模块3，及微小电容差测量模块4。其中：
[0031]参考电压产生模块1，包括由FPGA芯片、DAC芯片和仪用运算放大器芯片组成的参 考电压产生电路，用于产生高电平参考电压Vh和低电平参考电压I。本实例中FPGA选用 Spartan6系列中的XC6SLX150CSG484，其价格较便宜，逻辑资源完全能满足要求;DAC芯片选 用AD9783芯片，AD9783是一款双路16位采样率达500MSPS的高性能DAC器件;仪用运算放大 器芯片选用INA2331，INA2331是一款双路低功耗、单电源供电的CMOS仪用放大器。FPGA芯片 后端依次连接AD9783芯片和INA2331芯片，在ISE开发平台上利用VerilogHDL语言编程实现 对AD9783各种工作状态的设置，使其能工作在正确的工作模式之下，并控制AD9783的数据 输入，能让其按要求输出指定电压。AD9783将输入的数据转化成模拟电压信号输出，由于对 电压稳定性及精度的要求，该处DAC输出的两路模拟模拟电压信号采用差分输出的形式。使 用运放INA2331将DAC输出的差分信号转换成单端信号，并将DAC输出的电压范围进一步扩 展到系统所要求的范围。
[0032]电阻-时间转换模块2,包括第一电阻-时间转换模块21和第二电阻-时间转换模块 22,用于产生两路时间间隔信号，其中第一电阻-时间转换模块21由依次连接的第一放电电 路和双比较器电路组成，第二电阻-时间转换模块22由依次连接的第二放电电路和双比较 器电路组成;第一放电电路和第二放电电路的主要区别是与RC电路并联的微小电容的容值 不同，其中，给第一放电电路和第二放电电路采用直流稳压电源供电，其电压值要大于参考 电压产生电路产生的高电平参考电压V H，本实例中采用5V直流稳压电源为其供电。第一电 阻-时间转换模块21和第二电阻-时间转换模块22通过第一放电电路和双比较器电路、第二 放电电路和双比较器电路将待测电阻值转换为时间间隔信号。时间间隔信号的大小可以通 过改变两个微小电容的容值、参考电容C rrf的容值或改变高电平参考电压Vh和低电平参考 电压Vl的值进行调节。
[0033] FPGA-TDC测量模块3，利用FPGA芯片在其内部搭建FPGA-TDC测量模块，运用差分延 迟线法，采用Verilog HDL语言编程实现。将第一时间间隔信号和第二时间间隔信号分别输 入到FPGA-TDC测量模块中，即可得到第一时间间隔信号的大小At 1和第二时间间隔信号的 大小Λ?2。
[0034] 微小电容差测量模块4,该模块包括由FPGA芯片和微小电容差测量芯片组成的微 小电容差测量电路，用于测量两个微小电容的容值差。其中微小电容差测量芯片选用 MS3110，MS3110是一款采用CMOS工艺制造的具有极低噪声和极高测量灵敏度的可编程通用 电容读取芯片，其测量分辨率为19fF。将待测的两个微小电容接入该模块中，通过FPGA芯片 对微小电容差测量芯片MS3110进行SPI配置，使其正常工作，输出相应的测量结果。
[0035] 参照图2，本发明的测量方法通过如下步骤实现：
[0036]步骤1.运用FPGA芯片来设置AD9783的各种工作状态，使其能工作在正确的工作模 式之下，并控制AD9783的数据输入，AD9783将输入的数据转化成差分形式的模拟电压信号 输出，使用运放INA2331将DAC输出的差分信号转换成单端信号，并将DAC输出的电压范围进 一步扩展到系统所要求的范围，最终输出一高电平Vh和一低电平W。
[0037] 步骤2.将高电平参考电压Vh和低电平参考电压I分别输入到第一电阻-时间转换 模块和第二电阻-时间转换模块中的双比较器电路中。闭合开关K1，当第一放电电路中的电 容Cref和Cl充电完毕后，打开开关Kl，第一放电电路输出一放电电压OUTl经后端的双比较器 电路产生第一时间间隔信号。同理，闭合开关K 2,当第二放电电路中的电容Crrf和&充电完毕 后，打开开关κ2,第二放电电路输出一放电电压0UT2经后端的双比较器电路产生第二时间 间隔信号。
[0038] 步骤3.利用FPGA-TDC测量模块3分别测量第一时间间隔信号和第二时间间隔信 号，得到第一时间间隔信号的大小At1和第二时间间隔信号的大小At 2;
[0039] 步骤4.利用微小电容差测量模块测量出第一放电电路和第二放电电路中的第一 微小电容&和第二微小电容C2的容值差(C 2-C1);
[0040] 来聰5免丨田W 是姑里」+曾待测电阻的阻值Rx，计算公式为：
[0041]
[0042] 从上式可以明显看出，与被测电阻相关的参数只有第一微小电容心和第二微小电 容C 2的容值差、第一时间间隔信号和第二时间间隔信号的大小和两个参考电压的比值，电 容差测量芯片的量程为0~IOpF，分辨率为19f F;时间间隔的量程由计数器的位数和参考时 钟的频率决定；电压比由DAC的16bit数据输出来决定，理论上可达65535。通过对参数的灵 活调整，被测电阻的测量范围几乎涵盖了整个电阻阻值带，因此本发明基于FPGA-TDC的电 阻测量方法具有测量量程大的优点。
[0043] 步骤5中所3：
S过如下步骤获得：
[0044] 步骤5a，利用参考电压产生电路，产生高电平参考电压Vh和低电平参考电压Vu
[0045] 步骤5b，将所述高电平参考电压Vh和低电平参考电压Vl输入到第一电阻-时间转换 模块21中的双比较器电路中，得到第一时间间隔信号；
[0046]步骤5c，利用FPGA-TDC测量模块3测量第一时间间隔信号，得到第一时间间隔信号 的大小Ati;
[0047] 步骤5d，由步骤5a和步骤5c的测量结果，计算待测电阻的阻值Rx，计算公式为：
[0048]
[0049] 其中Crrf是参考电容。
[0050]步骤5e，将高电平参考电压Vh和低电平参考电压I输入到第二电阻-时间转换模块 22中的双比较器电路中，得到第二时间间隔信号；
[0051]步骤5f，利用FPGA-TDC测量模块3测量第二时间间隔信号，得到第二时间间隔信号 的大小At2;
[0052] 步骤5g，由步骤5a和5f的测量结果，计算待测电阻的阻值Rx，计算公式为：
[0053]
[0054]步骤5h，利用微小电容差测量模块4,测量第一微小电容C1和第二微小电容&的容 值差(C2-Cl);
[0055]步骤5i，由步骤5d和步骤5g的电阻计算公式②和③，将中间变量Cref消去后，得到 待测电阻的测量结果表达式如式①所示
[0056]参照图3,本发明中参考电压产生模块1，包括由FPGA芯片、DAC芯片和仪用运算放 大器芯片组成的参考电压产生电路，FPGA芯片后端依次连接DAC芯片和仪用运算放大器芯 片。运用FPGA芯片来设置AD9783的各种工作状态，使其能工作在正确的工作模式之下，并控 制AD9783的数据输入，AD9783将输入的数据转化成差分形式的模拟电压信号输出，使用运 放INA2331将DAC输出的差分信号转换成单端信号，并将DAC输出的电压范围进一步扩展到 系统所要求的范围，最终输出一高电平Vh和一低电平W。
[0057]参照图4,图4(a)中第一电阻-时间转换模块21由依次连接的第一放电电路和双比 较器电路组成，第一放电电路由RC电路并联第一微小电容&组成。图4 (b)中第二电阻-时间 转换模块22由依次连接的第二放电电路和双比较器电路组成，第二放电电路由RC电路并联 第二微小电容C 2组成。其中RC电路中的电阻是待测电阻Rx，电容是参考电容Cref。参考电容 Cref虽然与被测电阻无直接关系，但其可以用来调整放电时间，所以它也是影响测量系统的 一个关键因素。
[0058] 参照图5,图5(a)是第一时间间隔信号的示意图。待测电阻Rx通过所在的第一放电 电路，使电容CredPC1产生放电曲线，将放电输出OUTl、高电平参考电压Vh和低电平参考电压 Vl接入双比较器电路后，产生第一时间间隔信号，其大小为At1;图5(b)是第二时间间隔信 号的示意图。待测电阻R x通过所在的第二放电电路，使电容Crrf和C2产生放电曲线，将放电输 出0UT2、高电平参考电压Vh和低电平参考电压Vl接入双比较器电路后，产生第二时间间隔信 号，其大小为At 2。图5表明了可以将待测电阻值转换为时间间隔信号，从而将待测电阻Rx的 测量，转换为对时间间隔信号的测量，FPGA-TDC测量模块3对时间间隔信号的测量具有极高 的测量精度和测量分辨率，从而在很大程度上提高了电阻的测量精度和测量分辨率。
[0059]以上描述仅是本发明的一个具体实例，显然对于本领域的专业人员来说，在了解 了本发明的内容和原理后，都可能在不背离本发明的原理、结构的情况下，进行形式和细节 上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护 范围之内。
【主权项】
1. 一种基于FPGA-TDC的电阻测量系统，包括依次相连的电阻-时间转换模块（2)和 FPGA-TDC测量模块(3)，所述电阻-时间转换模块(2)用于将待测电阻值转换成时间间隔信 号;所述FPGA-TDC测量模块(3)用于测量所述时间间隔信号的大小;其特征在于:所述电阻- 时间转换模块(2)包括第一电阻-时间转换模块(21)和第二电阻-时间转换模块(22)，用于 产生两路时间间隔信号，其中第一电阻-时间转换模块(21)由依次连接的第一放电电路和 双比较器电路组成，第二电阻-时间转换模块(22)由依次连接的第二放电电路和双比较器 电路组成;在所述电阻-时间转换模块(2)的前端连接有参考电压产生模块(1)，该参考电压 产生模块（1)包括由FPGA忍片、DAC忍片和仪用运算放大器忍片组成的参考电压产生电路， 用于产生两个参考电压;所述FPGA-TDC测量模块(3)搭建在FPGA忍片内部;所述电阻测量系 统还包括微小电容差测量模块(4)，该模块包括由FPGA忍片和微小电容差测量忍片组成的 微小电容差测量电路，用于测量两个微小电容的容值差。2. 根据权利要求1所述的基于FPGA-TDC的电阻测量系统，其特征在于，所述电阻-时间 转换模块(2)用于通过第一放电电路和双比较器电路、第二放电电路和双比较器电路，将待 测电阻值转换为时间间隔信号，实现将待测电阻值的测量转换为对时间间隔的测量。3. 根据权利要求1所述的基于FPGA-TDC的电阻测量系统，其特征在于，所述DAC忍片采 用两个通道并行的结构。4. 根据权利要求1所述的基于FPGA-TDC的电阻测量系统，其特征在于，所述第一放电电 路由RC电路并联第一微小电容Cl组成，所述第二放电电路由RC电路并联第二微小电容C2组 成，其中RC电路中的电阻是待测电阻Rx，电容是参考电容Cref。5. 根据权利要求1所述的基于FPGA-TDC的电阻测量系统，其特征在于，所述FPGA-TDC测 量模块(3)具有皮秒量级的分辨率。6. 根据权利要求1所述的基于FPGA-TDC的电阻测量系统，其特征在于，所述测量两个 微小电容的容值差，是指由FPGA忍片控制微小电容差测量忍片直接测量第一微小电容Cl和 第二微小电容C2的容值差(C2-C1)。7. 根据权利要求1所述的基于FPGA-TDC的电阻测量系统的测量方法，包括如下步骤： (1) 利用参考电压产生电路，产生高电平参考电压Vh和低电平参考电压化； (2) 将所述高电平参考电压Vh和低电平参考电压化分别输入到第一电阻-时间转换模块 (21)和第二电阻-时间转换模块(22)中的双比较器电路中，得到第一时间间隔信号和第二 时间间隔信号； (3) 利用FPGA-TDC测量模块(3)分别测量所述第一时间间隔信号和第二时间间隔信号， 得到第一时间间隔信号的大小Ati和第二时间间隔信号的大小At2; (4) 利用微小电容差测量模块(4)，测量第一微小电容Cl和第二微小电容C2的容值差 (C2-C1); (5) 利用W上测量结果，计算待测电阻的阻值Rx，计算公式为：8. 根据权利要求7所述的基于FPGA-TDC的电阻测量系统的测量方法，其特征在于，步骤 (5)中所述的通过如下步骤获得： 巧a)利用参考电压产生电路，产生高电平参考电压Vh和低电平参考电压化； (5b)将所述高电平参考电压Vh和低电平参考电压Vl输入到第一电阻-时间转换模块 (21) 中的双比较器电路中，得到第一时间间隔信号； (5c)利用FPGA-TDC测量模块(3)现慢所述第一时间间隔信号，得到第一时间间隔信号 的大小Ati; (5c〇由步骤(5a)和步骤(5c)的测量结果，计算待测电阻的阻值Rx，计算公式为：其中Cref是参考电容； (5e)将所述高电平参考电压Vh和低电平参考电压Vl输入到第二电阻-时间转换模块 (22) 中的双比较器电路中，得到第二时间间隔信号； (5f)利用FPGA-TDC测量模块(3)现慢所述第二时间间隔信号，得到第二时间间隔信号 的大小At2; (5g化步骤(5a)和步骤(5f)的测量结果，计算待测电阻的阻值Rx，计算公式为：(5h)利用微小电容差测量模块(4)，测量第一微小电容Cl和第二微小电容C2的容值差 (C2-C1); (5i)由步骤(5d)和步骤(5g)的电阻计算公式②和③，将中间变量Cref消去后，得到待测 电阻的计算公式为：
【文档编号】G01R27/02GK105842539SQ201610164019
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】张敏, 王海, 胡丰, 刘岩, 赵伟, 秦红波
【申请人】西安电子科技大学