基于AD630實現(xiàn)蓄電池內(nèi)阻在線測量

2 測量系統(tǒng)的硬件電路設計
依據(jù)上述原理所設計的系統(tǒng)原理框圖如圖2所示，由通路選擇開關電路、前置放大帶通濾波器、AD630乘法器電路、積分器電路、交流恒流信號產(chǎn)生電路、方波轉(zhuǎn)換電路、取樣電路、單片機控制系統(tǒng)以及外部顯示通訊等組成。由于蓄電池的內(nèi)阻很小，故必須降低導線阻抗對電池內(nèi)阻的影響，因此采用四引線連接法。系統(tǒng)輸出的交流恒流信號接到電池兩端，再將電池內(nèi)阻產(chǎn)生的電壓信號，連接到輸入轉(zhuǎn)換開關電路。上電后，首先由單片機控制調(diào)整檢測信號和參考信號的相位差φ使之為0。開始測量后，先由模擬開關CD4052選通電流測量通路，該通路在向蓄電池注入交流信號的回路中設置一標準取樣電阻，以測定交流信號的電流值；再選通電壓測量通路，測定電壓值。采集到的信號通過放大濾波等處理后送入單片機中，利用式(1)算出蓄電池的內(nèi)阻。

2．1 放大濾波電路
由于采集到的信號非常微弱，所以必須先進行前級放大濾波再輸入相關器中。如圖3所示，低噪聲前置放大器由儀用放大器AD620和帶通濾波器組成。

AD620是一種高性能儀器放大器，性能穩(wěn)定，增益可調(diào)，其放大倍數(shù)由1腳和8腳之間的電阻RG決定，G=1+(49．4 kΩ／RG)。信號經(jīng)過其放大后，通過帶通濾波器檢測出0．4～3 kHz的帶通信號，輸送到乘法器信號端。直流放大電路采用高精度運放OP27實現(xiàn)程控增益放大，放大器的反饋電阻利用模擬開關CD4052進行選擇，通過單片機控制選擇放大倍數(shù)，使信號在最佳A／D采集電壓范圍內(nèi)。
2．2 相關運算電路
在設計中相關器采用AD公司生產(chǎn)的AD630，這是一款高精度的平衡調(diào)制器，內(nèi)部電阻均是高穩(wěn)定度的SiCr薄膜電阻，保證了其工作的精確性和穩(wěn)定性。它的信號處理應用包括平衡調(diào)制和解調(diào)、同步檢測、相位檢測、正交檢波、相敏檢測、鎖定放大和方波乘法等。AD630邏輯圖如圖4所示，其內(nèi)部可以被認為是集成了兩個前置放大器，一個用來選通前置放大器的精密比較器，一個作為多路選擇開關以及輸出級積分運算放大器。擁有高切換速度和快速穩(wěn)定的線性放大器，由于比較器的響應時間快速，可使開關失真降至最低。此外，還有極低的通道間串擾。AD630通常用于高精度的信號處理以及動態(tài)范圍寬的儀器設備。在鎖相放大電路中，當其用作同步解調(diào)器時，可以恢復在100 dB噪聲背景下的微弱信號。AD630最優(yōu)的工作頻率是在1 kHz，故注入蓄電池的信號和參考信號選為1 kHz，同時1 kHz也處于適宜的電池內(nèi)阻頻率響應范圍，不過其在零點幾兆赫茲時仍然可正常工作。

采用AD630作為乘法器實現(xiàn)的相關檢測電路原理圖如圖5所示。其中，AMP A和AMP B分別配置為正相放大器和反相放大器。輸入信號為一路待檢測信號和一路參考信號。待檢測信號通過1腳送入，參考信號通過9腳輸入到比較放大器。待檢測信號在器件內(nèi)部根據(jù)載波信號的正負進行翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)了開關乘法功能。

3 實驗結(jié)果與分析
3．1 前置放大與濾波結(jié)果分析
設計中前置放大要求為100倍，根據(jù)AD620中RG計算公式RG=49．4 kΩ／(G-1)計算出RG為499 Ω。在此對電容誤差為±5％，電阻誤差為±1％的放大電路使用Multisim軟件進行仿真，如圖6所示，通道A為輸入信號，通道B為經(jīng)過AD620放大后的輸出信號，若輸入信號有效值為13．621 mV，則輸出為1．366 48 V，可實現(xiàn)精確穩(wěn)定的放大。
3．2 帶通濾波結(jié)果分析
帶通濾波是通過一級低通濾波器和一級高通濾波器實現(xiàn)的。低通濾波器是采用多重反饋型的LPF，如圖3中U2級所示，可解得該濾波器傳遞函數(shù)為：

由于當時通帶截止，所以由可解得截止頻率f=0．37／(2πRC)。按照設計要求選取R=20 kΩ，C=1 nF，仿真得到其頻率特性如圖7所示。