基于AD630实现蓄电池内阻在线测量

2 测量系统的硬件电路设计
依据上述原理所设计的系统原理框图如图2所示，由通路选择开关电路、前置放大带通滤波器、AD630乘法器电路、积分器电路、交流恒流信号产生电路、方波转换电路、取样电路、单片机控制系统以及外部显示通讯等组成。由于蓄电池的内阻很小，故必须降低导线阻抗对电池内阻的影响，因此采用四引线连接法。系统输出的交流恒流信号接到电池两端，再将电池内阻产生的电压信号，连接到输入转换开关电路。上电后，首先由单片机控制调整检测信号和参考信号的相位差φ使之为0。开始测量后，先由模拟开关CD4052选通电流测量通路，该通路在向蓄电池注入交流信号的回路中设置一标准取样电阻，以测定交流信号的电流值；再选通电压测量通路，测定电压值。采集到的信号通过放大滤波等处理后送入单片机中，利用式(1)算出蓄电池的内阻。

2．1 放大滤波电路
由于采集到的信号非常微弱，所以必须先进行前级放大滤波再输入相关器中。如图3所示，低噪声前置放大器由仪用放大器AD620和带通滤波器组成。

AD620是一种高性能仪器放大器，性能稳定，增益可调，其放大倍数由1脚和8脚之间的电阻RG决定，G=1+(49．4 kΩ／RG)。信号经过其放大后，通过带通滤波器检测出0．4～3 kHz的带通信号，输送到乘法器信号端。直流放大电路采用高精度运放OP27实现程控增益放大，放大器的反馈电阻利用模拟开关CD4052进行选择，通过单片机控制选择放大倍数，使信号在最佳A／D采集电压范围内。
2．2 相关运算电路
在设计中相关器采用AD公司生产的AD630，这是一款高精度的平衡调制器，内部电阻均是高稳定度的SiCr薄膜电阻，保证了其工作的精确性和稳定性。它的信号处理应用包括平衡调制和解调、同步检测、相位检测、正交检波、相敏检测、锁定放大和方波乘法等。AD630逻辑图如图4所示，其内部可以被认为是集成了两个前置放大器，一个用来选通前置放大器的精密比较器，一个作为多路选择开关以及输出级积分运算放大器。拥有高切换速度和快速稳定的线性放大器，由于比较器的响应时间快速，可使开关失真降至最低。此外，还有极低的通道间串扰。AD630通常用于高精度的信号处理以及动态范围宽的仪器设备。在锁相放大电路中，当其用作同步解调器时，可以恢复在100 dB噪声背景下的微弱信号。AD630最优的工作频率是在1 kHz，故注入蓄电池的信号和参考信号选为1 kHz，同时1 kHz也处于适宜的电池内阻频率响应范围，不过其在零点几兆赫兹时仍然可正常工作。

采用AD630作为乘法器实现的相关检测电路原理图如图5所示。其中，AMP A和AMP B分别配置为正相放大器和反相放大器。输入信号为一路待检测信号和一路参考信号。待检测信号通过1脚送入，参考信号通过9脚输入到比较放大器。待检测信号在器件内部根据载波信号的正负进行翻转，实现了开关乘法功能。

3 实验结果与分析
3．1 前置放大与滤波结果分析
设计中前置放大要求为100倍，根据AD620中RG计算公式RG=49．4 kΩ／(G-1)计算出RG为499 Ω。在此对电容误差为±5％，电阻误差为±1％的放大电路使用Multisim软件进行仿真，如图6所示，通道A为输入信号，通道B为经过AD620放大后的输出信号，若输入信号有效值为13．621 mV，则输出为1．366 48 V，可实现精确稳定的放大。
3．2 带通滤波结果分析
带通滤波是通过一级低通滤波器和一级高通滤波器实现的。低通滤波器是采用多重反馈型的LPF，如图3中U2级所示，可解得该滤波器传递函数为：

由于当时通带截止，所以由可解得截止频率f=0．37／(2πRC)。按照设计要求选取R=20 kΩ，C=1 nF，仿真得到其频率特性如图7所示。