一種智能小電阻測試儀的設(shè)計

張曉陽，江國棟，朱 靜

(1.南京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 能源與電氣工程學(xué)院，江蘇 南京 210023;2.江蘇金智科技集團，江蘇 南京 211100)

在電路測試過程中常常會碰到由于忽略某些小電阻的影響引起實驗數(shù)據(jù)與理論值之間存在較大誤差的情況，從而影響測試效果。例如電感器、變壓器中往往存在銅電阻，地鐵鐵軌的電阻，揚聲器連接線的電阻，過電流保護電路中的檢測電阻等。由于小電阻數(shù)值較小，使用萬用表無法精確測量;通常實驗室里采用電橋進行測量，但電橋操作復(fù)雜，且不能直接讀出被測電阻阻值。提供一種能夠便捷測量小電阻的產(chǎn)品具有很大意義。

1 小電阻測量方案

小電阻測試儀的發(fā)展趨勢是微型化、精確化和智能化。本文采用的小電阻測量方案如圖1所示，恒流源模塊［1］給待測電阻提供恒定電流，四端接入法模塊輸出的被測電阻壓降和基準壓降分別由儀表放大單元和差分放大單元進行放大后，經(jīng)雙積分AD采樣測得待測電阻阻值?？勺詣踊蚴謩舆x擇合適的測量檔位和×10電路模塊，實現(xiàn)毫歐級電阻的測量。測量結(jié)果通過LCD屏顯示，異常情況時通過蜂鳴器報警。主控板可通過串口與上位機通訊，實現(xiàn)豐富的人機接口界面。

2 硬件設(shè)計

系統(tǒng)電源提供±5V的直流電源。四端法［2］接入電路如圖1所示，恒流源流過參考電阻和待測電阻串聯(lián)電路，該四端接入電路采用直流比例法計算待測電阻的阻值，即:

圖1 小電阻測試儀系統(tǒng)框圖

由于VX(=ISRX)值較小，為了提高測量精確度、抑制共模信號和溫漂，將VX送儀表放大器進行放大，如圖2所示;將Vref送差分放大器，消除了接入端導(dǎo)線的等效電阻。在0～20Ω、0～2Ω、0～200mΩ各檔位時，調(diào)整放大電路參數(shù)，使Vref的設(shè)定輸出值VO2為2V;滿量程時，使VX的設(shè)定輸出值 VO1為2V。電位器RP4的作用是零點偏移調(diào)整。其中儀表放大器的輸出電壓為:

當待測電阻在0～20mΩ時，為提高測量精度，單片機控制圖3中的繼電器J4吸合，接入乘10電路，即

測量結(jié)果除10即為待測電阻的實際阻值。當待測電阻＞20mΩ時，繼電器J4斷開，則VO1=VO3。

圖2 儀表放大器電路

圖3 乘10電路

雙積分模塊［3］采用TC514集成芯片，如圖4所示，包括清零、積分、反積分和輸出復(fù)位四個過程。邏輯控制單元接收單片機的指令，控制驅(qū)動開關(guān)的動作，分別完成模擬信號輸入端的選擇以及雙積分的四個工作階段。積分器輸出波形［4］如圖5所示。

設(shè)正向積分計數(shù)脈沖N1=TINTfcp，反向積分計數(shù)脈沖N2=TDEINTfcp，其中fcp為積分時間計數(shù)單位頻率，則

圖4 雙積分電路

圖5 雙積分輸出波形

分別將待測電阻的輸出Vo3和差分放大的基準輸出Vo2接入雙積分電路的輸入，測得輸出參數(shù)Vi和V'i，則所測電阻的阻值可按式(6)進行求解。

其中R0為當前檔位的滿量程電阻值。由上可知，雙積分的RC參數(shù)不會影響轉(zhuǎn)換精度，定時器的時基精度和基準電壓是影響積分精度的兩個決定因數(shù)。

3 軟件設(shè)計

小電阻測試儀的軟件設(shè)計流程如圖6所示。系統(tǒng)開機自檢后完成初始化操作。在雙積分采樣的基礎(chǔ)上，用直流比例法求出初始檔位的電阻值。如電阻值異常大，則在LCD上顯示“請正確接入待測電阻”，并使用蜂鳴器進行報警。

圖6 小電阻測試儀的軟件流程圖

在電阻不大于阻值最大量程時，根據(jù)測量模式?jīng)Q定后處理方式。處于自動模式時，通過調(diào)整檔位獲得最佳的測量精度，當待測電阻屬于0～20mΩ范圍時，系統(tǒng)自動切換至0～200mΩ檔的同時啟動乘10電路;處于手動模式時，以默認檔位所測值作為測量結(jié)果。

測量結(jié)束，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理后，通過LCD顯示實時信息。根據(jù)按鍵掃描的結(jié)果，跳轉(zhuǎn)至按鍵處理程序。隨后進入下一輪的測量環(huán)節(jié)。

智能小電阻測試儀系統(tǒng)能實現(xiàn)檢測方式的手動與自動切換，檔位選擇、開機自檢、測試校準、接入故障診斷、超限報警等功能，且能實現(xiàn)LCD顯示屏上的實時狀態(tài)更新，測量電阻的阻值范圍從幾毫歐到20歐姆之間。

4 測試結(jié)果與數(shù)據(jù)分析

對幾種典型精密電阻進行測量，并與LCR－817型號的電橋測量結(jié)果進行比較，如表1所示。輸入端短接時測得阻值如表2所示。

表1 電阻測試數(shù)據(jù)

表2 輸入短接使測試數(shù)據(jù)

由表1可以看出，本測試儀的測量誤差均小于±1%，實現(xiàn)了高精度測量。由表2可以對信噪比［5］進行計算:

雙積分AD轉(zhuǎn)換器(TC514)轉(zhuǎn)換噪聲衰減按最小值－20dB來計算，系統(tǒng)的S/N可達101.8149dB，由此說明系統(tǒng)的性噪比［5］很高。

該測試儀的測量精度高，電阻值不受引線長短及接觸電阻的影響。具有測量測量簡便，讀數(shù)直觀，且測量精度、分辨率也高于一般電橋。

5 結(jié)論

本文提出了基于直流比例法的小電阻的測試儀，涉及了高精度恒流源、高性能測量放大器、四端接入法和高精度的雙積分AD轉(zhuǎn)換器，測量方法簡單易行。實驗結(jié)果表明，測試數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，精確度小于百分之一，具有很好的工程推廣前景。

(本項目作品獲第四屆全國高校電子信息實踐創(chuàng)新作品評選一等獎和教學(xué)成果一等獎。)

［1］ 吳文全.小電阻測量方法研究［J］.電測與儀表，2003(11):26-28.

［2］ 劉志存.微小電阻測量方法及關(guān)鍵技術(shù)［J］.物理測試，2005(1):34-36.

［3］ 鄺繼順.嵌入式雙積分模數(shù)轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用研究［J］.儀器儀表學(xué)報，2001(1):25-27.

［4］ 古利.雙積分A/D轉(zhuǎn)換技術(shù)的抗干擾性分析［J/OL］.［2014-1-15］.http://max.book118.com/html/2014/0325/6949757.shtm.

［5］ 劉志存.微小電阻測量方法及關(guān)鍵技術(shù)［J］.物理測試，2005(1):34-36.