一種高精度寬量程電阻測試儀的研制

青島職業(yè)技術(shù)學(xué)院 宋劍英

1.引言

電阻測量儀器中測量電阻常規(guī)采用的方法是恒流法和分壓法。恒流法是利用恒流源輸出恒定的電流流過被測電阻，然后根據(jù)被測電阻兩端的電壓來實現(xiàn)對電阻的測量，測量精度較高，但在測量大電阻時，恒流源內(nèi)阻上的分流會引起輸出電流減小，從而影響測量精度。分壓法是將恒壓源輸出的恒定電壓加在被測電阻和串聯(lián)電阻兩端，然后根據(jù)被測電阻兩端的分壓值大小來實現(xiàn)對電阻的測量，在被測電阻為中值電阻和大電阻時，測量精度較高，但在測量小電阻時，恒壓源內(nèi)阻的分壓會造成測量誤差過大。所以在利用恒壓法和恒流法測量電阻時都存在缺陷，特別是在同一電阻測量儀表中，為考慮硬件成本，不可能采用不同的方法來實現(xiàn)對小阻值電阻和大阻值電阻的高精度測量。本文提出了一種基于恒壓源串聯(lián)高精度電阻通過比例運(yùn)算放大器將電阻轉(zhuǎn)化為電壓來實現(xiàn)對電阻的測量方法；利用單片機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和控制功能，能根據(jù)被測電阻阻值自動選擇精度處理方案、改變顯示阻值小數(shù)點的電阻測試儀的研制方法。

2.測量原理

2.1 測量原理分析

如圖1，利用恒壓源輸出恒定的電壓將被測電阻阻值變化轉(zhuǎn)化為運(yùn)算放大器輸出電壓的變化，此電壓通過12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器TLC2543將電壓模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再由單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理、計算、顯示，從而實現(xiàn)電阻的測試[1]。

圖1

輸出電壓：

上式中△R為輸入部分導(dǎo)線和電源內(nèi)阻之和，Rx為被測電阻，令K=，由（1）式得出：

12位高精度A/D轉(zhuǎn)換器的輸出數(shù)字量與U0的關(guān)系：

（3）式中Vref1為A/D轉(zhuǎn)換器的參考電源調(diào)整為+5V。由（2）式、（3）式得：

2.2 精度校準(zhǔn)

在圖1電路中，R1、R3、R4、R5阻值穩(wěn)定且精度高，均取千分之一精密電阻，R1=R4=R5=1KΩ，R3=470Ω，R2為1KΩ精密電位器。

為保證測試精度，儀表設(shè)置調(diào)試鍵，在調(diào)試鍵第一次按下時，短接Rx，調(diào)整電位器R2和Vref使輸出電壓U0無限接近于5V，由（4）式可得

單片機(jī)記錄下D1或U1值；在調(diào)試鍵第二次按下時，外接Rx=1KΩ電阻（為保證精度Rx可用電阻箱實現(xiàn)1KΩ），同樣根據(jù)（4）式可得

單片機(jī)記錄下此時D2或U2值。在測試鍵按下時，單片機(jī)對外接任意被測電阻測量，根據(jù)（5）、（6）式推出

表1

表2

表3

單片機(jī)根據(jù)（7）式計算被測電阻的阻值，從（7）式可以看出，被測電阻與D1、D2、D值有關(guān)，且與（D1-D)/D和D2/（D1-D2)的乘積有關(guān)，根據(jù)誤差相關(guān)理論知識，這種差值比運(yùn)算可減少電路中單個元件參數(shù)、參考電源值對系統(tǒng)測試精度的影響。

2.3 實測數(shù)據(jù)分析及誤差處理

為了保證測量儀表的測量精度，利用電路圖1通過電阻箱設(shè)定在該范圍內(nèi)的不同電阻作為Rx，同時記錄U0的值，用U1、U2、U0代替式（7）中的D1、D2、D，然后計算Rx的測量值，描繪出曲線，用分段處理的方法找出各測試段電阻范圍的誤差，對測試電阻值加以修正，提高測試精度，這樣處理后系統(tǒng)測試精度可達(dá)千分之二的精度。

2.3.1 對測量值為0-100Ω的電阻采用分段減去修正量的方法進(jìn)行處理，具體修正量如表1所示。

2.3.2 對測量值為100-1 KΩ的電阻采用分段減去修正量的方法進(jìn)行處理，具體修正量如表2所示。

2.3.3 對測量值為1-100 KΩ的電阻采用如下函數(shù)處理：

Rx′=（Rx-1)*0.95+1式中Rx′為測量顯示值，單位為 KΩ。

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 A/D轉(zhuǎn)換及CPU電路

采用TI公司的TLC2543實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，TLC2543是一款串行接口模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，能夠節(jié)省單片機(jī)I/O資源，其A/D轉(zhuǎn)換精度為12位。芯片的串行接口有3個輸入管腳，一個3態(tài)輸出管腳。TLC2543有11個通道可以作為外部輸入的模擬電壓通道，管腳定義及管腳連接如表3所示[2]。

CPU采用Atmel公司的AT89S52芯片，內(nèi)部含有8KB的Flash ROM，256B的RAM。

3.2 液晶顯示電路

顯示器采用LCD 1602，具有硬件電路連線簡單、編程方便的特點。將管腳RS、RW、E分別接單片機(jī)的P3.0、P3.1、P3.2，D0-D7管腳接單片機(jī)的P0.1-P0.7[3]。

3.3 按鍵電路

系統(tǒng)設(shè)置調(diào)試鍵和測試鍵，分別接P3.3、P3.4。

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序的主要任務(wù)將按鍵處理、A/D轉(zhuǎn)換、誤差處理、液晶顯示模塊程序組合起來，在測試之前一定要按調(diào)試鍵獲取式（7）中的相關(guān)數(shù)據(jù)D1、D2，然后測試運(yùn)行。在獲取電阻測試值時，一定要根據(jù)被測值大小加以修正量處理；在顯示電阻值時，根據(jù)阻值范圍選擇不同的小數(shù)點位置顯示電阻值Rx。

5.結(jié)束語

本文研制的電阻測試儀精度較高成本低，測量范圍為0-100KΩ，也可以通過電子開關(guān)外接不同的R1、R2+R3的值來實現(xiàn)更大量程電阻的測量。本文通過對不同阻值范圍的電阻采用不同修正量和函數(shù)處理，大大提高了阻值測量精度。

[1]康華光.電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京:高等教育出版社,278-281.

[2]www.ti.com.cn TLC2543芯片介紹.

[3]趙建領(lǐng).51單片機(jī)開發(fā)與應(yīng)用技術(shù)詳解[M].北京:電子工業(yè)出版社,509-520.

[4]夏繼強(qiáng).單片機(jī)應(yīng)用設(shè)計培訓(xùn)教程[M].北京:北京航天航空出版社,57-58.