便攜式直流低電阻測量儀

鄭 平

（南昌鐵路局 福州機務段，福建福州350014）

在檢修機車電機與電器的過程中，需要測量電機與電器中一些元件的電阻值，這其中有些被測元件的電阻值很小，需要使用專門的低電阻測量儀器。目前在鐵路機務部門得到廣泛應用的低電阻測量儀器是TZ型接觸電阻測量儀，TZ型接觸電阻測量儀在機車檢修過程中使用已有30年，這30年里對提高機車檢修質量起了很好的作用。TZ型接觸電阻測量儀是30年前設計的老產品，在電子技術高速發展的今天來看難免有些不足。為了方便準確的檢測電機與電器中一些被測元件的電阻值，研制了便攜式直流低電阻測量儀（以下簡稱低電阻測量儀）。

1 硬件結構

低電阻測量儀采用伏安法測量電阻，即先測得元件兩端的電壓及流過元件的電流，然后根據歐姆定律R=V／I求出元件的實際電阻值。根據伏安法測量電阻原理設計的低電阻測量儀硬件結構如圖1所示，主要由恒流源電路、電流測量電路、電壓測量電路、單片機最小系統、顯示電路及電源電路等組成。

圖1 硬件結構框圖

1.1 恒流源電路

恒流源電路如圖2左側所示，由一個集成三端可調穩壓器LM317、開關K11及2.5（或250）Ω精密電阻構成。在圖2中輸出電流Iout等于（Iadj+Uref／R），基準電壓Vref為1.25V，由于調整端電流Iadj只有幾十微安，因此可近似認為Iout等于1.25／R。當正輸出端與調節端之間接入2.5Ω（或250Ω）精密電阻后，連接在調節端與負電源端之間的被測元件RL就能流過恒定的500mA（或5mA）電流。

圖2 恒流源與分流器電路

1.2 電流測量電路

電流測量電路是為測量流過被測元件的電流而設置的，電流測量電路由分流器與A／D模數轉換電路組成。分流器在圖2所示的電路中，由開關K12及1.01，100Ω精密電阻構成。A／D模數轉換電路如圖3左側所示，由4位半雙積分式A／D轉換器ICL7135、12位二進制計數器CD4040、可調精密電壓基準LM431及一些電阻電容二極管等構成。A／D轉換標準時鐘信號由89C52單片機ALE引腳輸出的1MHz方波經CD4040分頻后產生，時鐘頻率為125kHz。ICL7135采用LM431作為參考電壓源，參考電壓為0.5V，ICL7135滿量程電壓為1V。恒流源電路輸出的500mA（或5mA）電流經1Ω（或100Ω）精密電阻構成的分流器后變換成0.5V電壓送往A／D轉換電路。

雙積分式A／D轉換器ICL7135是通過采樣階段與比較階段兩次積分將模擬電壓轉換為計數脈沖數，然后將代表輸入模擬電壓大小的脈沖數轉換成BCD碼輸出。當ICL7 1 3 5處在兩次積分階段時，ICL7 1 3 5上的A／D轉換標志BUSY引腳為高電平。測得這個轉換標志BUSY處于高電平的時鐘周期數，將其減去采樣階段固定積分時間（10 000個時鐘周期），可得到代表輸入電壓大小的比較階段積分時鐘周期數，即A／D轉換結果。ICL7135與單片機的接口方式如圖3所示，將ICL7135-BUSY與ICL7135-CLK分別接到89C52單片機INT0與T0。通過對單片機內寄存器的編程，設置T0為16位計數器，當INT0為高電平時，T0對ICL7135時鐘脈沖計數。當INT0從高電平跳變為低電平時，T0停止對ICL7135時鐘脈沖的計數，并立即進入INT0中斷服務程序。中斷服務程序讀出代表A／D轉換結果的T0計數值，這樣輸入模擬電壓就方便地轉換成為數字量。

圖3 A／D模數轉換電路與單片機最小系統

1.3 電壓測量電路

電壓測量電路是為測量被測元件兩端電壓而設置的，電壓測量電路由放大電路與A／D模數轉換電路兩部分組成。放大電路如圖4所示，由斬波穩零式高精度運算放大器ICL7650、開關K2及一些電阻電容等構成。電壓測量電路中的A／D模數轉換電路與電流測量電路中的A／D模數轉換電路相同。

圖4 放大電路

放大電路中的ICL7650除了具有普通運算放大器的特點和應用范圍外，還具有高增益、高共模抑制比、失調小、漂移低和自動調零等特點，所以常常被用在微弱信號的放大電路中。ICL7650接成20或200倍差動放大電路，放大倍數由開關K2確定，配合恒流源電路中開關K1的使用，對應的使低電阻測量儀擁有10，100mΩ，1，10Ω 4個檔位的測量選擇。

1.4 單片機最小系統

單片機最小系統如圖3右側所示，由89C52單片機、時鐘及復位電路等組成。系統時鐘頻率為6MHz，89C52單片機內8K可電擦除存儲器用于存放程序。

1.5 顯示電路

顯示電路如圖5所示，由LED數碼管顯示和顯示選擇與指示兩部分組成。主要由4個0.56英寸紅色共陽極LED數碼管、4個9012三極管、3個9013三極管、按鈕、開關、發光二極管及電阻等一些電子元件構成。

4位數碼管采用動態掃描顯示方式。顯示時將某位被顯示數的段代碼（包括小數點）通過P0輸出到每個數碼管，再由P1口輸出一個顯示位選通信號，使得該位數碼管共陽端為高電平，并保持一段時間。在這一段時間里只有該位數碼管共陽端是高電平，所以只有這個數碼管亮，其余數碼管都不亮。一位顯示結束再顯示下一位，如此不斷循環。由于每秒循環次數較多，人眼不會感覺閃爍。

設置顯示選擇與指示電路的目的是為了讓4位數碼管能顯示不同的內容。低電阻測量儀接通電源后，4位數碼管顯示被測元件電阻值，對應的毫歐發光二極管亮。按一下顯示變換按鈕，4位數碼管改為顯示被測元件兩端的電壓值，對應的毫伏發光二極管點亮。再按一下顯示變換按鈕，4位數碼管改為顯示流過被測元件的電流值，對應的毫安發光二極管點亮。如此循環實現顯示內容的變換。顯示選擇與指示電路中的開關K12、K22是用于變換4位數碼管小數點位置以適應電阻量程的變化，開關K1、K2是兩排兩檔的開關。K1的第1排K11用于恒流源電路、第2排K12用于分流器與小數點位置選擇。K2的第1排K21用于放大倍數選擇、第2排K22用于放大倍數與小數點位置選擇。單片機通過測量P3.0與P3.1引腳的高、低電平（由K12、K22通斷狀態確定）確定各電阻量程小數點的位置。

圖5 顯示電路

1.6 電源電路

低電阻測量儀工作電源采用內置6節1.2V可充電電池，電池可以使用幾個小時，長時間持續使用時可以插入外接直流穩壓器作為工作電源。電池通過降壓二極管為恒流源電路提供電源，通過一個三端穩壓器LM7805與直流電壓變換器ICL7660為電流測量電路、電壓測量電路提供±5V的電源，通過另一個三端穩壓器LM7805為顯示電路、單片機最小系統提供+5V的電源。

2 測量程序簡介

測量程序保存在單片機89C52內8K可電擦除存儲器上。主要有主程序、INT0中斷服務程序、INT1中斷服務程序、計算電阻程序、按鈕與開關掃描程序、顯示程序等。

2.1 主程序

主程序完成系統初始化及顯示測量結果的任務。系統初始化主要包括設置堆棧指針地址，內部RAM清零，設置T0與T1為16位計數器、預置T0與T1的初值（T0與T1初值均為-10 000），設置允許INT0與INT1中斷、INT0與INT1為脈沖下降沿觸發方式，設置開機時4位數碼管顯示電阻值等。系統初始化結束后主程序通過不斷調用計算電阻程序、按鈕與開關掃描程序、顯示程序的方法，計算出電阻值、確定4位數碼管要顯示的內容及小數點位置、將測量結果顯示出來。

2.2 INT0中斷服務程序

如電流測量電路所述，單片機INT0與ICL7135上的A／D轉換標志BUSY相連接，當ICL7135兩次積分階段結束時，INT0引腳由高電平跳變為低電平觸發中斷。INT0中斷服務程序首先將T0計數值送往累存電流測量值的RAM單元、預置T0的初值。接著將記錄電流測量次數的RAM單元加1，如果測量次數不到4次就返回主程序。如果測量次數已到4次就計算出平均值，并送往存放電流平均值的RAM單元供計算電阻程序與顯示程序調用，再將累存電流測量值的RAM單元與記錄測量次數的RAM單元清零后返回主程序。

2.3 INT1中斷服務程序

INT1中斷服務程序與INT0中斷服務程序基本相同，首先將T1計數值送往累存電壓測量值的RAM單元、預置T1的初值。接著將記錄電壓測量次數的RAM單元加1，如果測量次數不到4次就返回主程序。如果測量次數已到4次就計算出平均值，并送往存放電壓平均值的RAM單元供計算電阻程序與顯示程序調用，再將累存電壓測量值的RAM單元與記錄測量次數的RAM單元清零后返回主程序。

2.4 計算電阻程序

計算電阻程序就是將電壓平均值除以電流平均值得到電阻平均值，并送往存放電阻平均值的RAM單元供顯示程序調用。

3 應用

3.1 測量誤差

低電阻測量儀測量誤差主要來自電流測量與電壓測量兩方面。由于低電阻測量儀采用了高精度的運算放大器與4位半雙積分式A／D轉換器，測量誤差還是比較小的。低電阻測量儀自制過程中用NM3000多用表校驗儀對其進行標定，標定結果表明低電阻測量儀電流測量的誤差僅為±（0.2%+2個字），電壓測量的誤差為±（0.3%+3個字）。考慮到機務段使用低電阻測量儀目的是對被測元件做定性的檢查，對測量精度的要求不是很高，因此低電阻測量儀可按1.5級的儀表使用。

3.2 校驗方法

為了方便校驗專門制作了4個阻值分別為5，50 mΩ、0.5，5Ω的標準電阻，分別用于校驗低電阻測量儀10，100mΩ、1，10Ω檔的測量精度。4個標準電阻的誤差為±0.5%，標準電阻應定期用常規方法校驗。用標準電阻校驗低電阻測量儀時，低電阻測量儀顯示的電阻值與標準值的誤差應在±1%的范圍內。

3.3 應用情況

低電阻測量儀2008年制造了兩臺，在福州機務段福州檢修車間電器組與電機組使用，主要用于測量電器觸頭接觸電阻與電機繞組電阻。低電阻測量儀采用4線測量法，使用時先將電壓測量端的一對鱷魚夾夾住靠近被測元件測量點兩邊，然后用電流測量端的一對鱷魚夾夾住被測元件的兩邊，此時低電阻測量儀顯示的數字即為被測元件電阻。

4 結束語

低電阻測量儀是根據機車檢修工作實際需要設計與自制的一種檢測儀器，與同類檢測儀器相比低電阻測量儀有以下幾個特點。

（1）以89C52單片機為核心，采用伏安法測量電阻消除了恒流源不穩定引起的測量誤差，不必經常校驗。

（2）放大電路采用失調小、漂移低、自動調零的斬波穩零式運算放大器ICL7650，A／D模數轉換電路也采用有自動調零功能的ICL7135，因此使用時不需要校零。

（3）體積小，質量輕，便于攜帶（外形164mm×63 mm×140mm，質量0.7kg）。

（4）結構簡單，性能可靠，使用方便。

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