基于LabVIEW的電阻測量系統設計

張明建,馬 暢,江先陽

(武漢大學 物理科學與技術學院 物理國家級實驗教學示范中心, 湖北 武漢 430072)

電阻無論是在實驗室里還是在生活中，都是常見的電子元件，電阻的使用范圍十分廣泛，其測量方法也有多種.例如實驗室里可以用電壓表和電流表通過應用歐姆定律(R=U/I)來測量，也可以通過萬用表進行測量[1].這些方法有若干缺點，包括測量數據無法傳輸，只能通過手寫方法記錄或者手動導入計算機.正是由于這樣的缺點，在生產中如果需要對大批電阻進行連續或者批量測量時，測量、記錄和分析等的工作量將會是繁重的，在記錄和處理過程中也容易出錯.針對類似問題，部分研究人員提出了一些解決方法.如張汝青介紹了基于LabVIEW的四探針法測薄層電阻的系統[2]，這種法使得相應工作大部分都能利用計算機完成，較傳統方法更智能方便.與這一工作類似，基于LabVIEW平臺的工作[3-10]基本都利用了其平臺的優良特性.

針對傳統方法存在的效率不高的缺點，在傳統的電橋法測電阻技術中引入虛擬儀器技術，通過LabVIEW平臺首先在軟件層面建立測量仿真，然后由軟件結合硬件，建立能夠進行批量和連續測量的硬件系統.本文提出的系統提高了可操作性和測量效率，為大規模的測量和處理提供了方便，也可應用到類似的電參量的測量中.

1 系統設計原理和系統結構

電阻的測量方法很多，例如伏安表法、三表法、歐姆表法和電橋法等.這些測量方法應用的原理之間有一定區別.為了充分發揮LabVIEW平臺的作用，選擇基于電橋法原理，通過示波器采集電壓信號來檢測電橋是否平衡，整個系統由LabVIEW平臺進行控制與數據分析，以達到高效率的測量.電阻測量系統結構如圖1所示，其中Rx為測量目標電阻，R1和R2為定值電阻，R3為可變電阻.系統測量過程中，通過調節R3來達到電橋的平衡.

圖1 電阻測量系統結構

1.1 電橋測量原理

電橋測量基本原理如圖2所示.和傳統原理不同，雖然仍然通過圖中a和b兩點的電勢差來判斷電橋是否平衡，但考慮到實際系統中存在噪聲，電勢差為0是不現實的，所以通過采集該電勢差并通過該電勢差處于一定范圍(10 mV以內)即認為電橋平衡.這種考慮是很多物理實驗將原理映射到實際操作需要解決的可行性的關鍵點.

圖2 電橋法測量電阻的原理圖

假設測量系統中在a和b點間的測量儀器內阻很大，則a點電勢Ua及b點電勢Ub近似可以表示為

(1)

(2)

于是a和b點間電勢差為

(3)

化簡式(3)可以得到Rx：

(4)

將(4)式進行設計映射到系統軟件中的數據處理部分，即可以獲得測量目標的電阻.

1.2 電子示波器接口

設計的系統中，電壓是通過數字示波器RIGOL DS1052E采集的.引入該示波器是因為基于LabVIEW的測量系統可以方便控制它并讀取測量數據.該示波器可通過USB或RS232 接口[11]與計算機進行數據通信，相比而言使用RS232接口進行通訊時有諸多不足之處：

1)RS232接口電平值較高，容易損壞接口電路的芯片；

2)RS232接口與TTL電平不兼容，在傳輸數據前需先進行電平轉換再與TTL電路連接；

3)RS232通信接口使用1根信號線和1根信號返回線構成共地傳輸，容易產生共模干擾，抗噪性能差；

4)RS232接口的傳輸速率與USB接口相比較低.

鑒于RS232的不足和USB接口的通用性，系統基于USB接口進行設計.

1.3 LabVIEW平臺

LabVIEW有以下優點:

1)LabVIEW中自身帶有非常豐富的擴展功能庫和子程序庫，通過它可以高效地設計出相關測試系統；

2)LabVIEW支持多種數據采集以及儀器，通過LabVIEW可方便開發相關硬件驅動程序;

3)LabVIEW的編程方式是圖形化編程，編程過程與人類的思維過程相似，編程效率高；

4)LabVIEW系統能夠在絕大多數計算機操作系統上使用，且具有強大的差錯、調試功能，能夠實時的顯示錯誤的準確位置以及錯誤原因；

5)LabVIEW支持TCP/IP以及UDP等常用的網絡協議，能夠方便地與第三方軟件通信；

6)LabVIEW模塊化程序具有良好重用性.

基于LabVIEW設計的程序稱為VI，它默認的擴展名為“.vi”.程序主要包括前面板、連接器窗格和圖表、程序框圖3個部分.前面板是用戶界面，方便用戶進行操控，前面板主要包含輸入控制和輸出顯示2個部分，通過輸入控制將數據輸入到程序中，比如旋鈕、按鈕、開關等都屬于輸入控制；LED、波形圖表或其他的輸出對象則屬于輸出顯示.程序框圖面板用于編寫程序.

1.4 系統測量流程

在電橋連接好后，將示波器的測量探頭連接在電路的a，b兩點對應位置.示波器通過USB與計算機連接，測量通過設計的控制系統在LabVIEW前面板上操作實現.其具體程序框圖代碼如圖3所示.

圖3 提出測量系統的程序框圖面板

在測量的過程中，通過調節R3可變電阻，使示波器的讀數達到量化要求，量化要求可以根據具體情況來定.具體到本次設計中，設定當示波器讀數在±0.01 V之間時，電橋平衡.在電橋被調節平衡后，在程序框圖上將對應的定值和可變電阻、電源電壓等平衡條件數據錄入，隨后確定要測量的命令，在選擇命令輸入處輸入，接著確定接口名稱、測量模式以及測量時間間隔，最后按下開始測量，系統即可直接反饋測量的結果.

2 系統測量與討論

系統測量需要的初始參量例如電源電壓、電阻R1、電阻R2及可變電阻箱的阻值R3通過精密萬用表KEITHLEY 2000 MULTIMETER測量，為8.00 V，R1=199.97 Ω，R2=199.83 Ω.R3的值由于需要跟隨測量條件而進行改變，所以需要在硬件電路平衡調整完成(滿足示波器讀取的Uab值在±0.01 V內)后再測得并反饋到測量系統中.本測量系統用于驗證系統性能的待測電阻基本在200 Ω左右，所以驗證測量過程中，電阻箱的初始阻值調為200 Ω進行測量調節，在平衡后，R3的阻值經過測量為200.90 Ω.

在上述初始參量條件基礎上設計了2種測量模式的控制前面板，也即系統支持2種測量模式.2種測量模式的示波器讀取數據基本是實時的，所以在測量過程中連續讀取電壓值，通過一段時間內讀取到的多次數據，實現對電阻的多次測量.

2.1 電阻的批量測量模式

首先進行的驗證測量是批量測量10個阻值約為200 Ω的1套電阻.因為是連續批量測量10個不同的電阻，所以將測量次數設為1次，然后在連接好測量對象后點擊測量開始獲得測量值，測量結果以圖表形式顯示在測量系統中.測量前面板如圖4所示.因為測量對象是批量生產的電阻，其均值也有一定的參考意義，所以依據測量的阻值，阻值的平均值也自動顯示在測量系統中.提出的系統不僅能導出圖片結果，還能導出測量數據的Excel表格，利于數據的后期處理[12-14].

圖4 批量測量模式測量結果

作為對比，將采用提出的測量系統批量測量的阻值和采用KEITHLEY 2000 MULTIMETER(K2000)測量的相應電阻的阻值對比于表1中，系統測量阻值采用系統提供的導出功能直接導出，更直觀，表1中的數據通過圖形的方式顯示于圖5中.

考慮到K2000經過精密標定，因此設用K2000測得的數據為標準值.經過計算，序號為7的電阻測量誤差最大，為1.93 Ω.最大相對誤差為0.96%.序號為2的電阻測量誤差最小，為0.22 Ω.

表1 系統批量模式與K2000測量對比

圖5 系統批量測量模式與K2000測量對比

考慮到測量的環境、導線電阻、連接電阻等因素[12]，本測量系統的電阻測量精確度仍可以達到1%以上.

2.2 電阻的多次測量模式

系統應用中，對于單一電阻采取多次測量模式進行測量.這一模式下，每隔1 s系統從示波器讀取數據并進行數據處理獲得1個測量目標電阻值，連續測量10次，同樣系統也提供多次測量的電阻的平均值.

作為驗證，對1個待測電阻進行了此模式下的測量，其測量時間間隔可以自主控制，本次驗證中間隔設置為0.5 s，待測電阻為上述電阻序列中的樣本1.測量結果為200.21,200.20,200.22,200.23,200.24,200.23,200.23,200.24,200.23,200.22 Ω，系統也提供多次測量數據的波動，如圖6所示.

圖6 系統多次測量模式樣本1測量波動

LabVIEW平臺在數據處理方面的功能非常強大，提出的系統在本模式下10次測量獲得的電阻平均值為200.23 Ω，與K2000測量10次讀數的平均值201.19 Ω進行比較，定義誤差為ΔR，系統測量值Ri(i=1,…,10)，測量平均值為R平均值，測量次數為n=10,則有：ΔR=0.96 Ω,R標準差=0.01 Ω.

本模式下測量誤差和標準差都較小，顯示提出的測量系統測量精確度高、測量穩定.

3 結束語

將電阻測量與LabVIEW平臺結合，提出了在一定程度上實現自動化測量的電阻測量系統.提出的電阻測量系統支持對電阻的2種模式測量.與傳統的電橋法測量電阻相比，對測量方法做了一定的適應性修改，后期還可以繼續研究，結合LabVIEW的特性進一步改進其適應性.目前系統支持2種電阻測量模式，自動化程度還有待于進一步提升，例如支持任意定制次數的測量，支持動態自動調整初值參量等；對于數據的分析功能還可以進一步改進，例如自動化生成更完備的分析數據報表等.