一种高精度宽量程电阻测试仪的研制

2012-04-27青岛职业技术学院宋剑英

电子世界 2012年1期

青岛职业技术学院宋剑英

1.引言

电阻测量仪器中测量电阻常规采用的方法是恒流法和分压法。恒流法是利用恒流源输出恒定的电流流过被测电阻，然后根据被测电阻两端的电压来实现对电阻的测量，测量精度较高，但在测量大电阻时，恒流源内阻上的分流会引起输出电流减小，从而影响测量精度。分压法是将恒压源输出的恒定电压加在被测电阻和串联电阻两端，然后根据被测电阻两端的分压值大小来实现对电阻的测量，在被测电阻为中值电阻和大电阻时，测量精度较高，但在测量小电阻时，恒压源内阻的分压会造成测量误差过大。所以在利用恒压法和恒流法测量电阻时都存在缺陷，特别是在同一电阻测量仪表中，为考虑硬件成本，不可能采用不同的方法来实现对小阻值电阻和大阻值电阻的高精度测量。本文提出了一种基于恒压源串联高精度电阻通过比例运算放大器将电阻转化为电压来实现对电阻的测量方法；利用单片机强大的数据处理和控制功能，能根据被测电阻阻值自动选择精度处理方案、改变显示阻值小数点的电阻测试仪的研制方法。

2.测量原理

2.1 测量原理分析

如图1，利用恒压源输出恒定的电压将被测电阻阻值变化转化为运算放大器输出电压的变化，此电压通过12位高精度A/D转换器TLC2543将电压模拟量转化为数字量，再由单片机进行数据处理、计算、显示，从而实现电阻的测试[1]。

图1

输出电压：

上式中△R为输入部分导线和电源内阻之和，Rx为被测电阻，令K=，由（1）式得出：

12位高精度A/D转换器的输出数字量与U0的关系：

（3）式中Vref1为A/D转换器的参考电源调整为+5V。由（2）式、（3）式得：

2.2 精度校准

在图1电路中，R1、R3、R4、R5阻值稳定且精度高，均取千分之一精密电阻，R1=R4=R5=1KΩ，R3=470Ω，R2为1KΩ精密电位器。

为保证测试精度，仪表设置调试键，在调试键第一次按下时，短接Rx，调整电位器R2和Vref使输出电压U0无限接近于5V，由（4）式可得

单片机记录下D1或U1值；在调试键第二次按下时，外接Rx=1KΩ电阻（为保证精度Rx可用电阻箱实现1KΩ），同样根据（4）式可得

单片机记录下此时D2或U2值。在测试键按下时，单片机对外接任意被测电阻测量，根据（5）、（6）式推出

表1

表2

表3

单片机根据（7）式计算被测电阻的阻值，从（7）式可以看出，被测电阻与D1、D2、D值有关，且与（D1-D)/D和D2/（D1-D2)的乘积有关，根据误差相关理论知识，这种差值比运算可减少电路中单个元件参数、参考电源值对系统测试精度的影响。

2.3 实测数据分析及误差处理

为了保证测量仪表的测量精度，利用电路图1通过电阻箱设定在该范围内的不同电阻作为Rx，同时记录U0的值，用U1、U2、U0代替式（7）中的D1、D2、D，然后计算Rx的测量值，描绘出曲线，用分段处理的方法找出各测试段电阻范围的误差，对测试电阻值加以修正，提高测试精度，这样处理后系统测试精度可达千分之二的精度。

2.3.1 对测量值为0-100Ω的电阻采用分段减去修正量的方法进行处理，具体修正量如表1所示。

2.3.2 对测量值为100-1 KΩ的电阻采用分段减去修正量的方法进行处理，具体修正量如表2所示。

2.3.3 对测量值为1-100 KΩ的电阻采用如下函数处理：

Rx′=（Rx-1)*0.95+1式中Rx′为测量显示值，单位为 KΩ。