电路实验室仪器设计—基于恒流源的线性刻度欧姆表

崔建国，宁永香

(山西工程技术学院，山西 阳泉 045000)

高校电路实验室最常见的测量仪表不外乎是万用电表，分为机械指针式和数字显示式两种。数字显示式万用电表具有精度高、质量轻的特点，故数字电表的应用越来越广泛，但普通的机械式万用电表具有价格低廉、且能实时显示测量过程的优点，仍然被众多老师或工程师采用。

普通的万用表测量电阻的档位结构十分简单，其测量电阻时只是由一个电流表、一个电池、一个可变电阻、和临时加上去的串联电阻(受测试的电阻)构成。

这种欧姆表在测量时极不方便，因为这些欧姆表的表盘刻度的绘制是“非线性”的，即在低阻档端刻度绘制比较开阔，而在高阻档那一端，绘制的刻度异常狭窄，读起电阻值来非常不便，并且所指示的度数也不是很准确[1]。

1 基于恒流源的线性刻度欧姆表

这种线性欧姆表电路组成的核心是一个运算放大器，该运放将为待测电阻通路提供一个恒定的电流，该恒流源对欧姆表的正向读数线性刻度的绘制奠定了基础。

运算放大器A的输入电压从同相端接入，输出端与反相端之间接有反馈电阻RX,且反相端通过补偿电阻R接地，如图1所示，这是一种典型的电压串联负反馈电路，故可以认为输入电阻无穷大，输出电阻为“0”[2]。

图1 同相比例运算电路

根据理想运放电路“虚短”和“虚断”的概念，理想运放的净输入电压为“0”，即

uP=uN=uI.

净输入电流为“0”，因而iR=iX,即

由上式可知，只要保持补偿电阻R以及输入电压UI的恒定，即可保证iX的恒定，故图1的同相比例运算电路可以实现一个恒流源输出。

所以，实际我们采用图2所示的电路结构，在这一个线路结构里，有一个稳定的基准电压被加在理想运放的同相输入端，而RX则是被测试的电阻。

图2 线性刻度欧姆表基本结构

连接于运放输出端和同相输入端(基准电压端)的是一个普通常用的电压表M。

仔细观察图2结构，参考图1，基于理想运放“虚短”特性，电压表的读数将与受测试的电阻RX的端电压相等，故电压表的读数与RX的阻值成正比，该正比关系对本设计所需要的正向读数线性刻度的绘制同样奠定了重要基础，这种电路结构可以将电阻测量转化为电压测量，不但使欧姆表表盘刻度盘变成线形，而且测量精度也提高很多[3]。

对于待测电阻来说，参考图1的结论，通过RX的电流

UR为稳定的基准电压，R为补偿电阻，基于理想运放“虚断”的特性，故可以得出通过待测电阻RX和补偿电阻R的电流是恒定不变的，不会随RX阻值的变动而变动，所以这里运放相当于一个恒流源，此外还要着重指出一点，电压表上电压的读数就等于待测电阻RX的端电压。

2 基于恒流源的线性刻度欧姆表

本设计完整的电路如图2所示，可以看到，线性刻度欧姆表电路包括基准电压电路、电压表电路、补偿电阻电路、补偿电阻选择开关电路、运算放大器电路、检验开关电路、电源开关电路、电源、及待测电阻电路。

图3 基于恒流源的线性刻度欧姆表

基于理想运放“虚断”的特性，9V电源通过电阻R1、正向二极管D1为理想运放A1的同相输入端提供一个数值约为0.6V的稳定基准电压。

电压表电路不仅仅指电压表M，还包含电位器R7、电阻R8，共3个元件，电压表灵敏度约为6V满度偏转(10倍于基准电压)，灵敏度调节可由电位器R7的调节而改变，以供校准刻度数之用。

补偿电阻电路包括电阻R2～R6五个电阻，由补偿电阻选择开关S1选择100～1MΩ其中的一个，这使本仪表具有以下五个量程：0～1kΩ；0～10kΩ；0～100kΩ；0～10MΩ。

A1是一种高阻型运算放大器，型号为CA3130，它有1500000MΩ之高的输入电阻。

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般差模输入电阻rid>(109～1012)Ω，输入偏置电流IIB为几PA到几十PA。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级，用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大[4]。

双刀双掷开关电路S2的作用是作为检验开关之用，拨动在检验位置，电压表M通过电阻R9直接连接供电电源9V，观察此时电压表的读数，即可基本判断电表能否正常工作。

S2拨动在图示位置，电路即可正常地发挥测量电阻阻值的效能；但当拨动在检验位置时，这款欧姆表便跟主要线路断开，转而通过电阻R9跨接于电源与工作地之间，这使电表M变成一个真正的量程为0～10V的电压表，可用来检查有负荷的电源电压。

作为电源的那个9V电池，如电压低至8V以下，便须更换，S3则是按钮电源开关，使待测试电阻接入线路时，电源才被接上；如果开关S3始终处于连接状态，若没有待测电阻接入时，这个欧姆表电路便会被驱动至满度偏转的范围之外[5]。

本仪表的电流消耗量大约为4 mA，除了1kΩ这个量程之外，其它量程的电流消耗量都大致相同，只有使用1kΩ的量程之时，电流的消耗量达到9 mA左右。这一个量程可由一个PP3电池或其它容量较大的9V电池来供电。

1.3 校准

为了校准本仪表的标度，须有一个容限较为精密的电阻(容限约为1%甚至1%以下)，其限值要等于本仪表一个量程的满度偏转数值，将这个电阻跨接于那两个测试线夹上，把选择开关S1接入适当的量程，并将电位器R7初步调定最大的阻值(顺时针方向关至尽头)，然后按下电源开关按钮S3，再行调节电位器R7，更为精密地求取S1所在档位(或量程)的满度偏转读数。

经过这番校准工作之后，这个线性标刻度欧姆表便可以正式启用。

2 结语

本设计利用同相比例运算电路中如果输入信号固定不变，那么反馈电阻及补偿电阻(反相输入端接地电阻)回路的电流是稳定不变的特性，将待测电阻置于反馈电阻位置，该恒流源可以保证欧姆表表盘的刻度可以呈线性绘制。相比较其它恒流源的设计，该恒流源的获得比较巧妙、恒流源电路设计更加简单。

该设计电路经过仿真电路测试，电路结构合理、参数准确。