低電阻測(cè)量?jī)x的總體方案設(shè)計(jì)
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以最新的DZC-4型智能低電阻測(cè)量?jī)x為例
1 總體方案和技術(shù)指標(biāo)
如圖1所示，該儀器由5個(gè)部分組成：電源供應(yīng)、精密恒流源、精密電壓放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機(jī)控制器。其主要技術(shù)指標(biāo)如下：測(cè)試范圍：0～20Ω0～200Ω0～2 k(三擋量程自動(dòng)切換);最高分辨力：0.001;測(cè)試電流：0.5 mA;測(cè)試精度：±(0.2%+2);整機(jī)耗電：<30 mA 。
2 硬件設(shè)計(jì)
(1)電源部分
整機(jī)采用6節(jié)5號(hào)鎳氫電池供電(7.2 V)及通用DC/DC變換器，將電池電壓轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的±5 V直流電壓。該部分還有電池電壓監(jiān)測(cè)電路和充電電路，電池充滿電 可以供儀器連續(xù)使用約50小時(shí)。
(2)恒流源
由精密基準(zhǔn)電壓源和高性能運(yùn)放組成，向被測(cè)電阻提供精確的測(cè)試電流。測(cè)試電流選為0.5mA。由于精密電流源部分是整個(gè)儀器安全性能的薄弱環(huán)節(jié)，必須考慮各種內(nèi)部和外部的可能因 素對(duì)儀器造成的損壞，從而影響安全性能。主要采取了以下措施：限制電流利用結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的恒流特性限制測(cè)試電流ITEST大小，一般取IDSS≈2*ITEST。為增加可靠性，采用兩只場(chǎng)效應(yīng)管串聯(lián)。限制電壓采用穩(wěn)壓二極管并聯(lián)于測(cè)試端限壓。
(3)精密放大器
由斬波穩(wěn)零運(yùn)放做測(cè)試信號(hào)的同相放大，因?yàn)锳/D轉(zhuǎn)換器的滿量程電壓為2 V，測(cè)試電流0.5mA，對(duì)應(yīng)20，200，2K 三個(gè)量 程的同相放大倍數(shù)為200，20，2。在負(fù)反饋回路接入兩個(gè)由單片機(jī)控制的模擬電子開(kāi)關(guān)SW1 、SW2，用于3個(gè)量程不同放大倍數(shù) 的切換：當(dāng)量程為20 偈?，SW1，SW2均關(guān)閉;為200 偈盨W1開(kāi)啟;2k 偈盨W1，SW2均開(kāi)啟。儀器校驗(yàn)時(shí)應(yīng)從低量程開(kāi)始，否則不能校準(zhǔn)所有的量程。另外，Ri，R1，R2， R3應(yīng)選用精密電 阻和精密電位器，使溫度的影響降至最低。
(4)A/D轉(zhuǎn)換器
如圖2所示，采用4 1/2位的ICL7135芯片，接成滿量程為2 V的電壓表 的模式。ICL7135用5位BCD碼的形式向單片機(jī)提供數(shù)據(jù)，并提供過(guò)量程(OV)和欠量程(UN)信號(hào)給單片機(jī)用于量程自動(dòng)切換。ICL7135的時(shí)鐘頻率來(lái)自T5(CD4060)的Q5端，頻率為1.25 kHz，正好是工頻50Hz的整數(shù)倍，能提高儀器抗工頻干擾的能力。A/D轉(zhuǎn)換頻率約為：3.3次/s。T5的COUT端還提供4MHz的時(shí)鐘頻率給單片機(jī)。
(5)單片機(jī)控制器
此部分的功能有：數(shù)據(jù)采集、處理、顯示、量程切換、電壓監(jiān)控等。本機(jī)顯示模塊有兩片74LS164分別用于LED數(shù)碼管的位驅(qū)動(dòng)和段驅(qū)動(dòng)，共有5位數(shù)碼顯示，如圖2所示。
單片機(jī)T2的25腳用于關(guān)閉顯示模塊的顯示，以免數(shù)碼管在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中顯示亂碼。T2的 24腳是電池欠壓檢測(cè)輸入，T2的23、22腳控制精密放大器的模擬電子開(kāi)關(guān)，產(chǎn)生需要的放大倍數(shù)。
3 軟件設(shè)計(jì)
本儀器最大特點(diǎn)是用軟件實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)零和量程轉(zhuǎn)換，省去故障率較高的電位器和量程切換 開(kāi)關(guān)。軟件調(diào)零的方法是：開(kāi)機(jī)后單片機(jī)進(jìn)行自檢，如果系統(tǒng)工作正常就讀取A/D轉(zhuǎn)換的結(jié)果。當(dāng)連續(xù)讀取5個(gè)A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果后，判斷它們是否都小于0.2Ω,否則，就認(rèn)為操作者沒(méi)有 將測(cè)試棒可靠短路，儀器繼續(xù)顯示調(diào)零提示符。如果連續(xù)5個(gè)值都小于0.2Ω,這時(shí)就找出其中最小值作為初始值，以后每次的測(cè)量結(jié)果都要減去初始值。?
根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135的過(guò)量程和欠量程信號(hào)，由單片機(jī)自動(dòng)進(jìn)行量程切換。量程切換 要 完成3項(xiàng)工作：首先是切換精密放大器的放大倍率，再是調(diào)整初值的有效位數(shù)，最后是調(diào)整 小數(shù)點(diǎn)的位置。PIC16C57單片機(jī)沒(méi)有中斷功能，采用查詢的方法與A/D轉(zhuǎn)換器通訊，利用A/D轉(zhuǎn)換的間隙顯示數(shù)據(jù)。PIC單片機(jī)與顯示模塊中的74LS164采用串行數(shù)據(jù)通訊，每次只顯示1位數(shù)據(jù)，為防止顯示 發(fā)生閃爍，刷新率應(yīng)大于30Hz 。程序流程如圖3所示。
4 結(jié)語(yǔ)
儀器與被測(cè)電阻采用4線制接線法，能消除接插件電阻的影響。此外，由于儀器分辨力很 高，所以要求測(cè)試夾具進(jìn)行鍍銀處理，這一點(diǎn)很重要，否則會(huì)造成測(cè)試結(jié)果漂移不定。? 儀器批量生產(chǎn)的測(cè)試結(jié)果表明：儀器的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠滿足生產(chǎn)、科研的需 要。如果儀器稍加改進(jìn)，可以當(dāng)作高靈敏的直流電壓表和電流表使用。
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