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        基于通用模數(shù)變換器的袖珍數(shù)字毫歐計電路設計

        2016-08-09 05:38:49日照職業(yè)技術學院賈仟偉
        電子世界 2016年13期
        關鍵詞:恒流源模數(shù)阻值

        日照職業(yè)技術學院 賈仟偉 吳 健

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        基于通用模數(shù)變換器的袖珍數(shù)字毫歐計電路設計

        日照職業(yè)技術學院 賈仟偉 吳 健

        【摘要】在工作和科研中,經(jīng)常需要測量小阻值電阻。采用以電池、模數(shù)變換器為主體而設計制作的數(shù)字毫歐計可實現(xiàn)高精度測量,并且整機尺寸小巧,便于攜帶。

        【關鍵詞】模數(shù)變換器;數(shù)字毫歐計

        0 引言

        在工作和科研中,經(jīng)常需要測量小阻值電阻。萬用表可以測電阻,但測量10歐姆以下的小阻值時誤差太大或不能勝任。電機、變壓器繞組以及電線、電纜、電路板印刷線等等的電阻值都很小,要測量其阻值實施質(zhì)量和故障判斷,就需要毫歐計。較早的毫歐計是使用凱爾文電橋,4線測量并使用標準電阻,機器大而復雜,使用不便。隨著微電子技術的發(fā)展,出現(xiàn)了以小的恒定電流流過被測電阻,通過測量電阻上的壓降獲知其阻值的儀器。但這些儀器要依靠交流市電工作,形體、重量仍然大,適用范圍仍受限。

        1 電路基本原理

        我們在試驗的基礎上,采用以電池、模數(shù)變換器為主體而設計制作的數(shù)字毫歐計可實現(xiàn)高精度測量,并且整機尺寸小巧,便于攜帶。

        測量基本原理是利用3節(jié)1.5V五號電池構(gòu)成4.5V電源并利用該電源制作一個高精度恒流源。高精度恒流源輸出的恒定電流流過被測電阻。被測電阻兩端的電壓被模數(shù)變換器進行測量并換算成電阻值,通過顯示器顯示。

        2 電路組成

        整機分為5個功能塊,分別是高精度恒流源、使ICL7106獲得適用電壓的鏡像負電壓變換器、開機定時器、模數(shù)變換及顯示系統(tǒng)及輔助功能。各功能塊的具體說明如下:

        2.1高精度恒流源

        本機的高精度恒流源如圖1所示。VR1(型號:TL431)是高精度電壓基準器件,在圖1中它的兩端有2.5V的恒定電壓。由于運算放大器兩輸入端的等值特性,R4兩端的電壓也是2.5V。根據(jù)歐姆定律,在被測電阻RX處于量程范圍內(nèi)時,通過R4和RX的電流為30.12毫安。運算放大器對場效應管TR3的控制不是直接控制,而是通過R10和D1進行,這是為了使TR3柵極電壓有0.3V的提高,使低電壓下工作的恒流源數(shù)值更適應所用電池的能耗。與恒流源電流數(shù)值密切相關的電阻R4需要有高度的穩(wěn)定性,為避免因通過電流生熱而發(fā)生阻值飄移,應由2個以上的功率較大的電阻串聯(lián)或并聯(lián)而成。

        2.2鏡像負電壓變換器

        圖2所示的是一個鏡像負電壓變換器。芯片7660S第3腳接電源零,第8腳接1.5-12V范圍內(nèi)的正電壓,其第5腳輸出的是與第8腳等值的負電壓,在本圖中它輸出-4.5V。輸出端有大約60歐內(nèi)阻。

        正、負4.5V的電壓為模數(shù)變換器提供了標準的電源。

        2.3開機定時器

        開機定時器電路如圖3所示,為避免忘記關機的意外耗電而設。瞬間按動雙聯(lián)式開機開關SW1,電路右側(cè)將有正負4.5V工作電壓并由定時電路維持大約4分鐘;瞬間按動關機開關SW2,則正負4.5V工作電壓會被立刻關斷。電容器C3和電阻R3是時間元件。

        圖1 高精度恒流源

        圖2 鏡像負電壓變換器

        圖3 開機定時器

        2.4模數(shù)變換及顯示系統(tǒng)

        模數(shù)變換器采用低功耗、高分辨率、高可靠性而廉價的ICL7106。它需要9V的電源,但需要的電流很小,僅1.8毫安。用4.5V電源變換出它需要的電壓,就免去了對它的9V電池配備。

        模數(shù)變換器ICL7106與液晶屏EDS803搭配構(gòu)成模數(shù)變換及顯示系統(tǒng),二者之間的筆段連接一一對應。ICL7106具有10微伏的分辨率。如果被測阻值是1毫歐,該阻值上的電壓降將是30.12微伏,遠遠超出了ICL7106的基本分辨率,確保了其測量準確性和抗干擾性。

        儀器需要節(jié)距校準和實時的零點校準,電路如圖4所示。為防止數(shù)字漂移和閃動,兩種校準都需要高度穩(wěn)定的電壓。在這里由R9和VR2構(gòu)成一個2.5V穩(wěn)壓源,由W2利用該電壓進行節(jié)距校準,R15和R17決定上、下限定值;由W3利用該電壓進行零點校準,以消除測量引線造成的偏差。R16使得零點調(diào)節(jié)電位器與測量引線更匹配,便于精準調(diào)零。表筆線用接線柱緊固,表筆測量搭接端宜為銀質(zhì)。

        在測量輸入端并聯(lián)有極性相反的二極管D3、D4,對儀表實施防超壓保護。

        圖4 校準電路

        2.5輔助功能

        輔助功能包括自身電池能量檢測和檔位轉(zhuǎn)換。

        由HA17358的1、2、3腳及相關電路(見圖4)構(gòu)成電壓判斷器。當電池電能基本耗盡時,HA17358的1腳呈高電位,通過4異或門CD4070第11腳使液晶屏顯示“LOWBAT”字樣。

        檔位變換使儀器具有測量0.001-1.999歐(低阻檔)和0.1-199.9歐(高阻檔)兩個檔位,恒流源電流在高阻檔時是低阻檔的百分之一。通過雙聯(lián)開關切換。小數(shù)點的位置隨檔而變。由于液晶屏的顯示筆段不能用直流電壓驅(qū)動,利用ICL7106第21腳的背極交流信號與相關控制信號進行“異或”邏輯處理后驅(qū)動液晶屏的相關筆段。

        3 結(jié)語

        本毫歐計測量分辨率達0.001歐,結(jié)構(gòu)小巧,器件價廉,為毫歐測量增加了手段。所用模數(shù)變換器ICL7106具有廣泛的適用性。就本設計而言,采用鏡像負電壓變換的思路拓展了它的電源適用空間;如果取消其“恒流源”,將“調(diào)零”改為抗干擾和抗靜電,電路稍變,經(jīng)過校驗就會成為能測量到微伏級的高精度電壓表。

        參考文獻

        [1]趙少波.毫歐姆級電阻測量電路設計[J].儀器儀表學報,2001,22(4):136-138.

        作者簡介:

        賈仟偉(1980—),女,山東莒縣人,研究生,講師,主要從事自動化及汽車教學科研工作。

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