崔建國(guó)，寧永香

(山西工程技術(shù)學(xué)院，山西 陽(yáng)泉 045000)

高校電路實(shí)驗(yàn)室最常見的測(cè)量?jī)x表不外乎是萬(wàn)用電表，分為機(jī)械指針式和數(shù)字顯示式兩種。數(shù)字顯示式萬(wàn)用電表具有精度高、質(zhì)量輕的特點(diǎn)，故數(shù)字電表的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但普通的機(jī)械式萬(wàn)用電表具有價(jià)格低廉、且能實(shí)時(shí)顯示測(cè)量過程的優(yōu)點(diǎn)，仍然被眾多老師或工程師采用。

普通的萬(wàn)用表測(cè)量電阻的檔位結(jié)構(gòu)十分簡(jiǎn)單，其測(cè)量電阻時(shí)只是由一個(gè)電流表、一個(gè)電池、一個(gè)可變電阻、和臨時(shí)加上去的串聯(lián)電阻(受測(cè)試的電阻)構(gòu)成。

這種歐姆表在測(cè)量時(shí)極不方便，因?yàn)檫@些歐姆表的表盤刻度的繪制是“非線性”的，即在低阻檔端刻度繪制比較開闊，而在高阻檔那一端，繪制的刻度異常狹窄，讀起電阻值來(lái)非常不便，并且所指示的度數(shù)也不是很準(zhǔn)確[1]。

1 基于恒流源的線性刻度歐姆表

這種線性歐姆表電路組成的核心是一個(gè)運(yùn)算放大器，該運(yùn)放將為待測(cè)電阻通路提供一個(gè)恒定的電流，該恒流源對(duì)歐姆表的正向讀數(shù)線性刻度的繪制奠定了基礎(chǔ)。

運(yùn)算放大器A的輸入電壓從同相端接入，輸出端與反相端之間接有反饋電阻RX,且反相端通過補(bǔ)償電阻R接地，如圖1所示，這是一種典型的電壓串聯(lián)負(fù)反饋電路，故可以認(rèn)為輸入電阻無(wú)窮大，輸出電阻為“0”[2]。

圖1 同相比例運(yùn)算電路

根據(jù)理想運(yùn)放電路“虛短”和“虛斷”的概念，理想運(yùn)放的凈輸入電壓為“0”，即

uP=uN=uI.

凈輸入電流為“0”，因而iR=iX,即

由上式可知，只要保持補(bǔ)償電阻R以及輸入電壓UI的恒定，即可保證iX的恒定，故圖1的同相比例運(yùn)算電路可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)恒流源輸出。

所以，實(shí)際我們采用圖2所示的電路結(jié)構(gòu)，在這一個(gè)線路結(jié)構(gòu)里，有一個(gè)穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓被加在理想運(yùn)放的同相輸入端，而RX則是被測(cè)試的電阻。

圖2 線性刻度歐姆表基本結(jié)構(gòu)

連接于運(yùn)放輸出端和同相輸入端(基準(zhǔn)電壓端)的是一個(gè)普通常用的電壓表M。

仔細(xì)觀察圖2結(jié)構(gòu)，參考圖1，基于理想運(yùn)放“虛短”特性，電壓表的讀數(shù)將與受測(cè)試的電阻RX的端電壓相等，故電壓表的讀數(shù)與RX的阻值成正比，該正比關(guān)系對(duì)本設(shè)計(jì)所需要的正向讀數(shù)線性刻度的繪制同樣奠定了重要基礎(chǔ)，這種電路結(jié)構(gòu)可以將電阻測(cè)量轉(zhuǎn)化為電壓測(cè)量，不但使歐姆表表盤刻度盤變成線形，而且測(cè)量精度也提高很多[3]。

對(duì)于待測(cè)電阻來(lái)說(shuō)，參考圖1的結(jié)論，通過RX的電流

UR為穩(wěn)定的基準(zhǔn)電壓，R為補(bǔ)償電阻，基于理想運(yùn)放“虛斷”的特性，故可以得出通過待測(cè)電阻RX和補(bǔ)償電阻R的電流是恒定不變的，不會(huì)隨RX阻值的變動(dòng)而變動(dòng)，所以這里運(yùn)放相當(dāng)于一個(gè)恒流源，此外還要著重指出一點(diǎn)，電壓表上電壓的讀數(shù)就等于待測(cè)電阻RX的端電壓。

2 基于恒流源的線性刻度歐姆表

本設(shè)計(jì)完整的電路如圖2所示，可以看到，線性刻度歐姆表電路包括基準(zhǔn)電壓電路、電壓表電路、補(bǔ)償電阻電路、補(bǔ)償電阻選擇開關(guān)電路、運(yùn)算放大器電路、檢驗(yàn)開關(guān)電路、電源開關(guān)電路、電源、及待測(cè)電阻電路。

圖3 基于恒流源的線性刻度歐姆表

基于理想運(yùn)放“虛斷”的特性，9V電源通過電阻R1、正向二極管D1為理想運(yùn)放A1的同相輸入端提供一個(gè)數(shù)值約為0.6V的穩(wěn)定基準(zhǔn)電壓。

電壓表電路不僅僅指電壓表M，還包含電位器R7、電阻R8，共3個(gè)元件，電壓表靈敏度約為6V滿度偏轉(zhuǎn)(10倍于基準(zhǔn)電壓)，靈敏度調(diào)節(jié)可由電位器R7的調(diào)節(jié)而改變，以供校準(zhǔn)刻度數(shù)之用。

補(bǔ)償電阻電路包括電阻R2～R6五個(gè)電阻，由補(bǔ)償電阻選擇開關(guān)S1選擇100～1MΩ其中的一個(gè)，這使本儀表具有以下五個(gè)量程：0～1kΩ；0～10kΩ；0～100kΩ；0～10MΩ。

A1是一種高阻型運(yùn)算放大器，型號(hào)為CA3130，它有1500000MΩ之高的輸入電阻。

這類集成運(yùn)算放大器的特點(diǎn)是差模輸入阻抗非常高，輸入偏置電流非常小，一般差模輸入電阻rid>(109～1012)Ω，輸入偏置電流IIB為幾PA到幾十PA。實(shí)現(xiàn)這些指標(biāo)的主要措施是利用場(chǎng)效應(yīng)管高輸入阻抗的特點(diǎn)，用場(chǎng)效應(yīng)管組成運(yùn)算放大器的差分輸入級(jí)，用FET作輸入級(jí)，不僅輸入阻抗高，輸入偏置電流低，而且具有高速、寬帶和低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，但輸入失調(diào)電壓較大[4]。

雙刀雙擲開關(guān)電路S2的作用是作為檢驗(yàn)開關(guān)之用，撥動(dòng)在檢驗(yàn)位置，電壓表M通過電阻R9直接連接供電電源9V，觀察此時(shí)電壓表的讀數(shù)，即可基本判斷電表能否正常工作。

S2撥動(dòng)在圖示位置，電路即可正常地發(fā)揮測(cè)量電阻阻值的效能；但當(dāng)撥動(dòng)在檢驗(yàn)位置時(shí)，這款歐姆表便跟主要線路斷開，轉(zhuǎn)而通過電阻R9跨接于電源與工作地之間，這使電表M變成一個(gè)真正的量程為0～10V的電壓表，可用來(lái)檢查有負(fù)荷的電源電壓。

作為電源的那個(gè)9V電池，如電壓低至8V以下，便須更換，S3則是按鈕電源開關(guān)，使待測(cè)試電阻接入線路時(shí)，電源才被接上；如果開關(guān)S3始終處于連接狀態(tài)，若沒有待測(cè)電阻接入時(shí)，這個(gè)歐姆表電路便會(huì)被驅(qū)動(dòng)至滿度偏轉(zhuǎn)的范圍之外[5]。

本儀表的電流消耗量大約為4 mA，除了1kΩ這個(gè)量程之外，其它量程的電流消耗量都大致相同，只有使用1kΩ的量程之時(shí)，電流的消耗量達(dá)到9 mA左右。這一個(gè)量程可由一個(gè)PP3電池或其它容量較大的9V電池來(lái)供電。

1.3 校準(zhǔn)

為了校準(zhǔn)本儀表的標(biāo)度，須有一個(gè)容限較為精密的電阻(容限約為1%甚至1%以下)，其限值要等于本儀表一個(gè)量程的滿度偏轉(zhuǎn)數(shù)值，將這個(gè)電阻跨接于那兩個(gè)測(cè)試線夾上，把選擇開關(guān)S1接入適當(dāng)?shù)牧砍?，并將電位器R7初步調(diào)定最大的阻值(順時(shí)針方向關(guān)至盡頭)，然后按下電源開關(guān)按鈕S3，再行調(diào)節(jié)電位器R7，更為精密地求取S1所在檔位(或量程)的滿度偏轉(zhuǎn)讀數(shù)。

經(jīng)過這番校準(zhǔn)工作之后，這個(gè)線性標(biāo)刻度歐姆表便可以正式啟用。

2 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用同相比例運(yùn)算電路中如果輸入信號(hào)固定不變，那么反饋電阻及補(bǔ)償電阻(反相輸入端接地電阻)回路的電流是穩(wěn)定不變的特性，將待測(cè)電阻置于反饋電阻位置，該恒流源可以保證歐姆表表盤的刻度可以呈線性繪制。相比較其它恒流源的設(shè)計(jì)，該恒流源的獲得比較巧妙、恒流源電路設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單。

該設(shè)計(jì)電路經(jīng)過仿真電路測(cè)試，電路結(jié)構(gòu)合理、參數(shù)準(zhǔn)確。