劉彤，趙巧妮，劉傳

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南株洲，412001；2.東北石油大學(xué)，黑龍江大慶，163319）

0 引言

電阻是電子電路當(dāng)中常用的元件，電阻的制作和使用需要滿足有一定的精度要求，且作文分離元件使用，特定場(chǎng)合使用時(shí)，需要把若干電阻集成封裝在一起，與外部電路結(jié)合，實(shí)現(xiàn)電路集成化，減小電路體積。通常的電阻測(cè)量方法，都是針對(duì)單一電阻進(jìn)行測(cè)量，對(duì)于具有一定連接關(guān)系的電阻進(jìn)行測(cè)量，除了考慮測(cè)量方法外，還要考慮電阻之間的連接對(duì)被測(cè)電阻的影響。電路應(yīng)用中，為了減小部件尺寸，要求PCB電路尺寸減小，往往把電路芯片周圍的電阻封裝成電阻網(wǎng)絡(luò)的形式，其內(nèi)部連接關(guān)系取決于外部電路的設(shè)計(jì)。

電阻按照阻值大小可分為高阻（大于100kΩ ）、中阻（1-100kΩ）、低阻（小于1Ω ）。在測(cè)量這些類別的電阻時(shí)，必須考慮到影響測(cè)量誤差的各個(gè)因素，并選擇合適的測(cè)量方法。本文針對(duì)封裝后的具有固定連接關(guān)系的電阻網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)量其各個(gè)電阻的阻值是否符合精度要求，設(shè)計(jì)一種自動(dòng)測(cè)試儀，完成封裝后各個(gè)電阻的自動(dòng)測(cè)試。

1 待測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

待測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)封裝后是一個(gè)14引腳DIP芯片形式，由11個(gè)電阻構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)，內(nèi)部電路連接形式如圖1所示，封裝電阻網(wǎng)絡(luò)，只有一個(gè)電阻是單獨(dú)引出，其它電阻均沒(méi)有單獨(dú)引出，相互之間都有連接關(guān)系。

圖1 待測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖

電阻網(wǎng)絡(luò)的電阻阻值與外部電路設(shè)計(jì)有關(guān)，電阻標(biāo)稱值如表1所示，精度要求5%?？梢钥闯?，為了滿足電路需要，11個(gè)電阻中阻值最小的680Ω，最大的390kΩ。

表1 待測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)標(biāo)稱阻值表

2 電阻網(wǎng)絡(luò)測(cè)試原理

電阻測(cè)試的主要方法有電橋法和恒流測(cè)壓法，電橋法測(cè)量準(zhǔn)確，精度高，適合單一電阻的測(cè)量，但是電路和操作復(fù)雜。恒流測(cè)壓法測(cè)試原理簡(jiǎn)單，電路設(shè)計(jì)靈活測(cè)量精度取決于電路設(shè)計(jì)的合理性，適合自動(dòng)化測(cè)試。

恒流測(cè)壓法測(cè)量電阻，就是利用歐姆定律的變形公式R=V/I，如圖2所示，I是程控恒流源，V是高阻抗測(cè)試電壓裝置，r是引線和接觸電阻之和。對(duì)待測(cè)電阻Rt施加已知恒流源I，測(cè)量電阻兩端電壓V，當(dāng)Rt＞＞r時(shí)，根據(jù)公式Rt= V/I就可計(jì)算出電阻值[1]。在滿足測(cè)量精度要求下，恒流測(cè)壓法測(cè)量電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、實(shí)用。

圖2 恒流測(cè)壓法測(cè)量電阻原理

3 電路設(shè)計(jì)

待測(cè)電阻構(gòu)成電阻網(wǎng)絡(luò)形式，采用恒流測(cè)壓法測(cè)量對(duì)其電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，滿足不同型號(hào)電阻網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試要求，測(cè)試電路包括電源電路、核心測(cè)控電路、程控恒流源電路、程控切換電路、顯示按鍵電路、存儲(chǔ)電路及待測(cè)電阻等幾個(gè)部分，如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)構(gòu)框圖

核心測(cè)控電路以STM32單片機(jī)小系統(tǒng)為控制核心，控制系統(tǒng)電阻測(cè)試流程，控制恒流源電路產(chǎn)生與待測(cè)電阻檔對(duì)應(yīng)的恒流源，控制程控切換電路，正確接通待測(cè)電阻回路，將待測(cè)電阻兩端電壓通過(guò)自身AD模塊采集，并進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)電阻測(cè)試結(jié)果的判斷和顯示，將電阻的測(cè)試數(shù)據(jù)通過(guò)通訊接口上傳到上位機(jī)顯示和存儲(chǔ)。

3.1 程控恒流源電路

恒流源為電路提供恒定電流，是精確測(cè)量電阻的基礎(chǔ)，由精密穩(wěn)壓源和高阻抗運(yùn)算放大器為主要元件構(gòu)成[2]，工作原理如圖4所示，Vs是精密穩(wěn)壓源，Rx為被測(cè)電阻，R是采樣電阻，電路是一個(gè)負(fù)反饋電路，當(dāng)采樣電阻的電壓變化時(shí)，直接反饋到運(yùn)放的反相輸入端，與同相輸入端電壓的差值被運(yùn)放放大，輸出控制三極管的基極電流，改變?nèi)龢O管的內(nèi)阻，從而改變發(fā)射極與集電極間的電壓降，從而使采樣電阻的電壓保持不變，以達(dá)到負(fù)載電流恒定的目的。

圖4 恒流源電路原理圖

改變采樣電阻R的阻值就可以改變恒流源，通過(guò)程序改變接入電路的阻值，輸出1μA～10mA的電流。

恒流源實(shí)際應(yīng)用電路如圖5所示，R5是負(fù)載電阻，用MOS管替代三極管，減小導(dǎo)通電阻，提高測(cè)量精度，R3和R5構(gòu)成采樣電路，由采樣電阻實(shí)時(shí)反饋負(fù)載電流，當(dāng)負(fù)載電流變大時(shí)，運(yùn)放反相輸入端的電壓比正相輸入端的電壓高，運(yùn)放輸出低電平，使MOS管截止，使負(fù)載電流減?。划?dāng)負(fù)載電流變小時(shí)，運(yùn)放反相輸入端的電壓比正相輸入端的電壓低，運(yùn)放輸出高電平，使MOS管導(dǎo)通，使負(fù)載電流增大。因此，負(fù)載電流經(jīng)過(guò)采樣電阻的實(shí)時(shí)反饋，最終達(dá)成恒定的穩(wěn)定電流。可變電阻R3改變采樣電阻的阻值，可以調(diào)整恒流源的電流。TL431為運(yùn)放正向輸入端，提供穩(wěn)定電壓值。

圖5 恒流源實(shí)際應(yīng)用電路

待測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻阻值差距較大，三角形連接電阻測(cè)量需要單獨(dú)電路處理，恒流源另外設(shè)立，其它待測(cè)電阻需要的恒流源，電路根據(jù)待測(cè)網(wǎng)絡(luò)電阻設(shè)計(jì)四檔恒流源，電阻值R≤1k采用2.5mA恒流源，電阻值1k＜R≤5k采用500μA恒流源，電阻值10k≤R＜100k采用25μA恒流源，電阻值100k≤R采用5μA。

3.2 程控切換電路

程控切換電路采用繼電器矩陣，用于選擇合適恒流源，流過(guò)被測(cè)電阻。對(duì)電阻網(wǎng)絡(luò)中不同連接形式，通過(guò)繼電器切換選擇的不同測(cè)試連接方式，最終目的時(shí)把待測(cè)電阻兩端的電壓正確采集到控制核心電路的A/D模塊，如圖6所示，Is為恒流源輸入端，IN+和IN-為數(shù)據(jù)采集輸入端，SW1～SW15為切換繼電器。例如，當(dāng)需要測(cè)量R1時(shí)，STM32控制器接通對(duì)應(yīng)的恒流源2.5mA，恒流源通過(guò)閉合SW14、SW10、SW1、SW7構(gòu)成回路，電阻R1通過(guò)SW1和SW7接入STM32控制器的數(shù)據(jù)采集輸入端IN+和IN-，讀取電阻R1兩端的電壓值，計(jì)算出電阻測(cè)量值和誤差。

圖6 電阻測(cè)試切換連接電路

3.3 三角形連接電阻的測(cè)量

如果按照網(wǎng)絡(luò)中其它電阻的測(cè)量方法直接接入A/D，恒流源在流過(guò)任何一個(gè)電阻時(shí)，都會(huì)在于其并聯(lián)的電阻上產(chǎn)生分流，比如，恒流源Is通過(guò)閉合SW8、SW14和SW10，流過(guò)電阻R5，同時(shí)恒流源也經(jīng)過(guò)R3和R4并聯(lián)回路產(chǎn)生分流，在R5流過(guò)的就不是恒流源Is。所以，在測(cè)試三角形連接電阻時(shí)，需要考慮相互之間的影響。

三角形連接電阻的測(cè)量采用虛地的方法，引入運(yùn)算放大器，實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量，測(cè)量原理如圖7所示，被測(cè)電阻Rx與Z1、Z2構(gòu)成三角形連接，b點(diǎn)的電位與a點(diǎn)相同，流過(guò)Z1的電流為零，合理選擇恒流源Is，流過(guò)被測(cè)電阻Rx，運(yùn)算放大器輸出端的電壓Vo=-Is＊Rx，所以，Rx=-Vo/Is。

圖7 三角形連接測(cè)量原理圖

電阻網(wǎng)絡(luò)當(dāng)中，被測(cè)電阻R3、R4和R5構(gòu)成三角形連接，如圖8所示，電阻R3、R4和R5每?jī)蓚€(gè)的連接作為三角形的三個(gè)頂點(diǎn)，電阻R3和R4的連接由14腳引出，電阻R4和R5的連接由13腳引出，電阻R3和R5的連接由11腳引出。

圖8 三角形電阻連接形式

三角形連接電阻測(cè)量仿真電路如圖9所示，待測(cè)三角形連接電阻阻值差別較大，采用恒流源需要合理選擇，選擇恒流源的原則是，在被測(cè)電阻兩端產(chǎn)生的電壓在A/D輸入端量程的中間已上，可以避免因?yàn)殡妷禾≡斐傻碾妷焊蓴_，影響測(cè)量精度。圖9(a)是電阻R5的測(cè)量電路，測(cè)量時(shí)引腳14接地，恒流源采用5μA，在電阻R5產(chǎn)生壓降為1.95V，圖9(b)是電阻R4的測(cè)量電路，恒流源采用10μA，在電阻R4兩端產(chǎn)生壓降為1.56V，圖9(c)是電阻R3的測(cè)量電路，恒流源采用40μA，在電阻R3兩端產(chǎn)生壓降為1.88V。

圖9 三角形電阻測(cè)量仿真電路

3.4 通訊電路

測(cè)試系統(tǒng)與上位機(jī)的連接有兩種方式，一種是有線模式，采用RS485電路，另外一種是無(wú)線模式，采用Zigbee通訊模塊，如圖10所示。STM32控制器的串口1實(shí)現(xiàn)RS485電路連接，串口2實(shí)現(xiàn)Zigbee電路連接。兩種模式都能夠?qū)崿F(xiàn)測(cè)試系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)集中管理模塊與測(cè)量終端的連接。RS485電路是成熟電路，是基本的通訊電路保障，需要布線，Zigbee電路則不需要布線，也可以構(gòu)成測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，兩者實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的互補(bǔ)。

圖10 通訊電路

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 測(cè)試流程

系統(tǒng)測(cè)試通過(guò)STM32控制器完成，測(cè)試過(guò)程包括系統(tǒng)初始化，測(cè)試選擇，恒流源選擇，待測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)電阻測(cè)試，數(shù)據(jù)采集及處理，顯示及存儲(chǔ)等環(huán)節(jié)，如圖11所示。首先，系統(tǒng)初始化對(duì)測(cè)試系統(tǒng)上電硬件狀態(tài)檢查，顯示、存儲(chǔ)區(qū)域正常，供電正常，無(wú)短路，初始化完成，然后進(jìn)行測(cè)試選擇，可以選擇要測(cè)試的電阻網(wǎng)絡(luò)，也可以選擇測(cè)試校準(zhǔn)，對(duì)恒流源及電壓進(jìn)行校準(zhǔn)，選擇電阻網(wǎng)絡(luò)后開始自動(dòng)測(cè)試，對(duì)被測(cè)電阻逐個(gè)測(cè)試，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，待測(cè)電阻兩端電壓采集進(jìn)行均值濾波，濾除干擾數(shù)據(jù)，使測(cè)試更準(zhǔn)確，同時(shí)，將測(cè)試數(shù)據(jù)上傳至上位機(jī)進(jìn)行顯示和存儲(chǔ)。

圖11 系統(tǒng)測(cè)試流程圖

4.2 數(shù)據(jù)通訊

測(cè)試系統(tǒng)與上位機(jī)的通訊采用自定義協(xié)議[3]，傳輸電阻網(wǎng)絡(luò)測(cè)試數(shù)據(jù)，兼容有線和無(wú)線兩種模式。數(shù)據(jù)通訊幀結(jié)構(gòu)如表2所示。數(shù)據(jù)通訊的目的是將每個(gè)測(cè)試站點(diǎn)的測(cè)試產(chǎn)品數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)和集中管理模塊，管理模塊依據(jù)數(shù)據(jù)不僅可以對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，還可以定位到測(cè)試產(chǎn)品的具體位置和個(gè)體。通訊幀的總長(zhǎng)度40個(gè)字節(jié)，幀頭和幀尾各1個(gè)字節(jié)，第二個(gè)字節(jié)用ID號(hào)表示測(cè)量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，第三個(gè)字節(jié)表示數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，由被測(cè)電阻的個(gè)數(shù)決定，后面跟被測(cè)電阻的阻值數(shù)據(jù)，字節(jié)個(gè)數(shù)由數(shù)據(jù)長(zhǎng)度字節(jié)決定，如表2所示。

表2 通訊幀結(jié)構(gòu)

表2中測(cè)量數(shù)據(jù)的內(nèi)容，包括被測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品批次、產(chǎn)品編號(hào)、被測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)芯片類型及每個(gè)電阻的測(cè)試數(shù)值，兼容多種電阻網(wǎng)絡(luò)芯片，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品測(cè)試的可逆追蹤，產(chǎn)品批次、編號(hào)和類型各占一個(gè)字節(jié)，測(cè)試數(shù)據(jù)包括該類型網(wǎng)絡(luò)電阻的所有電阻測(cè)試數(shù)值，按照序號(hào)依次排列，每個(gè)電阻測(cè)試數(shù)值占2個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)表示整數(shù)部分，第二個(gè)字節(jié)表示小數(shù)部分，如表3所示。

表3 測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

5 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試數(shù)據(jù)是否滿足精度要求，需要進(jìn)行測(cè)試，被測(cè)試產(chǎn)品屬于非標(biāo)產(chǎn)品，不能用常規(guī)方法進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量。所以，首先對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定，使用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量、校準(zhǔn)，然后再在標(biāo)定的基礎(chǔ)上測(cè)量實(shí)際產(chǎn)品，測(cè)量的實(shí)際產(chǎn)品與標(biāo)稱值做比較，得出測(cè)量誤差。

待測(cè)電阻網(wǎng)絡(luò)采用5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品進(jìn)行標(biāo)定測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示，可以看出，雖然電阻阻值大小不一，但是測(cè)試過(guò)程中，采用不同的恒流源，避免了測(cè)量誤差的累計(jì)，待測(cè)電阻均值誤差最小值0.18%，最大值是2%，基本滿足了測(cè)試要求。將均值誤差作曲線圖進(jìn)一步分析，除了電阻R2誤差在-2%外，其余電阻均值誤差都在-1%～1%區(qū)間波動(dòng)。對(duì)被測(cè)電阻分段修正，可使誤差范圍在-1%～1%內(nèi)，進(jìn)一步滿足測(cè)試準(zhǔn)確度，提高測(cè)試精度。

表4 產(chǎn)品測(cè)試數(shù)據(jù)表

校準(zhǔn)后的測(cè)試系統(tǒng)，就能夠進(jìn)行產(chǎn)品測(cè)試檢驗(yàn)，以驗(yàn)證電路的穩(wěn)定性，提高測(cè)試精度。

6 結(jié)論

本測(cè)試系統(tǒng)能夠測(cè)試多種類型電阻網(wǎng)絡(luò)，并且可以單機(jī)測(cè)試，也可以構(gòu)建測(cè)試網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了測(cè)試數(shù)據(jù)的集中管理。測(cè)試系統(tǒng)解決了三角形連接電阻的測(cè)試，通過(guò)分析測(cè)試數(shù)據(jù)，可以看出，測(cè)試數(shù)據(jù)符合測(cè)試精度要求，滿足了生產(chǎn)和測(cè)試的需要。