在线电阻测量仪的制作与设计.docx

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在线电阻测量仪的制作与设计

在线电阻测量仪的制作与设计

摘要：

设计了一种在单片机控制下的在线电阻测量仪器。

被测电阻本身通过Rx/V转换电路，利用运放的“虚短”、“虚断”特点和电隔离技术，经过双限比较器，转换成模拟电压后通过A/D转换器转换成数字信号，再经软件编程使其变成电阻数据，通过LED动态显示。

同时单片机还可以进行数据采集，自动量程转换和量程显示，具有较高的测试精度。

关键词：

电阻；在线测试；量程转换；单片机

AMeasurementInstrumentofIn-circuitResistance

Abstract:

Thispaperpresentsaninstrumentcontrolledbythesingle-chipAT89C51.Theinstrume

-ntcancarryouttheon-linemeasurementforresistanceandcapacity.Itusestheprincipleofthev

-oltagenegativefeedbackandthemethodoftheisolatedvoltage.Theinstrumentcancollectdata

andimplementA/Dconversion.Itcanalsochangetherangeofmeasurementautomaticallyand

providehighaccuracy.

KeyWords:

resistance;single-chipcomputer;on-linemeasurement;A/Dconversion

引言

在二十一世纪的今天，首先应当肯定的是PCB产业是当今最充满希望的产业，PCB也就是我们现在所熟悉的印刷电路板。

从发明至今，它的历史已经走过了六十年，按现在电子电路大会的说法，PCB这六十年的历史表明“没有PCB，就没有电子线路,飞行、交通、原子能、计算机、通信、电话……这一切都无法实现”，由此看出，PCB对我们的应用来说是非常广泛的。

而一块能够正常投入使用的PCB板往往需要通过大量的调试，测量和维修，因为PCB板上都处都是电阻和电容，比如我们有时候并不能确定一个电阻的阻值是否是我们想要的那个参数，那就需要通过测量来了解其阻值，但是这个电阻现在已经被焊在了PCB板上，测量时电阻不是单独存在的，会并联上很多电阻网络，以避免受到其它串、并联支路的影响，通常我们的做法就是焊开电阻的一个脚，然后再对其进行测量，这样的做法从理论是讲是正确的，但是确显得很麻烦，而且效率低，还极易损伤线路板和元器件。

所以我们现在需要一种更为方便的途径来解决这个难题，希望在不焊开电阻的情况下测量其电阻的阻值。

本课题应用的在线测量技术是一种新颖的电子测量技术，亦称等电位隔离技术。

它能在不破坏电路完整性的前提下，准确测量电子设备印制线路中的电流、电阻、晶体管等参数。

该在线电阻测量电路的基本原理是由集成运放和电阻等简单元气件组成的电阻/电压变换器，且采用的器件数目少，易于集成化。

它不采用以往模拟式的电阻测量仪，而采用单片机的控制进行数据采集，自动转换量程，数据处理和显示等，实现测量过程中的智能化。

此智能在线电阻测量仪具有电路简单、测量精度高、操作简单方便、显示直观等特点，对电路稍加改动，即可完成在线电容和在线电感的测量，又可改装成电容、电感、电阻三用在线测量仪。

该设计在今后的电子应用设计领域中都有非常广泛的应用，为我们今后的测量起了很好的帮助。

1．系统的硬件设计

为了让在线电阻测量仪能够更加精密把被测电阻的阻值显示在数码管上，也考虑到了这个电路的实用与经济性，我们首先设定了制作方案。

把设计分为5个重要部分来完成，分别是Rx/V转换电路，量程转换和显示量程，A/D转换器，单片机控制部分，LED显示部分。

在线电阻测量仪的关键就在于Rx/V转换器，Rx即在线电阻，Rx/V转换器的设计能实现“电隔离”功能、电阻转换成电压等功能。

这部分电路所采用的是反相输入比例运算电路，利用集成运放的“虚短”、“虚断”原理，巧妙的达到“电隔离”的效果。

单片机控制部分将会是这个方案中至关重要的一部分，这个牵涉到量程的自动转换问题，应用单片机可以根据所测电阻自动切换量程，达到操作方便。

在量程的自动转换问题上，我们应用到的是CD4051。

其次就是A/D转换器，它可以将连续的模拟信号转换成二进制数，在这里我采用的是ADC0809。

最后就是电路的显示部分，显示电路采用的是LED数码管（共阳），用来将A/D转换的值进行显示。

图1-1是本系统的系统组成框图。

在本章下面几个小节中将根据这个硬件原理图，对各个模块电路进行详细的设计和分析。

图1-1系统组成框图

1.1系统硬件的总流程图

整个系统的流程为：

Rx输入Rx/V转换器、多路模拟开关U模拟输出（U1模拟信号）A/D转换器

U1数字信号数据处理Rx数字信号显示部分Rx数值

被测电阻Rx经过Rx/V转换器转换成电压U，此电压经过双限比较器（0-5V），得出一个高低电平给单片机（P2.1），P2.1为高电平时，让单片机来控制量程转换。

当转到适当的量程时，即P2.1为低电平时，此时被测电阻Rx转换成电压U1，单片机开启A/D转换，A/D转换器把IN-0口模拟信号U1转换为数字信号，通过P0数据口传输给单片机。

数字电压信号经过软件编程，换算成电阻数据，再通过P1数据口和P3控制口，进行LED动态显示。

具体总电路见附录1

1.2数据转换电路

本设计要求通过单片机显示电路中被测电阻的阻值，必须通过一个转换电路，把电阻转换为电压信号，才能把数据传输给数据采集系统。

数据转换电路分三部分：

Rx/V转换器，量程转换电路，量程显示电路。

1.2.1Rx/V转换电路

在线电阻测量仪的关键技术是Rx/V转换电路，Rx即在线电阻。

无论电路多么复杂，总可以把与Rx相并联的元件等效为两只互相串联的电阻R1和R2，由此构成三角形电阻网络，如图1-2。

此转换器的作用就是对R1，R2进行“电隔离”，消除R1，R2对Rx的影响。

把输入的Rx转换成模拟的U信号，把模拟电压信号输入到A/D转化器，转换成数字信号。

图1-2等效电阻

具体方案如下：

如图1-3，R0为量程电阻，也就是我们要用的CD4051所连接的参考电阻。

从图中我们看出该运放是反相输入比例运算电路，其反馈是电压并联负反馈，由于开环差模增益很高，满足深度负反馈条件，集成运放工作在线性区，因此运放有“虚短”，“虚断”的特点。

由于C点接地，所以D点虚地，则R1两端呈同电位，因此UR1=0，则R1相当于断路。

又根据深度电压负反馈,其输出电阻为0的特性,负载电阻R2对输出电压无影响。

R1和R2就不起分流作用，这样即可直接测量Rx的阻值。

Ｅ为测试电压，Ｉs为测试电流。

设流过Rx，R1的电流分别为Ｉx,Ｉ1。

根据基尔霍夫定律和流入反相输入端的电流为0，可知：

Ｉs＝Ｉx＋Ｉ1（1-1）

又根据“虚地”原理，Ｕcd=Ｉ1R1=0,故Ｉ1≈0,亦可忽略不计，由此得到：

Ｉs＝Ｉx（1-2）

再考虑到Ｃ点接地，Ｄ点虚地，因此：

Ｉs＝Ｅ／R0（1-3）

进而推导出：

Ｕx=ＩxRx=ＩsRx=（E/R0）Rx（1-4）

显然，只要用数字电压表测出Rx两端的压降Ｕx,就能求出Rx值。

这就是在线测量电阻的基本原理

图1-3Rx/V转换电路

从上面电路看出，如果Rx右端不接电阻，而直接接地的话，则输出电压为0，这样就Rx/V转换就不成立了。

由式Ux=-ERx/Ro可看到，Ux与Rx成正比，若Ux∞，则Rx∞，但实际上Ux不可能趋于无穷大，它以运放所加的电压为极限，而现实中Rx却可以趋于无穷大，这就意味着，当待测电阻Rx大到一定程度就不存在一个与之对应的Ux值了。

物理概念与上述完全吻合，当Rx变大，负反馈就变弱，闭环增益就变大，到一定程度运放就达到饱和，此时按线性状态推导出的式子当然就不成立了。

问题是运放什么时候趋与饱和呢？

将Ux饱和值（近似取为运放所加的电源电压）与E、Ro的数值代入式Ux=-ERx/Ro计算。

所得的Rx值即为该运放趋于饱和的待测电阻，它是待测电阻的上限，也就是所谓的“量程”。

显然，电路中选择不同的Ro值就可以有不同的“量程”。

它的精确度体现在集成运放的型号的选择上，因为集成运放的一些技术指标如开环差模增益等都是决定精确度的关键。

所以在选择上即要保持精确度，又要有经济性，所以选择了OP-07运放。

1.2.2Rx/V转换电路与双限比较器的连接

双限比较电路是由两个简单比较器组成，如图1-4所示，它能指示出Ui值是否处于和之间。

如＜Ui＜，双限比较器的输出电压UO等于运放的正饱和输出电压（+Uomax），如果Ui＜或Ui＞，则输出电压U0等于运放的负饱和输出电压（－UOmax）。

图1-4双限比较器

Rx/V转换电路与双限比较器的连接电路如图1-5所示，单片机给定一个量程后，被测电阻Rx经过Rx/V转换器转换成电压U，电压U的范围是0-12V。

Rx小于R0，则电压U为0-5V；如果Rx大于R0，则输出为12V。

后面的双限比较电路采用LM324，当经过OP-07转换出来的电压U在0-5V之间的时候，两个二极管D8，D9截止，输出的电压为了0V；当转换出来的电压大于5V的时候，D9截止，D8导通，输出的电压为5V；当转换出来的电压小于0V的时候，D8截止，D9导通，则输出电压为5V。

图1-5Rx/V与双限比较器连接图

比较器的输出信号要驱动单片机和74LS138的端口，所以应该在输出信号后加上一个电压跟随器，增加带负载能力。

图1-6电压跟随器

同时，电压U也是与ADC0809相连。

ADC0809所接收的信号是0-5V的电压，所以电压U还应该接上一个电压跟随器和稳压管，保证当U为0-5V时，ADC0809收到的信号是原信号，当U大于5V时，ADC0809接收的是5V信号，有效地保护了ADC0809。

1.2.3量程控制电路

由于本设计要求量程自动转换，所以选择了CD4051模拟开关作为选择参考电阻R0，设计这个量程转换的目的是为了能使Rx小于R0。

在总体设计图中我已经指出只有当单片机的P2.1口接受到的是低电平的时候，才开始进行A/D转换；但由于Rx有可能大于R0，所以输出的电压可能会是一个高电平，ADC0809将不进行A/D转换，单片机将开始控制量程转换，这样就能使Rx小于R0。

图1-7为CD4051引脚功能，CD4051相当于一个单刀八掷开关，开关接通哪一通道，由输入的3位地址码ABC来决定。

“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。

此外，CD4051还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰－峰值达15V的交流信号。

图1-7CD4051引脚图

例如，若模拟开关的供电电源VDD=＋5V，VSS=0V，当VEE=－5V时，只要对此模拟开关施加0～5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为－5V～＋5V的模拟信号。

多路模拟开关的导通电阻Ron（一般为数10Ω至1KΩ左右）比机械开关的接触电阻（一般为mΩ量级）大得多，对自动数据采集的信号传输精度或程控增益放大的增益影响较明显，而且Ron通常随电源电压高低、传输信号的幅度等的变化而变化，因而其影响难以进行后期修正。

实践中一般是设法减小Ron来降低其影响。

以CD4051的Ron随电源电压和输入模拟电压的变化而变化。

当VDD=5V、VEE=0V时，Ron≈280Ω，且随Vi的变化突变；当VDD>1