CN101887092A - 宽温度宽量程高精度低成本的电阻测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种宽温度宽量程高精度低成本的电阻测量方法，它包括信号采集模块以及测量处理模块。信号采集模块在测量处理模块送出的开关控制信号控制下分别采样被测电阻Rx两端的正向电压、反向电压、标准电阻Rs两端的正向电压、反向电压并送测量处理模块进行处理；测量处理模块对信号采集模块送入的四个采集电压信号进行测量并完成被测电阻值的计算。本发明改进了测量方法，可以实现高精度低成本的电阻测量。
Description
技术领域
本发明涉及一种电阻的测量方法，尤其是一种测试环境温度变化范围较大、被测电阻值范围较宽的条件下进行高精度低成本的电阻测量方法。
背景技术
目前电阻的测量方法主要有万用表测量法、四线制恒流法、恒压测试法以及大脉冲电流测量法等。万用表测量法采用两线制测量，被测电阻与测试导线串联，当被测电阻比较小时测量线电阻以及接触电阻就不能被忽略；四线制恒流法可以排除测试导线电阻和接触电阻对测量结果的影响，但测量精度取决于恒流源的稳定性，特别是高阻值测量时所需的测试电流很小，受环境温度变化的影响很难保持稳定，所以该方法只适合对低阻值和中阻值的高精度测量；恒压测试法在测量小电阻时会产生很大的电流，导致被测电阻自身发热引起阻值变化而降低测量精度，所以不适合低阻值的测量；大脉冲电流测量法可以控制流过被测电阻的平均电流，降低被测电阻自身发热而引起的问题，但由于流过被测器件的电流是一脉动电流，这种方法只适合于纯电阻的测量，不适合对感性器件的测试；除此之外，电阻一般采用施加直流信号的方式进行测量，而直流通路中不可避免地存在失调，并且该失调对环境温度相当敏感，为了提高测量精度只能使用价格昂贵的器件或者采用复杂的温度补偿措施。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种宽温度宽量程高精度低成本的电阻测量方法。
本发明所采用的技术方案为：一种宽温度宽量程高精度低成本的电阻测量方法，包括信号采集模块以及测量处理模块，所述的信号采集模块包括测试电压源Es、限流电阻Ro、四线测量端、运放、电流驱动、标准电阻Rs、切换开关以及被测电阻Rx；测量处理模块包括信号调理、AD转换、键盘与显示以及主控单元，信号采集模块在测量处理模块送出的开关控制信号控制下分别采样被测电阻Rx两端的正向电压、反向电压、标准电阻Rs两端的正向电压、反向电压并送测量处理模块进行处理；测量处理模块对信号采集模块送入的四个采集电压信号进行测量并完成被测电阻值的计算。
进一步具体的说，本发明所述的信号采集模块中测试电压源Es与限流电阻Ro串联后连接到四线测量端的HD端子，四线测量端的LD端同时连接到运放的“-”端和标准电阻Rs的一端，标准电阻Rs的另一端和运放的输出端之间连接一个电流驱动器，运放的“+”端与地相连，被测电阻Rx跨接在四线测量端高端HD、HS和低端LS、LD之间，四线测量端HS、LS的两端以及标准电阻Rs的两端分别连接到切换开关的Vx1、Vx2、Vs1、Vs2四个输入端，切换开关的开关控制信号端与测量处理模块中的主控单元相连，切换开关输出的电压信号U1与测量处理模块中的信号调理部分相连。
更进一步的说，本发明提出的电阻测量方法是通过以下5个步骤完成一次测量：
(1)主控单元发出开关控制信号使切换开关选择Vx1和Vx2两端之间的正向电压信号U1，将其送入到信号调理部分处理，并通过AD转换得到测量结果Ud1；
(2)主控单元发出开关控制信号使切换开关选择Vx2和Vx1两端之间的反向电压信号U1，将其送入到信号调理部分处理，并通过AD转换得到测量结果Ud2；
(3)主控单元发出开关控制信号使切换开关选择Vs1和Vs2两端之间的正向电压信号U1，将其送入到信号调理部分处理，并通过AD转换得到测量结果Ud3；
(4)主控单元发出开关控制信号使切换开关选择Vs2和Vs1两端之间的反向电压信号U1，将其送入到信号调理部分处理，并通过AD转换得到测量结果Ud4；
(5)主控单元利用公式Rx＝(Ud1-Ud2)/(Ud3-Ud4)×Rs计算被测电阻。
本发明的有益效果是：1、被测器件的电压信号与电流信号轮流采样，降低了对测试电压源的要求，提高了测量结果的稳定性；2、采用信号正、反向同时测量，可有效消除因环境温度变化而导致测量电路参数变化而对测量结果产生的影响；3、可以用较小的测试电流来测量电阻，降低被测电阻自身发热问题，提高测量精度；4、可以采用低成本器件实现高精度测量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的结构示意方框图；
图2是本发明的信号采集模块工作原理图；
图3是本发明的测量处理模块原理示意图；
图中：1、信号采集模块；2、测量处理模块。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示的一种宽温度宽量程高精度低成本的电阻测量方法的架构，包括信号采集模块以及测量处理模块。其中信号采集模块在测量处理模块送出的开关控制信号控制下分别采样被测电阻Rx两端的正向电压、反向电压、标准电阻Rs两端的正向电压、反向电压并送测量处理模块进行处理；测量处理模块对信号采集模块送入的四个采集电压信号进行测量并完成被测电阻值的计算。
本发明所述的信号采集模块工作原理图如图2所示：
信号采集模块1包含测试电压源Es、限流电阻Ro、四线测量端、运放、电流驱动器、标准电阻Rs、切换开关以及被测电阻Rx，被测电阻Rx跨接在四线测量端高端(HD、HS)和低端(LS、LD)之间。测试电压源Es与限流电阻Ro、被测电阻Rx串联后连接到运放的“-”并形成测试电流Ix，根据运放具有虚短的特性，该测试电流Ix≈Es/(Ro+Rx)；又根据运放具有虚断的特性，流过标准电阻Rs的电流Is≈Ix；由此得到以下四个公式：
被测电阻两端正向电压+Ux＝Vx1-Vx2＝Ix×Rx (1)
被测电阻两端正向电压-Ux＝Vx2-Vx1＝-Ix×Rx (2)
被测电阻两端正向电压+Us＝Vs1-Vs2≈Ix×Rs (3)
被测电阻两端正向电压-Us＝Vs2-Vs1≈-Ix×Rs (4)
在开关控制信号的作用下通过切换开关轮流送出上述四个电压采样输出信号U1。图2中的限流电阻Ro可以限制最大允许的测试电流，降低被测电阻自身发热问题；根据被测电阻Rx的阻值范围由主控单元控制接入不同的标准电阻Rs可以实现宽量程测量；为了保证运放的虚短、虚断特性，在运放的输出端和标准电阻Rs之间增加了电流驱动部分以提高运放的驱动能力。
而测量处理模块2包括信号调理、AD转换、键盘与显示以及主控单元等部分，如图3所示：
信号调理部分在主控单元的控制下将信号采集模块1送来的四个电压采样输出信号U1进行适当放大处理，以满足AD转换部分所需的电压幅度，用于提高测量精度；AD转换部分在主控单元的协调控制下进行转换后得到四个电压测量值，分别是：
Ud1＝(+Ux×K1+ΔU1)/Er1(5)
Ud2＝(-Ux×K2+ΔU2)/Er2(6)
Ud3＝(+Us×K3+ΔU3)/Er3(7)
Ud4＝(-Us×K4+ΔU4)/Er4(8)
其中：K1～K4分别为测量四个电压采样输出信号时整个测量通道的总增益，它包括信号调理部分和AD转换部分的增益，因四次测量信号经过同一个测量通道处理，只要保证测量短时间内相对稳定，它们就近似相等ΔU1～ΔU4分别为测量四个电压采样输出信号整个测量通道的总失调，它包括信号调理部分和AD转换部分的增益，同理，测量期间它们也近似相等；Er1～Er4分别为测量四个电压采样输出信号时提供给AD的基准电压，同理，测量期间它们也近似相等。解由上述公式(1)～(8)得到的方程组，不难得到如下公式：
Rx＝(Ud1-Ud2)/(Ud3-Ud4)×Rs (9)
显而易见，被测电阻Rx的测量结果只与四个电压测量值Ud1～Ud4以及标准电阻Rs相关，而与电路其它参数无关，特别是受温度变化敏感的电路总增益以及电路总失调，所以可以使用低成本器件实现高精度的电阻测量。此外，利用公式(9)可知被测电阻Rx与测试电压源Es、限流电阻Ro无关，所以可以采用较小的测试电流Ix来测量电阻，降低被测电阻自身发热问题，提高测量精度。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离发明的实质和范围。
Claims (3)
1.一种宽温度宽量程高精度低成本的电阻测量方法，包括信号采集模块(1)以及测量处理模块(2)，其特征在于：所述的信号采集模块(1)包括测试电压源Es、限流电阻Ro、四线测量端、运放、电流驱动、标准电阻Rs、切换开关以及被测电阻Rx；测量处理模块(2)包括信号调理、AD转换、键盘与显示以及主控单元，信号采集模块(1)在测量处理模块(2)送出的开关控制信号控制下分别采样被测电阻Rx两端的正向电压、反向电压、标准电阻Rs两端的正向电压、反向电压并送测量处理模块(2)进行处理；测量处理模块(2)对信号采集模块(1)送入的四个采集电压信号进行测量并完成被测电阻值的计算。
2.如权利要求1所述的宽温度宽量程高精度低成本的电阻测量方法，其特征在于：所述的信号采集模块(1)中测试电压源Es与限流电阻Ro串联后连接到四线测量端的HD端子，四线测量端的LD端同时连接到运放的“-”端和标准电阻Rs的一端，标准电阻Rs的另一端和运放的输出端之间连接一个电流驱动器，运放的“+”端与地相连，被测电阻Rx跨接在四线测量端高端HD、HS和低端LS、LD之间，四线测量端HS、LS的两端以及标准电阻Rs的两端分别连接到切换开关的Vx1、Vx2、Vs1、Vs2四个输入端，切换开关的开关控制信号端与测量处理模块(2)中的主控单元相连，切换开关输出的电压信号U1与测量处理模块(2)中的信号调理部分相连。
3.如权利要求1所述的宽温度宽量程高精度低成本的电阻测量方法，其特征在于：所述的测量处理模块(2)通过5个步骤完成一次电阻测量：第1步是主控单元发出开关控制信号使切换开关选择Vx1和Vx2两端之间的正向电压信号U1，将其送入到信号调理部分处理，并通过AD转换得到测量结果Ud1；第2步是主控单元发出开关控制信号使切换开关选择Vx2和Vx1两端之间的反向电压信号U1，将其送入到信号调理部分处理，并通过AD转换得到测量结果Ud2；第3步是主控单元发出开关控制信号使切换开关选择Vs1和Vs2两端之间的正向电压信号U1，将其送入到信号调理部分处理，并通过AD转换得到测量结果Ud3；第4步是主控单元发出开关控制信号使切换开关选择Vs2和Vs1两端之间的反向电压信号U1，将其送入到信号调理部分处理，并通过AD转换得到测量结果Ud4；第5步是主控单元利用公式Rx＝(Ud1-Ud2)/(Ud3-Ud4)×Rs计算被测电阻。
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