便攜式直流低電阻測量儀

鄭 平

（南昌鐵路局 福州機(jī)務(wù)段，福建福州350014）

在檢修機(jī)車電機(jī)與電器的過程中，需要測量電機(jī)與電器中一些元件的電阻值，這其中有些被測元件的電阻值很小，需要使用專門的低電阻測量儀器。目前在鐵路機(jī)務(wù)部門得到廣泛應(yīng)用的低電阻測量儀器是TZ型接觸電阻測量儀，TZ型接觸電阻測量儀在機(jī)車檢修過程中使用已有30年，這30年里對提高機(jī)車檢修質(zhì)量起了很好的作用。TZ型接觸電阻測量儀是30年前設(shè)計的老產(chǎn)品，在電子技術(shù)高速發(fā)展的今天來看難免有些不足。為了方便準(zhǔn)確的檢測電機(jī)與電器中一些被測元件的電阻值，研制了便攜式直流低電阻測量儀（以下簡稱低電阻測量儀）。

1 硬件結(jié)構(gòu)

低電阻測量儀采用伏安法測量電阻，即先測得元件兩端的電壓及流過元件的電流，然后根據(jù)歐姆定律R=V／I求出元件的實際電阻值。根據(jù)伏安法測量電阻原理設(shè)計的低電阻測量儀硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由恒流源電路、電流測量電路、電壓測量電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)、顯示電路及電源電路等組成。

圖1 硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.1 恒流源電路

恒流源電路如圖2左側(cè)所示，由一個集成三端可調(diào)穩(wěn)壓器LM317、開關(guān)K11及2.5（或250）Ω精密電阻構(gòu)成。在圖2中輸出電流Iout等于（Iadj+Uref／R），基準(zhǔn)電壓Vref為1.25V，由于調(diào)整端電流Iadj只有幾十微安，因此可近似認(rèn)為Iout等于1.25／R。當(dāng)正輸出端與調(diào)節(jié)端之間接入2.5Ω（或250Ω）精密電阻后，連接在調(diào)節(jié)端與負(fù)電源端之間的被測元件RL就能流過恒定的500mA（或5mA）電流。

圖2 恒流源與分流器電路

1.2 電流測量電路

電流測量電路是為測量流過被測元件的電流而設(shè)置的，電流測量電路由分流器與A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路組成。分流器在圖2所示的電路中，由開關(guān)K12及1.01，100Ω精密電阻構(gòu)成。A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路如圖3左側(cè)所示，由4位半雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器ICL7135、12位二進(jìn)制計數(shù)器CD4040、可調(diào)精密電壓基準(zhǔn)LM431及一些電阻電容二極管等構(gòu)成。A／D轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號由89C52單片機(jī)ALE引腳輸出的1MHz方波經(jīng)CD4040分頻后產(chǎn)生，時鐘頻率為125kHz。ICL7135采用LM431作為參考電壓源，參考電壓為0.5V，ICL7135滿量程電壓為1V。恒流源電路輸出的500mA（或5mA）電流經(jīng)1Ω（或100Ω）精密電阻構(gòu)成的分流器后變換成0.5V電壓送往A／D轉(zhuǎn)換電路。

雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器ICL7135是通過采樣階段與比較階段兩次積分將模擬電壓轉(zhuǎn)換為計數(shù)脈沖數(shù)，然后將代表輸入模擬電壓大小的脈沖數(shù)轉(zhuǎn)換成BCD碼輸出。當(dāng)ICL7 1 3 5處在兩次積分階段時，ICL7 1 3 5上的A／D轉(zhuǎn)換標(biāo)志BUSY引腳為高電平。測得這個轉(zhuǎn)換標(biāo)志BUSY處于高電平的時鐘周期數(shù)，將其減去采樣階段固定積分時間（10 000個時鐘周期），可得到代表輸入電壓大小的比較階段積分時鐘周期數(shù)，即A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果。ICL7135與單片機(jī)的接口方式如圖3所示，將ICL7135-BUSY與ICL7135-CLK分別接到89C52單片機(jī)INT0與T0。通過對單片機(jī)內(nèi)寄存器的編程，設(shè)置T0為16位計數(shù)器，當(dāng)INT0為高電平時，T0對ICL7135時鐘脈沖計數(shù)。當(dāng)INT0從高電平跳變?yōu)榈碗娖綍r，T0停止對ICL7135時鐘脈沖的計數(shù)，并立即進(jìn)入INT0中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序讀出代表A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果的T0計數(shù)值，這樣輸入模擬電壓就方便地轉(zhuǎn)換成為數(shù)字量。

圖3 A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與單片機(jī)最小系統(tǒng)

1.3 電壓測量電路

電壓測量電路是為測量被測元件兩端電壓而設(shè)置的，電壓測量電路由放大電路與A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路兩部分組成。放大電路如圖4所示，由斬波穩(wěn)零式高精度運(yùn)算放大器ICL7650、開關(guān)K2及一些電阻電容等構(gòu)成。電壓測量電路中的A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路與電流測量電路中的A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路相同。

圖4 放大電路

放大電路中的ICL7650除了具有普通運(yùn)算放大器的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍外，還具有高增益、高共模抑制比、失調(diào)小、漂移低和自動調(diào)零等特點(diǎn)，所以常常被用在微弱信號的放大電路中。ICL7650接成20或200倍差動放大電路，放大倍數(shù)由開關(guān)K2確定，配合恒流源電路中開關(guān)K1的使用，對應(yīng)的使低電阻測量儀擁有10，100mΩ，1，10Ω 4個檔位的測量選擇。

1.4 單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)最小系統(tǒng)如圖3右側(cè)所示，由89C52單片機(jī)、時鐘及復(fù)位電路等組成。系統(tǒng)時鐘頻率為6MHz，89C52單片機(jī)內(nèi)8K可電擦除存儲器用于存放程序。

1.5 顯示電路

顯示電路如圖5所示，由LED數(shù)碼管顯示和顯示選擇與指示兩部分組成。主要由4個0.56英寸紅色共陽極LED數(shù)碼管、4個9012三極管、3個9013三極管、按鈕、開關(guān)、發(fā)光二極管及電阻等一些電子元件構(gòu)成。

4位數(shù)碼管采用動態(tài)掃描顯示方式。顯示時將某位被顯示數(shù)的段代碼（包括小數(shù)點(diǎn)）通過P0輸出到每個數(shù)碼管，再由P1口輸出一個顯示位選通信號，使得該位數(shù)碼管共陽端為高電平，并保持一段時間。在這一段時間里只有該位數(shù)碼管共陽端是高電平，所以只有這個數(shù)碼管亮，其余數(shù)碼管都不亮。一位顯示結(jié)束再顯示下一位，如此不斷循環(huán)。由于每秒循環(huán)次數(shù)較多，人眼不會感覺閃爍。

設(shè)置顯示選擇與指示電路的目的是為了讓4位數(shù)碼管能顯示不同的內(nèi)容。低電阻測量儀接通電源后，4位數(shù)碼管顯示被測元件電阻值，對應(yīng)的毫歐發(fā)光二極管亮。按一下顯示變換按鈕，4位數(shù)碼管改為顯示被測元件兩端的電壓值，對應(yīng)的毫伏發(fā)光二極管點(diǎn)亮。再按一下顯示變換按鈕，4位數(shù)碼管改為顯示流過被測元件的電流值，對應(yīng)的毫安發(fā)光二極管點(diǎn)亮。如此循環(huán)實現(xiàn)顯示內(nèi)容的變換。顯示選擇與指示電路中的開關(guān)K12、K22是用于變換4位數(shù)碼管小數(shù)點(diǎn)位置以適應(yīng)電阻量程的變化，開關(guān)K1、K2是兩排兩檔的開關(guān)。K1的第1排K11用于恒流源電路、第2排K12用于分流器與小數(shù)點(diǎn)位置選擇。K2的第1排K21用于放大倍數(shù)選擇、第2排K22用于放大倍數(shù)與小數(shù)點(diǎn)位置選擇。單片機(jī)通過測量P3.0與P3.1引腳的高、低電平（由K12、K22通斷狀態(tài)確定）確定各電阻量程小數(shù)點(diǎn)的位置。

圖5 顯示電路

1.6 電源電路

低電阻測量儀工作電源采用內(nèi)置6節(jié)1.2V可充電電池，電池可以使用幾個小時，長時間持續(xù)使用時可以插入外接直流穩(wěn)壓器作為工作電源。電池通過降壓二極管為恒流源電路提供電源，通過一個三端穩(wěn)壓器LM7805與直流電壓變換器ICL7660為電流測量電路、電壓測量電路提供±5V的電源，通過另一個三端穩(wěn)壓器LM7805為顯示電路、單片機(jī)最小系統(tǒng)提供+5V的電源。

2 測量程序簡介

測量程序保存在單片機(jī)89C52內(nèi)8K可電擦除存儲器上。主要有主程序、INT0中斷服務(wù)程序、INT1中斷服務(wù)程序、計算電阻程序、按鈕與開關(guān)掃描程序、顯示程序等。

2.1 主程序

主程序完成系統(tǒng)初始化及顯示測量結(jié)果的任務(wù)。系統(tǒng)初始化主要包括設(shè)置堆棧指針地址，內(nèi)部RAM清零，設(shè)置T0與T1為16位計數(shù)器、預(yù)置T0與T1的初值（T0與T1初值均為-10 000），設(shè)置允許INT0與INT1中斷、INT0與INT1為脈沖下降沿觸發(fā)方式，設(shè)置開機(jī)時4位數(shù)碼管顯示電阻值等。系統(tǒng)初始化結(jié)束后主程序通過不斷調(diào)用計算電阻程序、按鈕與開關(guān)掃描程序、顯示程序的方法，計算出電阻值、確定4位數(shù)碼管要顯示的內(nèi)容及小數(shù)點(diǎn)位置、將測量結(jié)果顯示出來。

2.2 INT0中斷服務(wù)程序

如電流測量電路所述，單片機(jī)INT0與ICL7135上的A／D轉(zhuǎn)換標(biāo)志BUSY相連接，當(dāng)ICL7135兩次積分階段結(jié)束時，INT0引腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖接|發(fā)中斷。INT0中斷服務(wù)程序首先將T0計數(shù)值送往累存電流測量值的RAM單元、預(yù)置T0的初值。接著將記錄電流測量次數(shù)的RAM單元加1，如果測量次數(shù)不到4次就返回主程序。如果測量次數(shù)已到4次就計算出平均值，并送往存放電流平均值的RAM單元供計算電阻程序與顯示程序調(diào)用，再將累存電流測量值的RAM單元與記錄測量次數(shù)的RAM單元清零后返回主程序。

2.3 INT1中斷服務(wù)程序

INT1中斷服務(wù)程序與INT0中斷服務(wù)程序基本相同，首先將T1計數(shù)值送往累存電壓測量值的RAM單元、預(yù)置T1的初值。接著將記錄電壓測量次數(shù)的RAM單元加1，如果測量次數(shù)不到4次就返回主程序。如果測量次數(shù)已到4次就計算出平均值，并送往存放電壓平均值的RAM單元供計算電阻程序與顯示程序調(diào)用，再將累存電壓測量值的RAM單元與記錄測量次數(shù)的RAM單元清零后返回主程序。

2.4 計算電阻程序

計算電阻程序就是將電壓平均值除以電流平均值得到電阻平均值，并送往存放電阻平均值的RAM單元供顯示程序調(diào)用。

3 應(yīng)用

3.1 測量誤差

低電阻測量儀測量誤差主要來自電流測量與電壓測量兩方面。由于低電阻測量儀采用了高精度的運(yùn)算放大器與4位半雙積分式A／D轉(zhuǎn)換器，測量誤差還是比較小的。低電阻測量儀自制過程中用NM3000多用表校驗儀對其進(jìn)行標(biāo)定，標(biāo)定結(jié)果表明低電阻測量儀電流測量的誤差僅為±（0.2%+2個字），電壓測量的誤差為±（0.3%+3個字）?？紤]到機(jī)務(wù)段使用低電阻測量儀目的是對被測元件做定性的檢查，對測量精度的要求不是很高，因此低電阻測量儀可按1.5級的儀表使用。

3.2 校驗方法

為了方便校驗專門制作了4個阻值分別為5，50 mΩ、0.5，5Ω的標(biāo)準(zhǔn)電阻，分別用于校驗低電阻測量儀10，100mΩ、1，10Ω檔的測量精度。4個標(biāo)準(zhǔn)電阻的誤差為±0.5%，標(biāo)準(zhǔn)電阻應(yīng)定期用常規(guī)方法校驗。用標(biāo)準(zhǔn)電阻校驗低電阻測量儀時，低電阻測量儀顯示的電阻值與標(biāo)準(zhǔn)值的誤差應(yīng)在±1%的范圍內(nèi)。

3.3 應(yīng)用情況

低電阻測量儀2008年制造了兩臺，在福州機(jī)務(wù)段福州檢修車間電器組與電機(jī)組使用，主要用于測量電器觸頭接觸電阻與電機(jī)繞組電阻。低電阻測量儀采用4線測量法，使用時先將電壓測量端的一對鱷魚夾夾住靠近被測元件測量點(diǎn)兩邊，然后用電流測量端的一對鱷魚夾夾住被測元件的兩邊，此時低電阻測量儀顯示的數(shù)字即為被測元件電阻。

4 結(jié)束語

低電阻測量儀是根據(jù)機(jī)車檢修工作實際需要設(shè)計與自制的一種檢測儀器，與同類檢測儀器相比低電阻測量儀有以下幾個特點(diǎn)。

（1）以89C52單片機(jī)為核心，采用伏安法測量電阻消除了恒流源不穩(wěn)定引起的測量誤差，不必經(jīng)常校驗。

（2）放大電路采用失調(diào)小、漂移低、自動調(diào)零的斬波穩(wěn)零式運(yùn)算放大器ICL7650，A／D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路也采用有自動調(diào)零功能的ICL7135，因此使用時不需要校零。

（3）體積小，質(zhì)量輕，便于攜帶（外形164mm×63 mm×140mm，質(zhì)量0.7kg）。

（4）結(jié)構(gòu)簡單，性能可靠，使用方便。

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