基于LabVIEW的電阻測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張明建,馬 暢,江先陽(yáng)

(武漢大學(xué) 物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 物理國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心, 湖北 武漢 430072)

電阻無(wú)論是在實(shí)驗(yàn)室里還是在生活中，都是常見(jiàn)的電子元件，電阻的使用范圍十分廣泛，其測(cè)量方法也有多種.例如實(shí)驗(yàn)室里可以用電壓表和電流表通過(guò)應(yīng)用歐姆定律(R=U/I)來(lái)測(cè)量，也可以通過(guò)萬(wàn)用表進(jìn)行測(cè)量[1].這些方法有若干缺點(diǎn)，包括測(cè)量數(shù)據(jù)無(wú)法傳輸，只能通過(guò)手寫(xiě)方法記錄或者手動(dòng)導(dǎo)入計(jì)算機(jī).正是由于這樣的缺點(diǎn)，在生產(chǎn)中如果需要對(duì)大批電阻進(jìn)行連續(xù)或者批量測(cè)量時(shí)，測(cè)量、記錄和分析等的工作量將會(huì)是繁重的，在記錄和處理過(guò)程中也容易出錯(cuò).針對(duì)類(lèi)似問(wèn)題，部分研究人員提出了一些解決方法.如張汝青介紹了基于LabVIEW的四探針?lè)y(cè)薄層電阻的系統(tǒng)[2]，這種法使得相應(yīng)工作大部分都能利用計(jì)算機(jī)完成，較傳統(tǒng)方法更智能方便.與這一工作類(lèi)似，基于LabVIEW平臺(tái)的工作[3-10]基本都利用了其平臺(tái)的優(yōu)良特性.

針對(duì)傳統(tǒng)方法存在的效率不高的缺點(diǎn)，在傳統(tǒng)的電橋法測(cè)電阻技術(shù)中引入虛擬儀器技術(shù)，通過(guò)LabVIEW平臺(tái)首先在軟件層面建立測(cè)量仿真，然后由軟件結(jié)合硬件，建立能夠進(jìn)行批量和連續(xù)測(cè)量的硬件系統(tǒng).本文提出的系統(tǒng)提高了可操作性和測(cè)量效率，為大規(guī)模的測(cè)量和處理提供了方便，也可應(yīng)用到類(lèi)似的電參量的測(cè)量中.

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電阻的測(cè)量方法很多，例如伏安表法、三表法、歐姆表法和電橋法等.這些測(cè)量方法應(yīng)用的原理之間有一定區(qū)別.為了充分發(fā)揮LabVIEW平臺(tái)的作用，選擇基于電橋法原理，通過(guò)示波器采集電壓信號(hào)來(lái)檢測(cè)電橋是否平衡，整個(gè)系統(tǒng)由LabVIEW平臺(tái)進(jìn)行控制與數(shù)據(jù)分析，以達(dá)到高效率的測(cè)量.電阻測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中Rx為測(cè)量目標(biāo)電阻，R1和R2為定值電阻，R3為可變電阻.系統(tǒng)測(cè)量過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)R3來(lái)達(dá)到電橋的平衡.

圖1 電阻測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 電橋測(cè)量原理

電橋測(cè)量基本原理如圖2所示.和傳統(tǒng)原理不同，雖然仍然通過(guò)圖中a和b兩點(diǎn)的電勢(shì)差來(lái)判斷電橋是否平衡，但考慮到實(shí)際系統(tǒng)中存在噪聲，電勢(shì)差為0是不現(xiàn)實(shí)的，所以通過(guò)采集該電勢(shì)差并通過(guò)該電勢(shì)差處于一定范圍(10 mV以內(nèi))即認(rèn)為電橋平衡.這種考慮是很多物理實(shí)驗(yàn)將原理映射到實(shí)際操作需要解決的可行性的關(guān)鍵點(diǎn).

圖2 電橋法測(cè)量電阻的原理圖

假設(shè)測(cè)量系統(tǒng)中在a和b點(diǎn)間的測(cè)量?jī)x器內(nèi)阻很大，則a點(diǎn)電勢(shì)Ua及b點(diǎn)電勢(shì)Ub近似可以表示為

(1)

(2)

于是a和b點(diǎn)間電勢(shì)差為

(3)

化簡(jiǎn)式(3)可以得到Rx：

(4)

將(4)式進(jìn)行設(shè)計(jì)映射到系統(tǒng)軟件中的數(shù)據(jù)處理部分，即可以獲得測(cè)量目標(biāo)的電阻.

1.2 電子示波器接口

設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中，電壓是通過(guò)數(shù)字示波器RIGOL DS1052E采集的.引入該示波器是因?yàn)榛贚abVIEW的測(cè)量系統(tǒng)可以方便控制它并讀取測(cè)量數(shù)據(jù).該示波器可通過(guò)USB或RS232 接口[11]與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，相比而言使用RS232接口進(jìn)行通訊時(shí)有諸多不足之處：

1)RS232接口電平值較高，容易損壞接口電路的芯片；

2)RS232接口與TTL電平不兼容，在傳輸數(shù)據(jù)前需先進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換再與TTL電路連接；

3)RS232通信接口使用1根信號(hào)線和1根信號(hào)返回線構(gòu)成共地傳輸，容易產(chǎn)生共模干擾，抗噪性能差；

4)RS232接口的傳輸速率與USB接口相比較低.

鑒于RS232的不足和USB接口的通用性，系統(tǒng)基于USB接口進(jìn)行設(shè)計(jì).

1.3 LabVIEW平臺(tái)

LabVIEW有以下優(yōu)點(diǎn):

1)LabVIEW中自身帶有非常豐富的擴(kuò)展功能庫(kù)和子程序庫(kù)，通過(guò)它可以高效地設(shè)計(jì)出相關(guān)測(cè)試系統(tǒng)；

2)LabVIEW支持多種數(shù)據(jù)采集以及儀器，通過(guò)LabVIEW可方便開(kāi)發(fā)相關(guān)硬件驅(qū)動(dòng)程序;

3)LabVIEW的編程方式是圖形化編程，編程過(guò)程與人類(lèi)的思維過(guò)程相似，編程效率高；

4)LabVIEW系統(tǒng)能夠在絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)上使用，且具有強(qiáng)大的差錯(cuò)、調(diào)試功能，能夠?qū)崟r(shí)的顯示錯(cuò)誤的準(zhǔn)確位置以及錯(cuò)誤原因；

5)LabVIEW支持TCP/IP以及UDP等常用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，能夠方便地與第三方軟件通信；

6)LabVIEW模塊化程序具有良好重用性.

基于LabVIEW設(shè)計(jì)的程序稱(chēng)為VI，它默認(rèn)的擴(kuò)展名為“.vi”.程序主要包括前面板、連接器窗格和圖表、程序框圖3個(gè)部分.前面板是用戶界面，方便用戶進(jìn)行操控，前面板主要包含輸入控制和輸出顯示2個(gè)部分，通過(guò)輸入控制將數(shù)據(jù)輸入到程序中，比如旋鈕、按鈕、開(kāi)關(guān)等都屬于輸入控制；LED、波形圖表或其他的輸出對(duì)象則屬于輸出顯示.程序框圖面板用于編寫(xiě)程序.

1.4 系統(tǒng)測(cè)量流程

在電橋連接好后，將示波器的測(cè)量探頭連接在電路的a，b兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置.示波器通過(guò)USB與計(jì)算機(jī)連接，測(cè)量通過(guò)設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)在LabVIEW前面板上操作實(shí)現(xiàn).其具體程序框圖代碼如圖3所示.

圖3 提出測(cè)量系統(tǒng)的程序框圖面板

在測(cè)量的過(guò)程中，通過(guò)調(diào)節(jié)R3可變電阻，使示波器的讀數(shù)達(dá)到量化要求，量化要求可以根據(jù)具體情況來(lái)定.具體到本次設(shè)計(jì)中，設(shè)定當(dāng)示波器讀數(shù)在±0.01 V之間時(shí)，電橋平衡.在電橋被調(diào)節(jié)平衡后，在程序框圖上將對(duì)應(yīng)的定值和可變電阻、電源電壓等平衡條件數(shù)據(jù)錄入，隨后確定要測(cè)量的命令，在選擇命令輸入處輸入，接著確定接口名稱(chēng)、測(cè)量模式以及測(cè)量時(shí)間間隔，最后按下開(kāi)始測(cè)量，系統(tǒng)即可直接反饋測(cè)量的結(jié)果.

2 系統(tǒng)測(cè)量與討論

系統(tǒng)測(cè)量需要的初始參量例如電源電壓、電阻R1、電阻R2及可變電阻箱的阻值R3通過(guò)精密萬(wàn)用表KEITHLEY 2000 MULTIMETER測(cè)量，為8.00 V，R1=199.97 Ω，R2=199.83 Ω.R3的值由于需要跟隨測(cè)量條件而進(jìn)行改變，所以需要在硬件電路平衡調(diào)整完成(滿足示波器讀取的Uab值在±0.01 V內(nèi))后再測(cè)得并反饋到測(cè)量系統(tǒng)中.本測(cè)量系統(tǒng)用于驗(yàn)證系統(tǒng)性能的待測(cè)電阻基本在200 Ω左右，所以驗(yàn)證測(cè)量過(guò)程中，電阻箱的初始阻值調(diào)為200 Ω進(jìn)行測(cè)量調(diào)節(jié)，在平衡后，R3的阻值經(jīng)過(guò)測(cè)量為200.90 Ω.

在上述初始參量條件基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了2種測(cè)量模式的控制前面板，也即系統(tǒng)支持2種測(cè)量模式.2種測(cè)量模式的示波器讀取數(shù)據(jù)基本是實(shí)時(shí)的，所以在測(cè)量過(guò)程中連續(xù)讀取電壓值，通過(guò)一段時(shí)間內(nèi)讀取到的多次數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)電阻的多次測(cè)量.

2.1 電阻的批量測(cè)量模式

首先進(jìn)行的驗(yàn)證測(cè)量是批量測(cè)量10個(gè)阻值約為200 Ω的1套電阻.因?yàn)槭沁B續(xù)批量測(cè)量10個(gè)不同的電阻，所以將測(cè)量次數(shù)設(shè)為1次，然后在連接好測(cè)量對(duì)象后點(diǎn)擊測(cè)量開(kāi)始獲得測(cè)量值，測(cè)量結(jié)果以圖表形式顯示在測(cè)量系統(tǒng)中.測(cè)量前面板如圖4所示.因?yàn)闇y(cè)量對(duì)象是批量生產(chǎn)的電阻，其均值也有一定的參考意義，所以依據(jù)測(cè)量的阻值，阻值的平均值也自動(dòng)顯示在測(cè)量系統(tǒng)中.提出的系統(tǒng)不僅能導(dǎo)出圖片結(jié)果，還能導(dǎo)出測(cè)量數(shù)據(jù)的Excel表格，利于數(shù)據(jù)的后期處理[12-14].

圖4 批量測(cè)量模式測(cè)量結(jié)果

作為對(duì)比，將采用提出的測(cè)量系統(tǒng)批量測(cè)量的阻值和采用KEITHLEY 2000 MULTIMETER(K2000)測(cè)量的相應(yīng)電阻的阻值對(duì)比于表1中，系統(tǒng)測(cè)量阻值采用系統(tǒng)提供的導(dǎo)出功能直接導(dǎo)出，更直觀，表1中的數(shù)據(jù)通過(guò)圖形的方式顯示于圖5中.

考慮到K2000經(jīng)過(guò)精密標(biāo)定，因此設(shè)用K2000測(cè)得的數(shù)據(jù)為標(biāo)準(zhǔn)值.經(jīng)過(guò)計(jì)算，序號(hào)為7的電阻測(cè)量誤差最大，為1.93 Ω.最大相對(duì)誤差為0.96%.序號(hào)為2的電阻測(cè)量誤差最小，為0.22 Ω.

表1 系統(tǒng)批量模式與K2000測(cè)量對(duì)比

圖5 系統(tǒng)批量測(cè)量模式與K2000測(cè)量對(duì)比

考慮到測(cè)量的環(huán)境、導(dǎo)線電阻、連接電阻等因素[12]，本測(cè)量系統(tǒng)的電阻測(cè)量精確度仍可以達(dá)到1%以上.

2.2 電阻的多次測(cè)量模式

系統(tǒng)應(yīng)用中，對(duì)于單一電阻采取多次測(cè)量模式進(jìn)行測(cè)量.這一模式下，每隔1 s系統(tǒng)從示波器讀取數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理獲得1個(gè)測(cè)量目標(biāo)電阻值，連續(xù)測(cè)量10次，同樣系統(tǒng)也提供多次測(cè)量的電阻的平均值.

作為驗(yàn)證，對(duì)1個(gè)待測(cè)電阻進(jìn)行了此模式下的測(cè)量，其測(cè)量時(shí)間間隔可以自主控制，本次驗(yàn)證中間隔設(shè)置為0.5 s，待測(cè)電阻為上述電阻序列中的樣本1.測(cè)量結(jié)果為200.21,200.20,200.22,200.23,200.24,200.23,200.23,200.24,200.23,200.22 Ω，系統(tǒng)也提供多次測(cè)量數(shù)據(jù)的波動(dòng)，如圖6所示.

圖6 系統(tǒng)多次測(cè)量模式樣本1測(cè)量波動(dòng)

LabVIEW平臺(tái)在數(shù)據(jù)處理方面的功能非常強(qiáng)大，提出的系統(tǒng)在本模式下10次測(cè)量獲得的電阻平均值為200.23 Ω，與K2000測(cè)量10次讀數(shù)的平均值201.19 Ω進(jìn)行比較，定義誤差為ΔR，系統(tǒng)測(cè)量值Ri(i=1,…,10)，測(cè)量平均值為R平均值，測(cè)量次數(shù)為n=10,則有：ΔR=0.96 Ω,R標(biāo)準(zhǔn)差=0.01 Ω.

本模式下測(cè)量誤差和標(biāo)準(zhǔn)差都較小，顯示提出的測(cè)量系統(tǒng)測(cè)量精確度高、測(cè)量穩(wěn)定.

3 結(jié)束語(yǔ)

將電阻測(cè)量與LabVIEW平臺(tái)結(jié)合，提出了在一定程度上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測(cè)量的電阻測(cè)量系統(tǒng).提出的電阻測(cè)量系統(tǒng)支持對(duì)電阻的2種模式測(cè)量.與傳統(tǒng)的電橋法測(cè)量電阻相比，對(duì)測(cè)量方法做了一定的適應(yīng)性修改，后期還可以繼續(xù)研究，結(jié)合LabVIEW的特性進(jìn)一步改進(jìn)其適應(yīng)性.目前系統(tǒng)支持2種電阻測(cè)量模式，自動(dòng)化程度還有待于進(jìn)一步提升，例如支持任意定制次數(shù)的測(cè)量，支持動(dòng)態(tài)自動(dòng)調(diào)整初值參量等；對(duì)于數(shù)據(jù)的分析功能還可以進(jìn)一步改進(jìn)，例如自動(dòng)化生成更完備的分析數(shù)據(jù)報(bào)表等.