專(zhuān)利名稱(chēng)：數(shù)字式低阻表的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種數(shù)字式低值電阻測(cè)量?jī)x表，尤其是指適用于電線電纜導(dǎo)體直流電阻試驗(yàn)，具有雙向電流測(cè)量功能、高靈敏度、高分辨力的數(shù)字式低阻表。
背景技術(shù)：
在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T3048.2《電線電纜電性能試驗(yàn)方法第2部分金屬材料電阻率試驗(yàn)》及GB/T3048.4《電線電纜電性能試驗(yàn)方法第4部分導(dǎo)體直流電阻試驗(yàn)》中都規(guī)定了在電線電纜直流電阻試驗(yàn)中當(dāng)被測(cè)電阻小于0.1Ω時(shí)必須進(jìn)行雙向電流測(cè)量，即讀取一個(gè)正向電流下的讀數(shù)和一個(gè)反向電流下的讀數(shù)，然后將兩個(gè)讀數(shù)取算術(shù)平均值作為最終的測(cè)量結(jié)果，這是因?yàn)樵跍y(cè)量回路中由于溫度不平衡而不可避免存在的熱電勢(shì)與接觸電勢(shì)，等于在電位端上串接了一個(gè)偏移電壓，會(huì)造成低電阻測(cè)量結(jié)果很大的誤差。由于這個(gè)偏移電壓對(duì)正向或反向測(cè)量結(jié)果的影響是相反的，在雙向測(cè)量求平均值的過(guò)程中這個(gè)影響被低消了，從而提高了測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和可靠性。
在現(xiàn)有技術(shù)中，通常采用雙臂電橋與數(shù)字式低阻表測(cè)量低電阻值。雙臂電橋可以通過(guò)在電流端C1、C2與被測(cè)導(dǎo)線之間接入換向閘刀，來(lái)實(shí)現(xiàn)電線電纜導(dǎo)體電阻的雙向電流測(cè)量。數(shù)字式低阻表由于不需要進(jìn)行電橋繁雜費(fèi)時(shí)的平衡操作，數(shù)字直讀快速方便，在電線電纜測(cè)量領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但是現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表有一個(gè)缺點(diǎn)，即不能進(jìn)行反向電流測(cè)量，這是因?yàn)樵诂F(xiàn)有的數(shù)字式低阻表中，為了防止電感性負(fù)載的反電勢(shì)對(duì)測(cè)量回路的危害，在電位輸入端上接入了反向保護(hù)二極管，在正向電流測(cè)量時(shí)，該二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，對(duì)測(cè)量無(wú)影響；而在反向電流測(cè)量時(shí)，該二極管將會(huì)處于正向?qū)顟B(tài)，引起輸入電壓的改變，造成測(cè)量誤差。此外現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表的最高分辨力為0.1μΩ，當(dāng)1m長(zhǎng)銅導(dǎo)線的截面大于173mm2時(shí)，其電阻值小于100μΩ，儀表讀數(shù)只有3位有效數(shù)字，測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確度和分辨力都不能滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)電線電纜導(dǎo)體直流電阻試驗(yàn)設(shè)備的性能要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表不能進(jìn)行雙向電流測(cè)量、靈敏度及分辨力較低的缺陷，本實(shí)用新型提供一種數(shù)字式低阻表，該低阻表的技術(shù)性能完全滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中電線電纜直流電阻試驗(yàn)的設(shè)備性能要求，儀表可以實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雙向電流測(cè)量操作，其靈敏度也比現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表提高了十倍，最高分辨力達(dá)到了0.01μΩ，可以滿(mǎn)足全系列電線電纜直流電阻的測(cè)量要求。
本實(shí)用新型解決技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是恒流源輸出的測(cè)量電流通過(guò)電流換向器連接在C1、C2電流端，電流換向器可以由機(jī)械開(kāi)關(guān)、繼電器或電子開(kāi)關(guān)構(gòu)成，其作用是可以選擇測(cè)量電流正向(C1為正、C2為負(fù))或反向(C1為負(fù)、C2為正)通過(guò)被測(cè)電阻，實(shí)施雙向電流測(cè)量。為了防止電感型負(fù)載產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)對(duì)輸入放大器的危害，儀表的電位輸入端上必須接入過(guò)電壓保護(hù)電路，在本實(shí)用新型中采用了雙向鉗位輸入過(guò)壓保護(hù)電路，具體做法是在儀表中設(shè)置E+及E-兩個(gè)低內(nèi)阻的電壓源，正向鉗位二極管D1的負(fù)極與正向電壓E+連接、正極與電位端P1連接；反向鉗位二極管D2的正極與反向電壓E-連接、負(fù)極與電位端P1連接。正向電流測(cè)量時(shí)，設(shè)E+的電壓為VE+；E-電壓的絕對(duì)植為VE-；D1的正向壓降為VD1；D2的正向壓降為VD2；在正向電流測(cè)量狀態(tài)，當(dāng)輸入電壓VX＞VE++VD1時(shí)，D1導(dǎo)通，正向輸入電壓被鉗位在VE++VD1上，同理，在反向電流測(cè)量狀態(tài)，當(dāng)輸入電壓VX＜-(VE-+VD2)時(shí)，D2導(dǎo)通，反向輸入電壓被鉗位在-(VE-+VD2)上，因此不論測(cè)量電流正反，輸入電壓VX被限制在VE++VD1及-(VE-+VD2)之間，有效地保護(hù)了輸入放大器，當(dāng)VE+＞VX＞-VE-時(shí)D1及D2反向截止，對(duì)測(cè)量無(wú)影響。
VE+與VE-數(shù)值的選擇，與儀表輸入電壓VIN的最大值有關(guān)，選擇較低的VE+及VE-電壓，有利于儀表輸入端保護(hù)，但限制了VX的最大輸入電壓，反之亦然。當(dāng)VX的最大輸入電壓小于0.6V時(shí)，E+及E-可以由二極管與電阻構(gòu)成，從電源V+及V-處引入二極管工作電流，E+及E-的電壓值為二極管的正向壓降，工作可靠、價(jià)格低廉，又可通過(guò)大電流，當(dāng)VX的最大輸入電壓較高時(shí)，E+及E-可以由數(shù)個(gè)串聯(lián)的二極管與電阻構(gòu)成，也可以由穩(wěn)壓管與電阻構(gòu)成。
上述D1及D2反向截止時(shí)對(duì)測(cè)量無(wú)影響的論述是指D1、D2的反向截止電流為零的理想狀況而言的，實(shí)際的器件并非如此，據(jù)實(shí)測(cè)，正向?qū)娏鳛閿?shù)安培的普通硅整流二極管，其反向截止電流在微安數(shù)量級(jí)，對(duì)于高準(zhǔn)確度的低阻測(cè)量其影響是不能忽略的，在本實(shí)用新型中鉗位二極管D1、D2由三極管的基極與集電極、發(fā)射極之間的PN結(jié)構(gòu)成，以NPN三極管為例，具體接法是基極為正極，集電極與發(fā)射極接在一起作為負(fù)極。據(jù)實(shí)測(cè)，三極管的基極與集電極、發(fā)射極之間PN結(jié)的反向截止電流，比相同電流等級(jí)的整流二極管的反向截止電流要小三個(gè)數(shù)量級(jí)，對(duì)低阻測(cè)量的影響完全可以忽略不計(jì)。此外，D1、D2也可以由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與漏極、源極之間的PN結(jié)構(gòu)成，實(shí)際使用效果也很好。
為了實(shí)現(xiàn)高靈敏度高分辨力的技術(shù)指標(biāo)，輸入放大器必須采用高精度、低噪聲、自穩(wěn)零的運(yùn)算放大器，但是采用現(xiàn)有技術(shù)的單個(gè)運(yùn)算放大器其技術(shù)性能總是有限的，尚不能滿(mǎn)足本實(shí)用新型提出的分力為0.01μΩ的技術(shù)指標(biāo)，這是因?yàn)楦鶕?jù)歐姆定律R＝U/I，當(dāng)I＝10A，R＝0.01μΩ，可以求得U＝0.1μV，也就是說(shuō)放大器的靈敏度與噪聲電壓水平必須優(yōu)于0.1μV，這是目前61/2位以上的數(shù)字電壓表通過(guò)復(fù)雜的組合電路才能達(dá)到的技術(shù)水平，用現(xiàn)有的單個(gè)運(yùn)算放大器是難以實(shí)現(xiàn)的。在本實(shí)用新型中低噪聲高靈敏度放大器由并行的多個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，運(yùn)算放大器的輸出端通過(guò)電阻并聯(lián)在一起，然后接到電容濾波C上作為放大器的輸出電壓。本電路降低噪聲的原理如下各個(gè)運(yùn)算放大器輸出的直流電壓在電容濾波C上是線性迭加的，放大器的輸出直電壓是各個(gè)輸出直流電壓的算術(shù)平均值，而各個(gè)運(yùn)算放大器輸出的噪聲信號(hào)是隨機(jī)發(fā)生的，放大器輸出的噪聲電壓是各運(yùn)算放大器輸出噪聲電壓的均方根值，舉例來(lái)說(shuō)某運(yùn)放的直流輸出電壓為VO，輸出噪聲電壓值為VN，信噪比為VO/VN，現(xiàn)用4個(gè)性能相同的該運(yùn)放組成放大器，輸出直流電壓為(VO+VO+VO+VO)/4＝VO，輸出噪聲電壓為(VN2+VN2+VN2+VN2)1/2/4＝VN/2，由此可見(jiàn)，采用4個(gè)運(yùn)放并聯(lián)輸出后，放大器輸出的直流電壓不變，而輸出噪聲電壓僅為單個(gè)運(yùn)放的1/2，信噪比也提高為單個(gè)運(yùn)放的2倍，通過(guò)數(shù)學(xué)運(yùn)算可以證明與單個(gè)運(yùn)放相比，本放大器降低噪聲、提高信噪比的倍數(shù)，等于放大器中運(yùn)放個(gè)數(shù)的平方根。出于元器件成本考慮，并聯(lián)運(yùn)性的運(yùn)放個(gè)數(shù)在2-16個(gè)之間，雖然性能提高的倍數(shù)有限，但對(duì)于運(yùn)行在器件性能極限狀態(tài)的放大器來(lái)說(shuō)，技術(shù)性能改善幾倍也是極其可貴的。
本實(shí)用新型的有益效果是，可以在數(shù)字式低阻表中實(shí)施國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的雙向電流測(cè)量操作，與傳統(tǒng)的雙臂電橋相比，本實(shí)用新型具有數(shù)字直讀、測(cè)量快速、操作簡(jiǎn)捷等優(yōu)點(diǎn)；與現(xiàn)有的數(shù)字式低阻表相比，本實(shí)用新型可以通過(guò)雙向電流測(cè)量抵消測(cè)量回路中熱電勢(shì)的影響，測(cè)量準(zhǔn)確度與穩(wěn)定性得以提高，輸入保護(hù)完善、有較高的可靠性，通過(guò)多個(gè)運(yùn)放的并聯(lián)運(yùn)行，降低了電路噪聲，提高了測(cè)量靈敏度與分辨力。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。


圖1是本實(shí)用新型的原理框圖。
圖2是本實(shí)用新型低噪聲高靈敏度放大器的一個(gè)實(shí)施例。
具體實(shí)施方式
在圖1中恒流源的I+與I-端輸出測(cè)量電流I，該電流通過(guò)電流換向器可以選擇正向電流測(cè)量或反向電流測(cè)量，回路中被測(cè)電阻與儀表內(nèi)部的標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)，測(cè)量電流I通過(guò)被測(cè)電阻RX產(chǎn)生電壓VX＝IRX，該電壓通過(guò)低噪聲高靈敏度伏放大器放大A倍后得到電壓VI，VI＝A*VX＝A*I*RX，送入41/2位A/D轉(zhuǎn)換器的信號(hào)電壓輸入端VIN+與VIN-之間，VI＝A*VX＝A*I*RX；電流I通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)電阻RS產(chǎn)生電壓VS＝IRS，該電壓放大B倍后得到電壓VR，VR＝B*VS＝B*I*RS，送入A/D轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓輸入端VREF+與VREF-之間，根據(jù)雙積分型A/D轉(zhuǎn)換器的工作原理，其數(shù)字量輸出D與模擬量輸入之間有以下關(guān)系D＝K*VI/VR＝RX*K*A/(B*RS)上式中K為模數(shù)轉(zhuǎn)換系數(shù)，A/D轉(zhuǎn)換器如采用ICL7135型，K＝10000；A/D轉(zhuǎn)換器如采用ICL7129型，K值有兩種選擇，普通靈敏度時(shí)K＝10000，高靈敏度時(shí)K＝100000，兩者的測(cè)量靈敏度相差十倍，可以按需要任意切換。
通過(guò)上述運(yùn)算與公式代換，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字量輸出D與被測(cè)電阻值RX之間的線性轉(zhuǎn)換，并消去了測(cè)量電流I，說(shuō)明采用圖1所示的數(shù)字比例式測(cè)量電路，在一定范圍內(nèi)可以任意改變測(cè)量電流而不影響測(cè)量結(jié)果，大大降低了對(duì)恒流源輸出電流值的精度要求，同時(shí)提高了儀表測(cè)量的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。當(dāng)然，本實(shí)用新型也可以采用目前數(shù)字式低阻標(biāo)通常采用的“恒流源——電壓表”式測(cè)量電路。
在圖2中放大器的放大倍數(shù)A取決與電阻R1與R2的數(shù)值，A＝R2(R1+R2)；運(yùn)算放大器應(yīng)選用高精度、低溫飄、低失調(diào)電壓、低噪聲的優(yōu)質(zhì)品種，如OP27、OP37、OPA227、LT1007、ICL7652等。
以本實(shí)用新型技術(shù)為核心制成的PC36A直流電阻測(cè)量?jī)x的基本參數(shù)為測(cè)量電流0.707mA-14.1A；測(cè)量范圍0.01μΩ-199.99Ω；準(zhǔn)確度等級(jí)0.05級(jí)。
權(quán)利要求1.一種數(shù)字式低阻表由恒流源、電流換向器、雙向鉗位輸入保護(hù)路、低噪聲高靈敏度放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、顯示器等構(gòu)成，其特征是恒流源輸出的測(cè)量電流通過(guò)電流換向器連接在C1與C2電流端，正向鉗位二極管D1的負(fù)極與正向電壓E+連接、正極與電位端P1連接；反向鉗位二極管D2的正極與反向電壓E-連接、負(fù)極與電位端P1連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式低阻表，其特征是E+及E-由二極管與電阻構(gòu)成，E+及E-的電壓數(shù)值為二極管的正向壓降。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式低阻表，其特征是E+及E-由穩(wěn)壓管與電阻構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式低阻表，其特征是鉗位二極管D1、D2由三極管的基極與集電極、發(fā)射極之間的PN結(jié)構(gòu)成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式低阻表，其特征是鉗位二極管D1、D2由結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管的柵極與漏極、源極之間的PN結(jié)構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的數(shù)字式低阻表，其特征是低噪聲高靈敏度放大器由并行的多個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，運(yùn)算放大器的輸出端通過(guò)電阻并聯(lián)在一起接在濾波電容C上。
專(zhuān)利摘要一種由恒流源、電流換向器、雙向鉗位輸入保護(hù)路、低噪聲高靈敏度放大器、A/D轉(zhuǎn)換器、顯示器等構(gòu)成的數(shù)字式低阻表，可以選擇正向電流測(cè)量或反向電流測(cè)量，消除了測(cè)量回路中熱電勢(shì)的影響，使測(cè)量結(jié)果更加準(zhǔn)確可靠；儀表的低噪聲高靈敏度放大器由并行運(yùn)行的多個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成，使儀表的最高分辨力達(dá)到了0.01μΩ。
文檔編號(hào)G01R27/02GK2819229SQ20052004298
公開(kāi)日2006年9月20日 申請(qǐng)日期2005年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月29日
發(fā)明者黃以安 申請(qǐng)人:上海遠(yuǎn)中電子儀器廠