一種高精度電阻測量儀系統(tǒng)設(shè)計

摘要：為了實現(xiàn)對電阻的精確測量，設(shè)計了一種高精度電阻測量儀系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用單片機作為控制核心，高精度恒壓源通過標準電阻產(chǎn)生高精度標準恒流源作用在待測電阻上，采用四端法測量待測電阻兩端電壓，使用低速高精度A／D讀取電壓值，實現(xiàn)電阻的低成本、高精度測量。該測試儀可自動變換測量檔位和顯示有效住數(shù)，量程范圍為3mΩ～3MΩ。實測結(jié)果表明，測試速度在15次／s時，測量精度達到0．5％，讀數(shù)跳動在3字以下。
關(guān)鍵詞：電阻測量；單片機；恒流源；四端法

0 引言
高精密電阻是眾多參考源的重要元件。高精密電阻測量的精度要求比較高，容易受環(huán)境噪聲、測量方法以及儀器本身精度和穩(wěn)定性的影響。在高精密電阻生產(chǎn)線上檢測電阻值時還要保證一定的測試速度和儀器自身的長期穩(wěn)定性。
本文在充分考慮上述因素的情況下，研究設(shè)計了一種高精密度電阻測量儀。該電阻測量儀的量程范圍為3 mΩ～3 MΩ，最大顯示30 000數(shù)，測試速度為15次／s，測量精度為0．5％，讀數(shù)跳動不大于3字。

1 測量原理
測量電路中總是存在接觸電阻和連線電阻，大小在10-2 Ω數(shù)量級。當待測電阻值在10-1Ω及以下時，普通二端測量法的接觸電阻和連線電阻將使測量結(jié)果不可信。因此，該系統(tǒng)采用四端法測量，以消除這種影響。
1．1 四端法測量原理
圖1所示為雙線測量等效電路。

圖中Rd1和Rd2為檢測探針與被測電阻之間的接觸電阻，該接觸電阻被加入到測量中產(chǎn)生測量誤差。被測電阻越小，這種相對誤差越大。加載的測試電流從探針經(jīng)過接觸電阻流向待測電阻R，電壓表測量電壓并計算出相應的電阻值。由于接觸電阻相對于電流源內(nèi)阻數(shù)值很小，對測試電流I的影響可以忽略。但是測試電流I在接觸電阻上產(chǎn)生一個較小卻很明顯的電壓降，因此電壓表測得的電壓Vm不是恰好等于待測電阻R兩端的實際電壓VR，從而產(chǎn)生較大的誤差。

接觸電阻Rd1，Rd2的大小一般在10～100 mΩ的范圍內(nèi)，與導體表面氧化程度、接觸面積有關(guān)，且不可預測。假設(shè)Rd1=Rd2=10 mΩ，待測電阻R=3 mΩ，則η=666．7％，顯然采用雙線測量方法很難獲得準確的結(jié)果。
四端法等效電路如圖2所示。

圖中：Rd1，Rd2為驅(qū)動探針與被測電阻之間的接觸電阻；Rc1，Rc2為檢測探針和被測電阻之間的接觸電阻。測試電流I通過驅(qū)動探針加載到被測電阻R上；設(shè)通過檢測探針測得R上的電壓為Vm，R兩端實際電壓為VR，Rc1，Rc2兩端電壓分別為VRc1，VRc2，則電壓關(guān)系如式(4)所示：

由此可見，四端法測量電阻有效提高了電阻測量儀的精確度。