歐姆表設(shè)計制作

2023-03-11 12:16 作者:硬木課堂 0人讀過 | 我要投稿

背景知識：測量電阻使用的就是最基礎(chǔ)的歐姆定律，R=U/I。常用的手持萬用表里歐姆檔使用電流源給電阻提供電流I，然后內(nèi)部測量電壓U來計算R。

????????為什么不用電壓源給電阻提供電壓，然后測量電流呢？這是因為測量電阻時要分檔的緣故。假設(shè)使用電壓源，則每個量程檔位有不同的電壓Un。當用戶撥錯檔位，這時I=Un/R會出現(xiàn)電流過大現(xiàn)象。由于電壓源的內(nèi)阻，Un電壓就會降低，影響測試精度。并且損耗電池電量。更嚴重會損壞電路。

????????使用電流源時，也會根據(jù)不同檔位給電流In，當用戶撥錯檔，這時U=In*R會產(chǎn)生過小或者過大的電壓。過小電壓則用戶會通過觀察結(jié)果來換正確的檔。過大電壓的最大值受限于電路供電電壓，并不會損壞電路，結(jié)果會顯示超過量程。所以歐姆表都會使用電流源來測量電阻。

關(guān)鍵字：歐姆表，電流源，howland電流源，比較器，過壓關(guān)斷

設(shè)計方案：

????????先回顧一下高中電學中的歐姆表，這也是數(shù)字表出現(xiàn)之前最常用的。

????????使用電阻網(wǎng)絡(luò)，電池，電流表頭來實現(xiàn)。受限于電阻網(wǎng)絡(luò)的特性，表頭的指針移動隨電阻變化不是均勻的?？梢钥吹娇潭缺PΩ一行的刻度，不均勻。這種方法需要用多個標準電阻在刻度盤上校準刻度。

????????再來看看大學的方法。運用模電里的運放跟隨器，運放電流源，正向放大器。來設(shè)計歐姆表，輕松實現(xiàn)測量精度和顯示的均勻。

????????本文使用電壓表頭來替代ADC加單片機。適合沒有單片機基礎(chǔ)的讀者。

電壓表頭和ADC的相通之處。

????????第一，??? 量程范圍。本文使用的電壓表頭測量0-5V的電壓。ADC根據(jù)REF電壓不同，有0-3.3V，0-5V，0-1.8V多種。待測電壓不能超量程。

????????第二，??? 分辨率。ADC的數(shù)據(jù)寬度代表它的分辨率。計算公式為 LSB= Fscale/ 2^N。對于5V滿量程的8bits ADC，則 LSB= 5V / 2^8=19.5mV

????????本文電壓表0-5V有50個刻度，按人眼還能分辨1/2刻度來算，共計100個。LSB= 5V /100=50mV. 相當于2^6 <100<2^7，介于6bits和7bits ADC之間。

整體原理圖（使用了3片 TL082芯片）

整體電路實物

設(shè)計步驟：

分檔個數(shù)的確定

????????分檔數(shù)量跟總量程，檔內(nèi)最大量程，檔內(nèi)最高精度，檔內(nèi)最低精度有關(guān)。萬用表ADC數(shù)據(jù)的最大值稱為萬用表讀數(shù)。以讀數(shù)為2000的表為例來講解分檔。

????????最大量程20M，讀數(shù)2000，檔內(nèi)最高精度 1/2000，檔內(nèi)最低精度 1/200 。計算表格如下

例如：在200K檔測量20K電阻時，精度是1/200，測量10K電阻時精度是 100Ω / 10KΩ = 1/100. 要換到20K檔才能達到精度要求。

????????從表格中可以看出，第N檔和第N-1檔的關(guān)系

（N-1）max = Nmax * 最高精度 / 最低精度

????????本文中使用的電壓表頭相當于100讀數(shù)。設(shè)計最大量程5KΩ，檔內(nèi)最高精度1/100，檔內(nèi)最低精度1/10.計算表格如下

注：最大量程5K，簡化了實驗電路設(shè)計。不必分太多檔。

每檔電流值和后級增益確定

????????分檔數(shù)量確定下來后，本節(jié)分析每檔需要的電流值以及最后一級的固定增益。電壓表頭是0-5V，每檔的電流源提供電流In，則關(guān)系式：

????????檔內(nèi)最大量程 * In * 固定增益 = 5V

注：增益減小，則電流增大，過大的電流會產(chǎn)生熱量并且受限于器件。

分檔電路設(shè)計

????????穩(wěn)壓管產(chǎn)生一個參考電壓，然后用電阻分壓。三選一的開關(guān)選擇每個檔位的電壓，經(jīng)運放跟隨器產(chǎn)生低輸出阻抗的控制電壓。用于控制電流源電流。注意要使用偏置電流小的運放，TL082 FET輸入型。

電流源設(shè)計

????????幾個近似前提：A點和B點流入運放的電流可以忽略。D點經(jīng)運放隔離后，R4的電流不被R6分流，全部流入待測電阻R。電路分析如下

???????????????????????????????????UA= UC * R1/（R1+R2）

???????????????????????????????????UB= （UD-Vref）* R5/（R5+R6）+Vref

????????運放虛短路可以近似 UA = UB 則

????????????UC * R1/（R1+R2）= （UD-Vref）* R5/（R5+R6）+Vref

????????當R1 R2 R5 R6都是相同阻值時，簡化為

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? UC * 0.5 = （UD-Vref）* 0.5+Vref

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? UC = （UD-Vref）+2*Vref

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? UC = UD+Vref

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? UC-UD = Vref

????????R4中的電流 I

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? I = （UC-UD）/R4 = Vref / R4

????????電流源受Vref來控制。選擇R4=100Ω，則 1V產(chǎn)生10mA電流。也就是Vref控制的恒流源。

????????需要注意的是，UC受電源和三極管T1的飽和電壓限制。待測電阻R過大，則UC被限制在電源電壓以下，此時電流源進入非線性區(qū)域，電流不再恒定受控于Vref。

????????將前面的分檔表格做一下檢查，UC電壓沒有受限，電路正常。

????????高精度電阻的使用。當R1 R2 R5 R6都是相同阻值時，才能簡化為I=Vref / R4。所以要對R1 R2 R5 R6使用高精度電阻。沒有高精度電阻時，可以對多個1%電阻篩選，選出阻值接近的。使用硬木課堂萬用表來篩選，電阻可插在面包板上，避免手觸摸影響電阻值。

????????檢流電阻R4的選擇。R4在分子上，R4選擇小電阻則會把R1 R2 R5 R6電阻不完全相等造成的誤差放大。所以在電路允許的情況下，選擇大一點的R4，可以降低R1 R2 R5 R6的電阻誤差帶來的影響。

?

過壓關(guān)斷設(shè)計

????????當用戶將測試電阻R拔下來，更換下一個待測電阻時。這時相當于出現(xiàn)了R∞，UC就會接近電源電壓，Vout也會出現(xiàn)較高電壓。Vout是經(jīng)過后級正向放大器后給電壓表頭，電壓表頭的指針會突然甩到最大偏移（對應(yīng)ADC就是超出ADC量程，被鉗位）。要設(shè)計用戶拔下待測電阻R時，指針指零。這樣就需要一個過壓關(guān)斷電路，Vout過壓時關(guān)閉電壓表頭。

????????運放作為比較器使用，R10和R11分壓得到6V，input過壓時，比較器輸出為負，T2三極管截止，電壓表頭的負極跟GND斷開。電壓表頭被關(guān)閉。沒有過壓時，比較器輸出正，T2飽和。電壓表頭的工作電流1mA，T2的飽和電壓可以低到10幾個mV，不影響。

聯(lián)調(diào)電路

1.??? 調(diào)節(jié)分檔里的三個控制電壓。2000mV，200mV和20mV。

開啟電源給電路供電

測試穩(wěn)壓管電壓，接近6.2V正常

????????調(diào)節(jié)P1 P2 P3三個電位器，在運放跟隨的輸出測試電壓。調(diào)節(jié)到2V 200mV 20mV。這三個電壓在跟電流源時還要細調(diào)，這里先設(shè)置一個初始值。

2.??? 電流源調(diào)零

????????先將穩(wěn)壓管上端用跳線接地。這樣控制電壓為零。再將SW3開關(guān)閉合，小電流檔對零偏更為敏感。然后使用S1提供直流來進行調(diào)零。需要注意的是由于S1有50歐內(nèi)阻，所以需要用運放跟隨一下，這樣50Ω內(nèi)阻不會并入R1，不影響電流源精度。最后用硬木課堂的萬用表電流口接入待測電阻位置。COM接 GND，mA接電路D點。選擇S1輸出直流，調(diào)節(jié)S1的直流，觀察電流表，電流接近零時調(diào)零完畢。（用電位器來分壓調(diào)零很難擰到所需電壓）

3.??? 細調(diào)電流源20mA，2mA和200uA

????????閉合SW3，也就是5KΩ檔開關(guān)。在待測電阻位置接入5K電阻并串聯(lián)電流表。調(diào)節(jié)P3，使電流到達200uA。

????????閉合SW2，也就是500Ω檔開關(guān)。在待測電阻位置接入500Ω電阻并串聯(lián)電流表。調(diào)節(jié)P2，使電流到達2mA。

????????閉合SW1，也就是50Ω檔開關(guān)。在待測電阻位置接入50Ω電阻并串聯(lián)電流表。調(diào)節(jié)P1，使電流到達20mA。

4.??? 調(diào)節(jié)固定增益

????????閉合SW1，也就是50Ω檔，待測電阻位置插50歐。（注意電流表不要接入，電流表有內(nèi)阻）將正向放大器接入D點。電壓表頭接放大器輸出。先不接過壓關(guān)斷電路。調(diào)節(jié)P4電位器，使指針指到5。也就是50Ω對應(yīng)表頭滿量程。固定增益調(diào)節(jié)完畢。5KΩ和500Ω檔使用同樣的固定增益，不用再調(diào)節(jié)。