一種高精度電阻測量?jì)x系統設計

摘要：為了實(shí)現對電阻的精確測量，設計了一種高精度電阻測量?jì)x系統。該系統使用單片機作為控制核心，高精度恒壓源通過(guò)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(shí)現電阻的低成本、高精度測量。該測試儀可自動(dòng)變換測量檔位和顯示有效住數，量程范圍為3mΩ～3MΩ。實(shí)測結果表明，測試速度在15次／s時(shí)，測量精度達到0．5％，讀數跳動(dòng)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定性的影響。在高精密電阻生產(chǎn)線(xiàn)上檢測電阻值時(shí)還要保證一定的測試速度和儀器自身的長(cháng)期穩定性。
本文在充分考慮上述因素的情況下，研究設計了一種高精密度電阻測量?jì)x。該電阻測量?jì)x的量程范圍為3 mΩ～3 MΩ，最大顯示30 000數，測試速度為15次／s，測量精度為0．5％，讀數跳動(dòng)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(xiàn)電阻，大小在10-2 Ω數量級。當待測電阻值在10-1Ω及以下時(shí)，普通二端測量法的接觸電阻和連線(xiàn)電阻將使測量結果不可信。因此，該系統采用四端法測量，以消除這種影響。
1．1 四端法測量原理
圖1所示為雙線(xiàn)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(guò)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阻數值很小，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(gè)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(shí)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，與導體表面氧化程度、接觸面積有關(guān)，且不可預測。假設Rd1=Rd2=10 mΩ，待測電阻R=3 mΩ，則η=666．7％，顯然采用雙線(xiàn)測量方法很難獲得準確的結果。
四端法等效電路如圖2所示。

圖中：Rd1，Rd2為驅動(dòng)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(guò)驅動(dòng)探針加載到被測電阻R上；設通過(guò)檢測探針測得R上的電壓為Vm，R兩端實(shí)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(jiàn)，四端法測量電阻有效提高了電阻測量?jì)x的精確度。