使用C8051F005單片機的小電阻測試儀設計

在電路測試過(guò)程中常常會(huì )碰到由于忽略某些小電阻的影響引起實(shí)驗數據與理論值之間存在較大誤差，從而影響測試效果。例如電感器、變壓器中往往存在銅電阻，地鐵鐵軌的電阻；由于其數值較小，一般的指針萬(wàn)用表無(wú)法測量出來(lái)；通常實(shí)驗室里會(huì )用電橋進(jìn)行測量，但電橋操作手續較煩，又不能直接讀出被測電阻阻值。鑒于此，我們采用了單片機，利用單片機的優(yōu)勢設計了該測量?jì)x。該測量?jì)x可直接從LCD顯示屏上讀出所測得的電阻值，測量范圍為10μΩ～2.9999kΩ，同時(shí)可以把測試的數據進(jìn)行儲存，然后經(jīng)串行口送入上位機，通過(guò)上位機的強大功能，可以對所測得的數據進(jìn)行分析、處理。該測試儀的測量精度高達±0.1%，并采用四端測量法，電阻值不受引線(xiàn)長(cháng)短及接觸電阻的影響。不僅測量簡(jiǎn)便，讀數直觀(guān)，且測量精度、分辨率也高于一般電橋?？捎糜趯?shí)驗室、研究所，尤其適用于工作現場(chǎng)。

　　2、測試原理

　　如上圖本機的基本原理是采用在被測電阻上通過(guò)已知的恒定電流,取出被測電阻上的壓降，經(jīng)放大器放大轉換為0～3V直流電壓，然后送入C8051F005A/D轉換的輸入端，經(jīng)單片機處理，最后經(jīng)過(guò)液晶顯示器直接顯示電阻阻值。

　　由于要實(shí)現對微小電阻的測量，所以要求放大器的分辨率高(高潮達10μV)，線(xiàn)性度好，輸入阻抗高，并要求漂移低、抑制噪聲和抗干擾能力強，為此我們設計了如圖2中信號處理電路所示的差動(dòng)放大器。此放大器由運放A1、A2組成第一級差分式電路，A3組成第二級差分式電路，R3、R4、RW組成反饋網(wǎng)絡(luò ),引入了深度電壓串聯(lián)負反饋，故有較高的輸入阻抗，且A1、A2都選同相端作為輸入端，則它們的共模輸出電壓和漂移電壓也都相等，再經(jīng)過(guò)A3組成的差分式電路，可以互相抵消，故它有很強的共模抑制能力和較小的輸出漂移電壓；A4是電壓反向跟隨器，其作用是使前后級隔離。分析此電路可得下列方程。

　　當R5= R7、R6= R8時(shí)，上述方程化簡(jiǎn)可得：

　　從(3)式知輸出電壓U4與被測電阻RX成正比。放大器的倍數由R3、R4、RW而定，由于A(yíng)/D轉換器的輸入電壓為0～3V，本儀器設置放大器的放大倍數為10倍，在U4端得到0～3V的直流電壓。為了保證放大器的分辨率和穩定性，除上述電路本身優(yōu)點(diǎn)外，集成運放A1、A2、A3選用了高精度、低噪聲、低漂移的max495，反饋支路的電阻均選用高精度、低溫度系數的精密電阻，此外還采取了一些屏蔽措施有效地抑制了噪聲和干擾。測試時(shí)被測電阻與測試儀器間采用四端接線(xiàn)法，恒流源電流經(jīng)IN1輸入從IN2輸出，測量時(shí)用四根專(zhuān)用導線(xiàn)與被測電阻Rx連接，當被測電阻較小時(shí)，為了避免導線(xiàn)電阻和接觸電阻的影響，四根連接導線(xiàn)要做到特性一致、阻抗相同，這樣就可以消除導線(xiàn)電阻和接觸電阻的影響。

　　3、小電阻測試儀的硬件設計

　　該儀器的核心部分是能夠實(shí)現各種功能的電路板，它采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型單片機C8051F005。該系統主要包括電源電路、信號采集電路、信號放大電路、液晶驅動(dòng)及顯示電路、串行通訊電路、系統復位電路和C8051F005單片機系統電路（包括模數轉換電路）。系統各部分的詳細電路如圖2所示。

　　3.1、C8051F005單片機系統電路

　　本系統使用的是C8051F005，它具有如下特點(diǎn)：

　　片內有多達60KB的Flash ROM和2KB RAM，用戶(hù)無(wú)需再外擴存儲器；

　　一個(gè)12位的A/D轉換器ADC12，自帶采樣保持功能；

　　兩通道串行通訊接口，可用于異步或同步模式；

　　一個(gè)模擬比較器，可實(shí)現電壓比較或基準電壓的輸出。

　　ADC12是12位精度的A/D轉換模塊，帶有采樣保持功能，具有高速、通用的特點(diǎn)。它有8個(gè)外部信號采樣通道和4個(gè)內部通道。由差動(dòng)放大器輸出的信號由通道0輸入單片機，A/D轉換的時(shí)鐘、轉換模式和參考電壓源都可以由用戶(hù)用軟件設置。
由于該單片機內部集成了眾多的外圍模塊，不但使電路的設計變得簡(jiǎn)單，還可以大大縮小電路板的尺寸。另外，在電路板上預留一個(gè)JTAG接口，再配以一個(gè)普通的PC機，就可以很方便地實(shí)現系統軟件的調試。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2、系統詳細電路圖