使用C8051F005單片機(jī)的小電阻測(cè)試儀設(shè)計(jì)

在電路測(cè)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(yàn)數(shù)據(jù)與理論值之間存在較大誤差，從而影響測(cè)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(shù)值較小，一般的指針萬(wàn)用表無(wú)法測(cè)量出來(lái)；通常實(shí)驗(yàn)室里會(huì)用電橋進(jìn)行測(cè)量，但電橋操作手續(xù)較煩，又不能直接讀出被測(cè)電阻阻值。鑒于此，我們采用了單片機(jī)，利用單片機(jī)的優(yōu)勢(shì)設(shè)計(jì)了該測(cè)量?jī)x。該測(cè)量?jī)x可直接從LCD顯示屏上讀出所測(cè)得的電阻值，測(cè)量范圍為10μΩ～2.9999kΩ，同時(shí)可以把測(cè)試的數(shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存，然后經(jīng)串行口送入上位機(jī)，通過(guò)上位機(jī)的強(qiáng)大功能，可以對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理。該測(cè)試儀的測(cè)量精度高達(dá)±0.1%，并采用四端測(cè)量法，電阻值不受引線長(zhǎng)短及接觸電阻的影響。不僅測(cè)量簡(jiǎn)便，讀數(shù)直觀，且測(cè)量精度、分辨率也高于一般電橋?？捎糜趯?shí)驗(yàn)室、研究所，尤其適用于工作現(xiàn)場(chǎng)。

　　2、測(cè)試原理

　　如上圖本機(jī)的基本原理是采用在被測(cè)電阻上通過(guò)已知的恒定電流,取出被測(cè)電阻上的壓降，經(jīng)放大器放大轉(zhuǎn)換為0～3V直流電壓，然后送入C8051F005A/D轉(zhuǎn)換的輸入端，經(jīng)單片機(jī)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(xiàn)對(duì)微小電阻的測(cè)量，所以要求放大器的分辨率高(高潮達(dá)10μV)，線性度好，輸入阻抗高，并要求漂移低、抑制噪聲和抗干擾能力強(qiáng)，為此我們?cè)O(shè)計(jì)了如圖2中信號(hào)處理電路所示的差動(dòng)放大器。此放大器由運(yùn)放A1、A2組成第一級(jí)差分式電路，A3組成第二級(jí)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(fù)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(qiáng)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(jí)隔離。分析此電路可得下列方程。

　　當(dāng)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(cè)電阻RX成正比。放大器的倍數(shù)由R3、R4、RW而定，由于A/D轉(zhuǎn)換器的輸入電壓為0～3V，本儀器設(shè)置放大器的放大倍數(shù)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(wěn)定性，除上述電路本身優(yōu)點(diǎn)外，集成運(yùn)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(shù)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(cè)試時(shí)被測(cè)電阻與測(cè)試儀器間采用四端接線法，恒流源電流經(jīng)IN1輸入從IN2輸出，測(cè)量時(shí)用四根專(zhuān)用導(dǎo)線與被測(cè)電阻Rx連接，當(dāng)被測(cè)電阻較小時(shí)，為了避免導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響，四根連接導(dǎo)線要做到特性一致、阻抗相同，這樣就可以消除導(dǎo)線電阻和接觸電阻的影響。

　　3、小電阻測(cè)試儀的硬件設(shè)計(jì)

　　該儀器的核心部分是能夠?qū)崿F(xiàn)各種功能的電路板，它采用了CYGNAL公司的C8051Fxxx型單片機(jī)C8051F005。該系統(tǒng)主要包括電源電路、信號(hào)采集電路、信號(hào)放大電路、液晶驅(qū)動(dòng)及顯示電路、串行通訊電路、系統(tǒng)復(fù)位電路和C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)電路（包括模數(shù)轉(zhuǎn)換電路）。系統(tǒng)各部分的詳細(xì)電路如圖2所示。

　　3.1、C8051F005單片機(jī)系統(tǒng)電路

　　本系統(tǒng)使用的是C8051F005，它具有如下特點(diǎn)：

　　片內(nèi)有多達(dá)60KB的Flash ROM和2KB RAM，用戶無(wú)需再外擴(kuò)存儲(chǔ)器；

　　一個(gè)12位的A/D轉(zhuǎn)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(xiàn)電壓比較或基準(zhǔn)電壓的輸出。

　　ADC12是12位精度的A/D轉(zhuǎn)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(hào)采樣通道和4個(gè)內(nèi)部通道。由差動(dòng)放大器輸出的信號(hào)由通道0輸入單片機(jī)，A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘、轉(zhuǎn)換模式和參考電壓源都可以由用戶用軟件設(shè)置。
由于該單片機(jī)內(nèi)部集成了眾多的外圍模塊，不但使電路的設(shè)計(jì)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(yù)留一個(gè)JTAG接口，再配以一個(gè)普通的PC機(jī)，就可以很方便地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)軟件的調(diào)試。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2、系統(tǒng)詳細(xì)電路圖