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1、山东理工大学毕业设计（论文） 题目：小电阻精确测量系统设计学 院：电气与电子工程学院专业：电子信息工程学生姓名：丰坤指导教师：宋德杰毕业设计（论文）时间：二年三月一日六月二十日共十六周摘要在电路测试过程中常常会碰到由于忽略某些小电阻的影响引起实验数据与理论值之间存在 较大误差的情况，从而影响测试效果。例如电感器、变压器中往往存在铜电阻，地铁铁轨的 电阻，扬声器连接线的电阻，过电流保护电路中的检测电阻等。所以测量这些小电阻是电子 测量中的一个常见课题。由于小电阻数值较小，一般的指针万用表无法测量出来；通常实验室里会用电桥进行测量， 但电桥操作手续较烦，又不能直接读出被测电阻阻值。鉴于此，我们采用
2、了 MSP430F149 单片机作为控制核心，利用单片机的优势设计了该测量系统。该测量系统可直接从LED数 码管上读出所测得的电阻值，测量范围从几mQ到1Q之间，同时可以把测试的数据进行储 存，然后经串行口送入上位机，通过上位机的强大功能，可以对所测得的数据进行分析、处 理。该测试仪的测量精度高达土 0.05%，并采用四端测量法，电阻值不受引线长短及接触电 阻的影响。不仅测量简便，读数直观，且测量精度、分辨率也高于一般电桥。可用于实验室、 研究所，尤其适用于工作现场。关键词：四端测量法，小电阻，恒流源，MSP430系列单片机AbstractIn the circuit the testing
3、process often encountered little resistance as the impact of neglect caused by some experimental data with large error between the theoretical value, and thereby affect the te sting results. For example, inductors, transformers, there is often copper resistance, the resistance of the MTR tracks, the
4、 speaker cables resistance, over-current protection circuit in the detection of resistance and so on. Therefore, measuring the small resistance is a common electronic measurem ent topic. As the low resistance value smaller pointer multimeter to measure the general out; usuall y will power the labora
5、tory to measure the bridge, but bridge over trouble operating procedures, ca n not directly read the measured resistances. In view of this, we use a MSP430F149 microcontroller as the control, using of the advantages of single chip design of the measurement system. The m easuring system can control d
6、irectly from the LED digital read out the measured resistance value, measuringrange from a few mQbetweenlQ , while the test data can be stored, and then into the PC via serial port, through the PCs power, c an be measured by the analysis of the data, processing. The testers measurement accuracy up t
7、o 土 0.05%, and the use of four-terminal measurement, the resistance from lead length and contact r esistance. Measured not only simple, intuitive readings, and measurement accuracy, resolution is a lso higher than the bridge. It can be used in laboratories, research institutes, especially suitable f
8、or the work site.Keywords: Four-terminal measurement, Little resistance; MSP430 MCU, Constant current source引言1.1前述小电阻在各种电器设备中随处可见，像电力电缆、通讯电缆、断路器、继电器、电机和变压 器等设备的接触电阻，通常为毫欧姆数量级。这些电阻阻值较小，本身就不易测量，另外， 温度的变化也会影响电阻的阻值，当测量时间过长、电源供电太久都有可能造成所测的电阻 值随着温度的增加而偏高，这些情况在实际应用中都有可能造成很大的偏差，从而影响实验 结果。所以微小电阻的测量是电子测量中的一个
9、常见课题，有时具有十分重要的意义。在本 设计中采用四端测量法有效地减少了测试线引线电阻和接触电阻的影响，同时采用高精度、 低噪声的测量放大器和自带12位模数转换器的单片机系统，有效地减少了测量误差，提高 了测量精度。1.2小电阻测量技术的发展近年来国内外多依靠使用超高精度、超高速的精密恒流源和精密放大器来提高改善测量系统 的功能。小电阻测量技术的发展状况如下：日本学者Isao Minowa提出用超导量子器件测量微小电阻，H. Aichi提出利用电解槽法测量 微小电阻，波兰学者Jerzy Kaczmarek提出用三次谐波法测量微小电阻。这些方法一般是在 实验室条件下进行研究所采用的方法。在实际工
10、程应用中，比较传统的方法是采用直流双臂电桥法来测量回路的电阻。但是，当采 用双臂电桥进行导电回路的电阻的测量时，由于双臂电桥回路通过的是只有几个安培的微弱 电流，对设备要求很高。而在大电流或正常电流通过时，会使过渡发热而产生温升。对此， GB763-90, DL405-91等标准规定：测试采用直流电压降法时，通入的电流应尽量大些。小电阻智能化测试仪近些年发展比较快。国内己有许多家公司开发出各类产品。例如一些公 司生产的微欧仪，要求具有较大的电流恒流源。采用高频开关电源和大电流变压器实现大电 流的恒流效果。但这些测试仪测试电流较大，测试时间长，因此对被测电阻有温升的影响， 降低测量的精度。而且这
11、些测量仪器一般体积和重量都较大，现场携带不方便,其成本也相对较高。 河北工业大学的李奎等人提出了脉冲电流（矩形脉冲，宽度为300us，幅值可达100A）测 量微小电阻的原理，采用了较大脉冲电流测量微小电阻，提高了测量精度。河北工大电器研 究所的刘帼巾等人也提出了采用脉冲大电流测量微小电阻，使用的也是方波脉冲，并且同时 提出该方法只是针对测体为无感性和无容性的纯电阻元件。通过对回路微小电阻理论和测试方法的分析和研究，总结出微小电阻测试仪发展的趋势有如 下三点：（1）微型化，即体积和重量都很小，以便于携带。（2）精确化、稳定化，由于接触电 阻很小，因此测量的精度和稳定度显得尤为重要。（3）智能化，
12、测量范围可选择、电流和测 试电阻可用LED显示、可与计算机接口。第一章方案的分析与论证通常我们所涉及的微小电阻主要为接线电阻和接触电阻。所谓接触电阻是指两个接触元件在 接触部位产生的电阻。影响接触电阻的主要因素有两个方面：膜电阻和收缩电阻，而膜电阻 和收缩电阻又分别受材料内部温度、材料的电阻率、材料的弹塑形性能、表面化学性能及接 触压力等诸多因素的影响。我们可用细纱布仔细打磨材料到出现光泽且随后立即测量，所以 对于影响膜电阻的诸多因素我们不予考虑，也就是认为在打磨后，表面膜将彻底被破坏，从 而使膜电阻的影响为零。但不管接触表面如何光滑，从微观上看总是凹凸不平的。因此，当 两个元件接触时，实际的
13、接触面积要比理论接触面积小，当有电流由一个元件流向另一个元 件时，在接触点或接触面处，电流都将受到约束，产生障碍。我们发现，接触电阻的影响是 客观存在的，特别是在精密测量中影响很大。通过理论分析与实验验证知道接触压力是影响 接触电阻的最重要因素，所以我们完全可以采取一定的措施减小它的影响。在传统的电阻测量方法中，双臂电桥法是比较经典的一种。直流双臂电桥又称凯尔文电桥， 主要用于测量低值电阻。由于电源回路使用的一些电阻和待测电阻的阻值比较小，电路容易 发热，会使电路中电阻值增大，造成测量值变化不定。因此，在实际测量低阻时，需要尽量 缩短实验操作的时间。双臂电桥法测电阻的特点是能消除接线电阻及接触
14、电阻所造成的误 差，大大减小接触电阻的影响，提高了测量的精度。但由于测量回路通过的是只有几个安培 的微弱电流，难以消除电阻较大的氧化膜，测出的电阻值偏大。由于本系统要实现对毫欧级的小电阻的测量，同时精度要达到0.05%,能够消除引线对测量 数值的影响，所以在设计本系统时必须要有以下四个关键技术：精密恒流源、高性能测量放 大器、高精度A D转换器和四端测量法。A/D转换器的位数决定了电压的分辨率。MSP430F149单片机自带ADC12器件，该器件可 将模拟信号转化为12位的数字信号，精度可达到万分之一，采样速度完全能够满足采样转 换的要求，同时省去元件的数目并降低系统成本，简单好用，这也是选择
15、该款单片机的原因 之一。该ADC12提供四种转换模式：单通道单次转换，序列通道单次转换，单通道多次转 换，序列通道多次转换。考虑到系统只有一路采集，故本系统采用单通道单次转换，即程序每次对An通道进行单次 转换，A/D转换结束后产生中断处理，将数据保存后开始新一轮转换。要消除引线对测量数值的影响，可采用四端测量法。所谓的四端测量法是将恒流源电流流入 被测电阻Rx的两根电流线和电压测量端的两根电压线分离开，使得电压测量端的电压不再 是恒流源两端的直接电压clRaRbPlBgi-i e做圜去如图1-1, a、b之间为被测电阻的实际值，cl、c2为电流端，pl、p2为电压端，采用了这 种四端接线法可
16、以有效的消除接触电阻与连线电阻的影响，由于电压测量端与恒流源端断 开，恒流源与被测电阻Rx、馈线cl、c2构成一个回路。送至电压测量端的电压只有Rx两 端的电压，馈线cl、c2电压没有送至电压测量端。因此，馈线电阻R1和R2对测量结果没 有影响。馈线电阻Ra和Rb对测量有影响，但影响很小，由于测试回路的输入阻抗（MQ 级）远大于馈线电阻（Q级），所以四端测量法测量小电阻的准确度很高。第二章硬件电路的设计2.1总体设计本系统以TI公司生产的MSP430F149单片机为控制核心.在被测电阻Rx上通过已知恒定 电流，取出被测电阻上的压降，经放大器放大转换为0V3V的直流电压，然后送入单片机 自带的ADC12进行A/D转换，经单片机后通过LED数码管显示被测电阻阻值。该系统通 过串口可与PC机通信，借助PC机强大的数据处理能力对其所测得的数据进行处理，完成 所得数据的分析功能。本次设计从电阻的精确测量和智
