CN204314388U - 一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，包括高精度可调恒流源模块、档位控制模块、仪表放大器模块、模拟/数字转换模块、处理模块、显示模块和矩阵键盘模块；其中，所述档位控制模块、仪表放大器模块、模拟/数字转换模块依次顺序连接，档位控制模块、模拟/数字转换模块、显示模块、矩阵键盘模块分别与处理模块连接，档位控制模块、高精度可调恒流源模块分别与外部待测电阻连接。本实用新型结构简单，携带方便，电阻测量相对误差小于0.05%，成本低，实用性强。

Description

一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪

技术领域

本实用新型涉及高精度仪器仪表领域，特别是一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪。

背景技术

高精度电阻测量仪器在高精度电阻测量中有着极其重要的作用，是电子产品质量检验的重要手段之一。因此在新产品开发、电子仪器的维修和产品质量检验等领域均有重要的现实意义。现实情况下，高精度电阻的测量容易受到环境噪声、测量方法以及仪器本身稳定性的影响，这些因素是在设计高精度电阻测量仪中必须所要考虑的。

目前高精度电阻测量仪器大多基于电桥法测量电阻，即将电阻接入电桥中，通过改变可变电阻阻值的大小使得电桥中无电流流过。仪器中可变电阻值的改变必须均匀，且最小改变量将直接影响电阻测量的精度，可变电阻阻值改变范围将直接影响电阻测量的范围。为了打到电阻测量范围大、测量精度高的目的，这种基于电桥法的电阻测量仪器中可变电阻需要精心设计，往往需要定做。而基于电桥法的改进电桥，华沙夫斯基电桥、三次平衡电桥、开尔文双电桥、双臂电桥等电桥更加复杂。因此这种电桥法电阻测量仪成本非常高、体积巨大、携带不方便且操作繁琐。此外，还有一些基于比较法、替代法、四线电阻测量法的电阻测量仪器，但是这些方法都不能达到电阻的高精度测量。市场上，精度可达到0.05%的纯电阻测量仪器非常少见，而且常带有测量电容、电感等功能，价格高昂。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足而提供一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，本实用新型的电阻测量精度高、结构简单、携带方便、成本低且实用性强。

本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：

根据本实用新型提出的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，包括高精度可调恒流源模块、档位控制模块、仪表放大器模块、模拟/数字转换模块、处理模块、显示模块和矩阵键盘模块；其中，

所述档位控制模块、仪表放大器模块、模拟/数字转换模块依次顺序连接，档位控制模块、模拟/数字转换模块、显示模块、矩阵键盘模块分别与处理模块连接，档位控制模块、高精度可调恒流源模块分别与外部待测电阻连接。

作为本实用新型所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪进一步优化的方案，所述处理模块为单片机。

作为本实用新型所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪进一步优化的方案，所述单片机为MSP430F5529单片机。

作为本实用新型所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪进一步优化的方案，所述高精度可调恒流源模块为高精度运算放大器OPA376芯片。

作为本实用新型所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪进一步优化的方案，所述仪表放大器模块为INA826高精密仪表放大芯片。

作为本实用新型所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪进一步优化的方案，所述模拟/数字转换模块为ADS1118模拟/数字电压转换芯片。

作为本实用新型所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪进一步优化的方案，所述矩阵键盘模块采用立式4脚轻触开关。

作为本实用新型所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪进一步优化的方案，所述显示模块为LCD_ILI9325显示器。

本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

（1）本实用新型利用价格相对低廉的高精密芯片来实现0.05%精度的电阻测量，而且附带电阻筛选功能；高精度运算放大器芯片OPA376、高精密仪表放大芯片INA826和16位模拟/数字电压转换芯片ADS1118是程控高精度电阻测量仪达到0.05%测量精度的基础，档位之间使用了滑动变阻器进行电压微调，从而实现档位间的匹配；

（2）由于采用16位模拟/数字电压转换芯片ADS1118，参考电压程控设置为4.096V，分辨率为16位即65535，此条件下对应的电压分辨率△V=4.096V/65535=62.5uV，高精度可调恒流源模块可产生最小为2.5mA精密电流，电阻分辨率△R=△V/2.5mA=25mΩ。当待测电阻R=50Ω时，测量精度为：25mΩ/50Ω=0.05%。当待测电阻大于50欧时，就可以实现测量误差小于0.05%；

（3）本实用新型采用单片机MSP430F5529作为微控制中心，以低噪声、低静态电流与失调电压的高精度运算放大器OPA376作为高精度可调恒流源核心、以高精密仪表放大器INA826设计仪表放大电路、以单片机对继电器的控制来实现档位控制，并通过16位高精度模拟/数字转换器ADS1118读取待测电阻两端电压，然后TFT_ILI9325屏显示测量数据，结构简单，携带方便，电阻测量精度高，成本低，实用性强。

附图说明

图1是本实用新型的***原理框图。

图2是本实用新型的高精度可调恒流源电路图。

图3是本实用新型的档位控制电路图。

图4是本实用新型的仪表放大器电路图。

图5是本实用新型的模拟/数字转换电路图。

图6是本实用新型的LCD_ILI9325屏显示电路图。

图7是本实用新型的矩阵键盘电路图。

图8是本实用新型的主控单片机电路图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的技术方案做进一步的详细说明：

如图1是本实用新型的***原理框图，一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，包括高精度可调恒流源模块、档位控制模块、仪表放大器模块、模拟/数字转换模块、处理模块、显示模块和矩阵键盘模块；其中，

所述档位控制模块、仪表放大器模块、模拟/数字转换模块依次顺序连接，档位控制模块、模拟/数字转换模块、显示模块、矩阵键盘模块分别与处理模块连接，档位控制模块、高精度可调恒流源模块分别与外部待测电阻连接。

所述处理模块为单片机，所述单片机为MSP430F5529单片机。

所述高精度可调恒流源模块为高精度运算放大器OPA376芯片。

所述仪表放大器模块为INA826高精密仪表放大芯片。

所述模拟/数字转换模块为ADS1118模拟/数字电压转换芯片。

所述矩阵键盘模块采用立式4脚轻触开关。

所述显示模块为LCD_ILI9325显示屏。

如图2是本实用新型的高精度可调恒流源电路图，主要包含了高精度运算放大器OPA376芯片、C2V7稳压二极管D1和1N4745稳压二极管D2。VCC_+5V通过第一电阻R1和C2V7稳压二极管D1直接与GND相连，第一电阻R1与C2V7稳压二极管D1连接端与高精度运算放大器OPA376芯片3脚相连。OPA376芯片4脚和7脚分别与VCC_-5V和VCC_+5V相连，1脚、5脚和8脚不接，输出脚6脚与第二电阻R2连接，第二电阻R2的另一端接9013三极管基极，9013三极管集电极作为电阻接入端口OUT2，而发射极分别与OPA376芯片2脚和第三滑动变阻器R3一端连接，第三滑动变阻器R3另一端与GND相连。待测电阻通过OUT1和OUT2端口接入，其中OUT1端口与第四电阻R4和1N4745稳压二极管D2连接端相连供电，第四电阻R4另一端接VCC_+18V，D2另一端接GND。通过改变滑动变阻器R3的阻值，使得流过端口OUT1与OUT2的电流稳定在2.5mA。

如图3是本实用新型的档位控制电路图，具体地显示了档位控制模块的电路，包含了双刀双掷继电器、滑动变阻器、9013三极管和电阻。双刀双掷继电器K1的开关1输入端与仪表放大器模块电压输出端OUT相连，K1的开关1的2个输出端1和2分别与双刀双掷继电器K2的开关1输入端和第九滑动变阻器R9连接，第九滑动变阻器R9另一端接GND，R9可变电阻端接K1的开关1的输出端1。K1的开关2的输入端接待测电阻端OUT1，K1的开关2的输出端1不接，而K1的开关2的输出端2接第五电阻R5一端，第五电阻R5另一端接待测电阻端OUT2。双刀双掷继电器K1控制端分别与VCC_+5V和9013三极管集电极连接，9013三极管发射极接GND，基极通过电阻R7与单片机P2.0口连接。

双刀双掷继电器K2的开关1的输出端1接模拟/数字转换模块的输入端OUTO_AD，K2的开关1的输出端2接第十滑动变阻器R10，第十滑动变阻器R10另一端接GND，R10可变电阻端接K2的开关1的输出端1。K2的开关2的输入端接待测电阻端OUT1，K2的开关2的输出端1不接，而K2的开关2的输出端2接第六电阻R6一端，R6另一端接待测电阻端OUT2。双刀双掷继电器K2控制端分别与VCC_+5V和9013三极管集电极连接，9013三极管发射极接GND，基极通过电阻R8与单片机P2.1口连接。

Control_01与Control_02控制端口由单片机MSP430F5529高低电平控制，00对应50Ω-500Ω档位，10对应500Ω-5kΩ档位，01对应5kΩ-50kΩ档位（0表示低电平，1表示高电平）。第九滑动变阻器R9和第十滑动变阻器R10用于微调500-5kΩ档位和5kΩ-50kΩ档位下送与模拟/数字转换芯片ADS118的电压，匹配三个档位，从而减小测量误差。

如图4，显示了仪表放大器模块的电路，用于获取待测电阻OUT1与OUT2两端电压，由高精密仪表放大芯片INA826构成。INA826芯片的2脚与3脚不接，5脚、8脚分别接VCC_-18V和VCC_+18V，6脚接GND，1脚、4脚分别接OUT2和OUT1待测电阻输入端。7脚电压输出接档位控制模块中的OUT端口。

如图5，显示了模拟/数字转换模块的电路，用于将模拟电压值转换为数字信号输入单片机，由16位模拟/数字电压转换芯片ADS1118构成。ADS118芯片的3脚、8脚分别接GND和VCC_+5V，4脚接档位控制模块中的OUTO_AD端口，5脚、6脚、7脚不接，1脚、2脚、9脚、10脚为ADS118的编程口，分别接单片机P6.1、P6.0、P6.3和P6.2口。

如图6是本实用新型的LCD_ILI9325屏显示电路图，LCD_ILI9325屏显示模块的1脚VCC接VCC_+3.3V，2脚GND接GND， 3脚LCD_CS接MSP430F5529单片机P2.4口，4脚LCD_RD接单片机P2.5口，5脚LCD_WR接单片机P2.6口，6脚LCD_RS接单片机P2.7口，7脚LCD_DB0接单片机P3.0口，8脚LCD_DB1接单片机P3.1口，9脚LCD_DB2接单片机P3.2口，10脚LCD_DB3接单片机P3.3口，11脚LCD_DB4接单片机P3.4口，12脚LCD_DB5接单片机P3.5口，13脚LCD_DB6接单片机P3.6口，14脚LCD_DB7接单片机P3.7口。

如图7是本实用新型的矩阵键盘电路图，矩阵键盘模块由16个按键和4个电阻组成，8个网络标号KEY0 、KEY1、KEY2、KEY3、KEY4、KEY5、KEY6 、KEY7分别从按键一端引出，VCC_+3.3V通过第十一至十四电阻R11、R12、R13和R14分别与KEY4、KEY5、KEY6 和KEY7连接。单片机扫描信号输出到KEY0 、KEY1、KEY2和KEY3端口，并通过KEY4、KEY5、KEY6 和KEY7读取高低电平判断哪一个键按下。按键S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10分别对应数字1、2、3、4、5、6、7、8、9、0，按键S11、S12表示测量电阻或者筛选电阻功能，S13、S14、S15表示50Ω-500Ω、500Ω-5kΩ、5kΩ-50kΩ三个电阻档位，而S16为确认按键。

如图8是本实用新型的主控单片机电路图，为单片机MSP430F5529的具体连接图。MSP430F5529单片机P3.7、P3.6、P3.5、P3.4、P3.3、P3.2、P3.1、P3.0分别接LCD_ILI9325屏显示模块的LCD_DB7、LCD_DB6、LCD_DB5、LCD_DB4、LCD_DB3、LCD_DB2、LCD_DB1、LCD_DB0，而P2.7、P2.6、P2.5、P2.4接LCD_ILI9325屏显示模块LCD_RS、LCD_WR、LCD_RD、LCD_CS，以完成对显示模块的控制。矩阵键盘部分，单片机MSP430F5529的P1.7、P1.6、P1.5、P1.4、P1.3、P1.2、P1.1、P1.0口分别接矩阵键盘KEY7 、KEY6、KEY5、KEY4、KEY3、KEY2、KEY1 、KEY0端口。单片机的P2.0与P2.1口分别连接Control_01与Control_02控制端，而P6.0、P6.1、P6.2和P6.3口分别连接AD_CS、AD_SCLK、AD_DIN和AD_DOUT，如图3与图5中所给出的。另外，单片机MSP430F5529的电源未给出。

本实用新型电源供电使用市电变压后再经过整流、滤波、稳幅得到+18V、-18V、+5V、-5V和3.3V的直流电压，再经由10uF与0.1uF并联电容滤波，分别向MSP430F5529单片机、继电器、显示模块、矩阵键盘模块、OPA376、INA826、ADS1118芯片以及***电路供电。

单片机采用MSP430F5529单片机，该单片机属于TI公司超低功耗单片机MSP430系列中的高性能单片机，是低功耗和高性能的结合。显示模块采用LCD_ILI9325显示器。

高精度可调恒流源模块采用高精度运算放大器芯片OPA376。OPA376芯片是一款低噪声、低静态电流与失调电压的运算放大芯片，该芯片设计巧妙、使用方便，电压噪声在10nV左右，能够提高电阻测量***的整体精度。且OPA376芯片能够响应微小电压，输出2.5mA精密电流。当OUT1与OUT2端待测电阻在5 kΩ以下时，流过待测电阻的电流能够精确控制在2.5mA，实际测得电流抖动在5uA左右。

仪表放大器模块采用高精密仪表放大芯片INA826。INA826芯片具有宽范围电压供电与轨到轨电压输出的特点，供电电压差，即供电正电压与负电压差的绝对值在2.7V-36V之间，且电压输出接近芯片供电电压。INA826芯片具有输出电压放大的功能，具体的，电压增益公式为：G =49.4 kΩ/RG + 1。当RG端不接电阻，即RG为无穷大时，增益G=1。

模拟/数字转换模块采用16位模拟/数字电压转换芯片ADS1118。ADS1118芯片是16位AD转换芯片，采用内部基准电压，通过编程方式实现基准电压设置，避免了基准电压外置输入所引起的电压抖动，降低了环境噪声的引入，提高***的整体精度。

高精度运算放大器芯片OPA376、高精密仪表放大芯片INA826和16位模拟/数字电压转换芯片ADS1118对于设计0.05%精确度的电阻测量仪极其重要。它们是0.05%测量精度的基础。

本实用新型工作过程如下：

用户通过矩阵键盘选择测量电阻或者筛选电阻功能。

测量电阻时，用户通过矩阵键盘设置待测电阻档位，50Ω-500Ω、500Ω-5kΩ、5kΩ-50kΩ三档，按下确认按键后，单片机扫描矩阵键盘获取档位设置，控制档位控制模块以响应设置。高精度可调恒流源模块产生2.5mA精密电流，流过待测电阻，经过档位控制模块后，仪表放大器模块获取OUT1与OUT2端口电压值，然后由模拟/数字转换模块将模拟电压值转换为数字信号输送给单片机。单片机读取电压的数字信号并根据用户输入的档位计算出电阻值，控制显示模块实时显示电阻值。

筛选电阻时，用户通过矩阵键盘输入筛选电阻阻值，按下确认按键后，单片机控制显示模块显示筛选电阻阻值，并根据筛选电阻阻值，判断电阻属于50Ω-500Ω、500Ω-5kΩ、5kΩ-50kΩ三档中哪一档位，然后控制档位控制模块以响应档位设置。高精度可调恒流源模块产生2.5mA精密电流，流过待测电阻，经过档位控制模块后，仪表放大器模块获取OUT1与OUT2端口电压值，然后由模拟/数字转换模块将模拟电压值转换为数字信号输送给单片机。单片机读取电压的数字信号并根据用所属档位，控制显示模块实时显示电阻值，当待测电阻阻值与用户输入的筛选电阻阻值误差在0.05%时，显示模块显示筛选成功。

以上显示的测量电阻阻值以欧姆（Ω）为单位，6位数字显示，小数点浮动，以满足0.05%测量精度的要求。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而这些属于本实用新型的实质精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍属于本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，其特征在于，包括高精度可调恒流源模块、档位控制模块、仪表放大器模块、模拟/数字转换模块、处理模块、显示模块和矩阵键盘模块；其中，

所述档位控制模块、仪表放大器模块、模拟/数字转换模块依次顺序连接，档位控制模块、模拟/数字转换模块、显示模块、矩阵键盘模块分别与处理模块连接，档位控制模块、高精度可调恒流源模块分别与外部待测电阻连接。

2.根据权利要求1所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，其特征在于，所述处理模块为单片机。

3.根据权利要求2所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，其特征在于，所述单片机为MSP430F5529单片机。

4.根据权利要求1所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，其特征在于，所述高精度可调恒流源模块为高精度运算放大器OPA376芯片。

5.根据权利要求1所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，其特征在于，所述仪表放大器模块为INA826高精密仪表放大芯片。

6.根据权利要求1所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，其特征在于，所述模拟/数字转换模块为ADS1118模拟/数字电压转换芯片。

7.根据权利要求1所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，其特征在于，所述矩阵键盘模块采用立式4脚轻触开关。

8.根据权利要求1至7中任意一项所述的一种基于模数转换器的程控高精度电阻测量仪，其特征在于，所述显示模块为LCD_ILI9325显示器。