欧姆表设计制作

2023-03-11 12:16 作者:硬木课堂 0人读过 | 我要投稿

背景知识：测量电阻使用的就是最基础的欧姆定律，R=U/I。常用的手持万用表里欧姆档使用电流源给电阻提供电流I，然后内部测量电压U来计算R。

为什么不用电压源给电阻提供电压，然后测量电流呢？这是因为测量电阻时要分档的缘故。假设使用电压源，则每个量程档位有不同的电压Un。当用户拨错档位，这时I=Un/R会出现电流过大现象。由于电压源的内阻，Un电压就会降低，影响测试精度。并且损耗电池电量。更严重会损坏电路。

使用电流源时，也会根据不同档位给电流In，当用户拨错档，这时U=In*R会产生过小或者过大的电压。过小电压则用户会通过观察结果来换正确的档。过大电压的最大值受限于电路供电电压，并不会损坏电路，结果会显示超过量程。所以欧姆表都会使用电流源来测量电阻。

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设计方案：

先回顾一下高中电学中的欧姆表，这也是数字表出现之前最常用的。

使用电阻网络，电池，电流表头来实现。受限于电阻网络的特性，表头的指针移动随电阻变化不是均匀的。可以看到刻度盘Ω一行的刻度，不均匀。这种方法需要用多个标准电阻在刻度盘上校准刻度。

再来看看大学的方法。运用模电里的运放跟随器，运放电流源，正向放大器。来设计欧姆表，轻松实现测量精度和显示的均匀。

本文使用电压表头来替代ADC加单片机。适合没有单片机基础的读者。

电压表头和ADC的相通之处。

第一，量程范围。本文使用的电压表头测量0-5V的电压。ADC根据REF电压不同，有0-3.3V，0-5V，0-1.8V多种。待测电压不能超量程。

第二，分辨率。ADC的数据宽度代表它的分辨率。计算公式为 LSB= Fscale/ 2^N。对于5V满量程的8bits ADC，则 LSB= 5V / 2^8=19.5mV

本文电压表0-5V有50个刻度，按人眼还能分辨1/2刻度来算，共计100个。LSB= 5V /100=50mV. 相当于2^6 <100<2^7，介于6bits和7bits ADC之间。

整体原理图（使用了3片 TL082芯片）

整体电路实物

设计步骤：

分档个数的确定

分档数量跟总量程，档内最大量程，档内最高精度，档内最低精度有关。万用表ADC数据的最大值称为万用表读数。以读数为2000的表为例来讲解分档。

最大量程20M，读数2000，档内最高精度 1/2000，档内最低精度 1/200 。计算表格如下

例如：在200K档测量20K电阻时，精度是1/200，测量10K电阻时精度是 100Ω / 10KΩ = 1/100. 要换到20K档才能达到精度要求。

从表格中可以看出，第N档和第N-1档的关系

（N-1）max = Nmax * 最高精度 / 最低精度

本文中使用的电压表头相当于100读数。设计最大量程5KΩ，档内最高精度1/100，档内最低精度1/10.计算表格如下

注：最大量程5K，简化了实验电路设计。不必分太多档。

每档电流值和后级增益确定

分档数量确定下来后，本节分析每档需要的电流值以及最后一级的固定增益。电压表头是0-5V，每档的电流源提供电流In，则关系式：

档内最大量程 * In * 固定增益 = 5V

注：增益减小，则电流增大，过大的电流会产生热量并且受限于器件。

分档电路设计

稳压管产生一个参考电压，然后用电阻分压。三选一的开关选择每个档位的电压，经运放跟随器产生低输出阻抗的控制电压。用于控制电流源电流。注意要使用偏置电流小的运放，TL082 FET输入型。

电流源设计

几个近似前提：A点和B点流入运放的电流可以忽略。D点经运放隔离后，R4的电流不被R6分流，全部流入待测电阻R。电路分析如下

UA= UC * R1/（R1+R2）

UB= （UD-Vref）* R5/（R5+R6）+Vref

运放虚短路可以近似 UA = UB 则

UC * R1/（R1+R2）= （UD-Vref）* R5/（R5+R6）+Vref

当R1 R2 R5 R6都是相同阻值时，简化为

UC * 0.5 = （UD-Vref）* 0.5+Vref

UC = （UD-Vref）+2*Vref

UC = UD+Vref

UC-UD = Vref

R4中的电流 I

I = （UC-UD）/R4 = Vref / R4

电流源受Vref来控制。选择R4=100Ω，则 1V产生10mA电流。也就是Vref控制的恒流源。

需要注意的是，UC受电源和三极管T1的饱和电压限制。待测电阻R过大，则UC被限制在电源电压以下，此时电流源进入非线性区域，电流不再恒定受控于Vref。

将前面的分档表格做一下检查，UC电压没有受限，电路正常。

高精度电阻的使用。当R1 R2 R5 R6都是相同阻值时，才能简化为I=Vref / R4。所以要对R1 R2 R5 R6使用高精度电阻。没有高精度电阻时，可以对多个1%电阻筛选，选出阻值接近的。使用硬木课堂万用表来筛选，电阻可插在面包板上，避免手触摸影响电阻值。

检流电阻R4的选择。R4在分子上，R4选择小电阻则会把R1 R2 R5 R6电阻不完全相等造成的误差放大。所以在电路允许的情况下，选择大一点的R4，可以降低R1 R2 R5 R6的电阻误差带来的影响。

过压关断设计

当用户将测试电阻R拔下来，更换下一个待测电阻时。这时相当于出现了R∞，UC就会接近电源电压，Vout也会出现较高电压。Vout是经过后级正向放大器后给电压表头，电压表头的指针会突然甩到最大偏移（对应ADC就是超出ADC量程，被钳位）。要设计用户拔下待测电阻R时，指针指零。这样就需要一个过压关断电路，Vout过压时关闭电压表头。

运放作为比较器使用，R10和R11分压得到6V，input过压时，比较器输出为负，T2三极管截止，电压表头的负极跟GND断开。电压表头被关闭。没有过压时，比较器输出正，T2饱和。电压表头的工作电流1mA，T2的饱和电压可以低到10几个mV，不影响。

联调电路

1. 调节分档里的三个控制电压。2000mV，200mV和20mV。

开启电源给电路供电

测试稳压管电压，接近6.2V正常

调节P1 P2 P3三个电位器，在运放跟随的输出测试电压。调节到2V 200mV 20mV。这三个电压在跟电流源时还要细调，这里先设置一个初始值。

2. 电流源调零

先将稳压管上端用跳线接地。这样控制电压为零。再将SW3开关闭合，小电流档对零偏更为敏感。然后使用S1提供直流来进行调零。需要注意的是由于S1有50欧内阻，所以需要用运放跟随一下，这样50Ω内阻不会并入R1，不影响电流源精度。最后用硬木课堂的万用表电流口接入待测电阻位置。COM接 GND，mA接电路D点。选择S1输出直流，调节S1的直流，观察电流表，电流接近零时调零完毕。（用电位器来分压调零很难拧到所需电压）