专利名称：数字式低阻表的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数字式低值电阻测量仪表，尤其是指适用于电线电缆导体直流电阻试验，具有双向电流测量功能、高灵敏度、高分辨力的数字式低阻表。
背景技术：
在国家标准GB/T3048.2《电线电缆电性能试验方法第2部分金属材料电阻率试验》及GB/T3048.4《电线电缆电性能试验方法第4部分导体直流电阻试验》中都规定了在电线电缆直流电阻试验中当被测电阻小于0.1Ω时必须进行双向电流测量，即读取一个正向电流下的读数和一个反向电流下的读数，然后将两个读数取算术平均值作为最终的测量结果，这是因为在测量回路中由于温度不平衡而不可避免存在的热电势与接触电势，等于在电位端上串接了一个偏移电压，会造成低电阻测量结果很大的误差。由于这个偏移电压对正向或反向测量结果的影响是相反的，在双向测量求平均值的过程中这个影响被低消了，从而提高了测量结果的准确度和可靠性。
在现有技术中，通常采用双臂电桥与数字式低阻表测量低电阻值。双臂电桥可以通过在电流端C1、C2与被测导线之间接入换向闸刀，来实现电线电缆导体电阻的双向电流测量。数字式低阻表由于不需要进行电桥繁杂费时的平衡操作，数字直读快速方便，在电线电缆测量领域得到了越来越广泛的应用，但是现有的数字式低阻表有一个缺点，即不能进行反向电流测量，这是因为在现有的数字式低阻表中，为了防止电感性负载的反电势对测量回路的危害，在电位输入端上接入了反向保护二极管，在正向电流测量时，该二极管处于反向截止状态，对测量无影响；而在反向电流测量时，该二极管将会处于正向导通状态，引起输入电压的改变，造成测量误差。此外现有的数字式低阻表的最高分辨力为0.1μΩ，当1m长铜导线的截面大于173mm2时，其电阻值小于100μΩ，仪表读数只有3位有效数字，测量结果的准确度和分辨力都不能满足国家标准中对电线电缆导体直流电阻试验设备的性能要求。
发明内容
为了克服现有的数字式低阻表不能进行双向电流测量、灵敏度及分辨力较低的缺陷，本实用新型提供一种数字式低阻表，该低阻表的技术性能完全满足国家标准中电线电缆直流电阻试验的设备性能要求，仪表可以实施标准规定的双向电流测量操作，其灵敏度也比现有的数字式低阻表提高了十倍，最高分辨力达到了0.01μΩ，可以满足全系列电线电缆直流电阻的测量要求。
本实用新型解决技术问题的技术方案是恒流源输出的测量电流通过电流换向器连接在C1、C2电流端，电流换向器可以由机械开关、继电器或电子开关构成，其作用是可以选择测量电流正向(C1为正、C2为负)或反向(C1为负、C2为正)通过被测电阻，实施双向电流测量。为了防止电感型负载产生的感应电势对输入放大器的危害，仪表的电位输入端上必须接入过电压保护电路，在本实用新型中采用了双向钳位输入过压保护电路，具体做法是在仪表中设置E+及E-两个低内阻的电压源，正向钳位二极管D1的负极与正向电压E+连接、正极与电位端P1连接；反向钳位二极管D2的正极与反向电压E-连接、负极与电位端P1连接。正向电流测量时，设E+的电压为VE+；E-电压的绝对植为VE-；D1的正向压降为VD1；D2的正向压降为VD2；在正向电流测量状态，当输入电压VX＞VE++VD1时，D1导通，正向输入电压被钳位在VE++VD1上，同理，在反向电流测量状态，当输入电压VX＜-(VE-+VD2)时，D2导通，反向输入电压被钳位在-(VE-+VD2)上，因此不论测量电流正反，输入电压VX被限制在VE++VD1及-(VE-+VD2)之间，有效地保护了输入放大器，当VE+＞VX＞-VE-时D1及D2反向截止，对测量无影响。
VE+与VE-数值的选择，与仪表输入电压VIN的最大值有关，选择较低的VE+及VE-电压，有利于仪表输入端保护，但限制了VX的最大输入电压，反之亦然。当VX的最大输入电压小于0.6V时，E+及E-可以由二极管与电阻构成，从电源V+及V-处引入二极管工作电流，E+及E-的电压值为二极管的正向压降，工作可靠、价格低廉，又可通过大电流，当VX的最大输入电压较高时，E+及E-可以由数个串联的二极管与电阻构成，也可以由稳压管与电阻构成。
上述D1及D2反向截止时对测量无影响的论述是指D1、D2的反向截止电流为零的理想状况而言的，实际的器件并非如此，据实测，正向导通电流为数安培的普通硅整流二极管，其反向截止电流在微安数量级，对于高准确度的低阻测量其影响是不能忽略的，在本实用新型中钳位二极管D1、D2由三极管的基极与集电极、发射极之间的PN结构成，以NPN三极管为例，具体接法是基极为正极，集电极与发射极接在一起作为负极。据实测，三极管的基极与集电极、发射极之间PN结的反向截止电流，比相同电流等级的整流二极管的反向截止电流要小三个数量级，对低阻测量的影响完全可以忽略不计。此外，D1、D2也可以由结型场效应管的栅极与漏极、源极之间的PN结构成，实际使用效果也很好。
为了实现高灵敏度高分辨力的技术指标，输入放大器必须采用高精度、低噪声、自稳零的运算放大器，但是采用现有技术的单个运算放大器其技术性能总是有限的，尚不能满足本实用新型提出的分力为0.01μΩ的技术指标，这是因为根据欧姆定律R＝U/I，当I＝10A，R＝0.01μΩ，可以求得U＝0.1μV，也就是说放大器的灵敏度与噪声电压水平必须优于0.1μV，这是目前61/2位以上的数字电压表通过复杂的组合电路才能达到的技术水平，用现有的单个运算放大器是难以实现的。在本实用新型中低噪声高灵敏度放大器由并行的多个运算放大器构成，运算放大器的输出端通过电阻并联在一起，然后接到电容滤波C上作为放大器的输出电压。本电路降低噪声的原理如下各个运算放大器输出的直流电压在电容滤波C上是线性迭加的，放大器的输出直电压是各个输出直流电压的算术平均值，而各个运算放大器输出的噪声信号是随机发生的，放大器输出的噪声电压是各运算放大器输出噪声电压的均方根值，举例来说某运放的直流输出电压为VO，输出噪声电压值为VN，信噪比为VO/VN，现用4个性能相同的该运放组成放大器，输出直流电压为(VO+VO+VO+VO)/4＝VO，输出噪声电压为(VN2+VN2+VN2+VN2)1/2/4＝VN/2，由此可见，采用4个运放并联输出后，放大器输出的直流电压不变，而输出噪声电压仅为单个运放的1/2，信噪比也提高为单个运放的2倍，通过数学运算可以证明与单个运放相比，本放大器降低噪声、提高信噪比的倍数，等于放大器中运放个数的平方根。出于元器件成本考虑，并联运性的运放个数在2-16个之间，虽然性能提高的倍数有限，但对于运行在器件性能极限状态的放大器来说，技术性能改善几倍也是极其可贵的。
本实用新型的有益效果是，可以在数字式低阻表中实施国家标准规定的双向电流测量操作，与传统的双臂电桥相比，本实用新型具有数字直读、测量快速、操作简捷等优点；与现有的数字式低阻表相比，本实用新型可以通过双向电流测量抵消测量回路中热电势的影响，测量准确度与稳定性得以提高，输入保护完善、有较高的可靠性，通过多个运放的并联运行，降低了电路噪声，提高了测量灵敏度与分辨力。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1是本实用新型的原理框图。
图2是本实用新型低噪声高灵敏度放大器的一个实施例。
具体实施方式
在图1中恒流源的I+与I-端输出测量电流I，该电流通过电流换向器可以选择正向电流测量或反向电流测量，回路中被测电阻与仪表内部的标准电阻串联，测量电流I通过被测电阻RX产生电压VX＝IRX，该电压通过低噪声高灵敏度伏放大器放大A倍后得到电压VI，VI＝A*VX＝A*I*RX，送入41/2位A/D转换器的信号电压输入端VIN+与VIN-之间，VI＝A*VX＝A*I*RX；电流I通过标准电阻RS产生电压VS＝IRS，该电压放大B倍后得到电压VR，VR＝B*VS＝B*I*RS，送入A/D转换器的基准电压输入端VREF+与VREF-之间，根据双积分型A/D转换器的工作原理，其数字量输出D与模拟量输入之间有以下关系D＝K*VI/VR＝RX*K*A/(B*RS)上式中K为模数转换系数，A/D转换器如采用ICL7135型，K＝10000；A/D转换器如采用ICL7129型，K值有两种选择，普通灵敏度时K＝10000，高灵敏度时K＝100000，两者的测量灵敏度相差十倍，可以按需要任意切换。
通过上述运算与公式代换，实现了数字量输出D与被测电阻值RX之间的线性转换，并消去了测量电流I，说明采用图1所示的数字比例式测量电路，在一定范围内可以任意改变测量电流而不影响测量结果，大大降低了对恒流源输出电流值的精度要求，同时提高了仪表测量的准确度和稳定性。当然，本实用新型也可以采用目前数字式低阻标通常采用的“恒流源——电压表”式测量电路。
在图2中放大器的放大倍数A取决与电阻R1与R2的数值，A＝R2(R1+R2)；运算放大器应选用高精度、低温飘、低失调电压、低噪声的优质品种，如OP27、OP37、OPA227、LT1007、ICL7652等。
以本实用新型技术为核心制成的PC36A直流电阻测量仪的基本参数为测量电流0.707mA-14.1A；测量范围0.01μΩ-199.99Ω；准确度等级0.05级。
权利要求1.一种数字式低阻表由恒流源、电流换向器、双向钳位输入保护路、低噪声高灵敏度放大器、A/D转换器、显示器等构成，其特征是恒流源输出的测量电流通过电流换向器连接在C1与C2电流端，正向钳位二极管D1的负极与正向电压E+连接、正极与电位端P1连接；反向钳位二极管D2的正极与反向电压E-连接、负极与电位端P1连接。
2.根据权利要求1所述的数字式低阻表，其特征是E+及E-由二极管与电阻构成，E+及E-的电压数值为二极管的正向压降。
3.根据权利要求1所述的数字式低阻表，其特征是E+及E-由稳压管与电阻构成。
4.根据权利要求1所述的数字式低阻表，其特征是钳位二极管D1、D2由三极管的基极与集电极、发射极之间的PN结构成。
5.根据权利要求1所述的数字式低阻表，其特征是钳位二极管D1、D2由结型场效应管的栅极与漏极、源极之间的PN结构成。
6.根据权利要求1所述的数字式低阻表，其特征是低噪声高灵敏度放大器由并行的多个运算放大器构成，运算放大器的输出端通过电阻并联在一起接在滤波电容C上。
专利摘要一种由恒流源、电流换向器、双向钳位输入保护路、低噪声高灵敏度放大器、A/D转换器、显示器等构成的数字式低阻表，可以选择正向电流测量或反向电流测量，消除了测量回路中热电势的影响，使测量结果更加准确可靠；仪表的低噪声高灵敏度放大器由并行运行的多个运算放大器构成，使仪表的最高分辨力达到了0.01μΩ。
文档编号G01R27/02GK2819229SQ20052004298
公开日2006年9月20日 申请日期2005年6月29日 优先权日2005年6月29日
发明者黄以安 申请人:上海远中电子仪器厂