一种复合型电阻测试电路的制作方法

1.本实用新型涉及一种电阻检测方案，尤其涉及一种复合型电阻测试电路。


背景技术：

2.电阻的应用领域很广泛，火电、化肥化工、冶金、环保、制药、生化、食品、自来水等溶液的电阻值等；从数字电子产品中的精密部件到物理量测量的测量设备都有应用；在几乎所有与的电网以及电子电路中都有它们的身影。
3.电阻的测量方式有很多，最常见的是万用表测量、以及各式各样的电阻测试仪；然而这些设备都是成熟的产品，价格也很高；对于准备开发的新产品来说，如果将这些成品集合到新产品中的话，体积将会很大，成本会有很大的提高，而且这些成品在电路中的兼容性也存在很大的问题，比如如果使用万用表，其供电不能和准备开发的新产品共用，需定期更换电池；另外万用表为了省电会定时关机，造成设备间隙性不能使用；其数据往往只能显示的屏上，无法传到新产品的电路中等等；如果使用精密的电阻测试仪，虽然解决数据传输和供电问题，但其昂贵的价格使得新产品的成本大大增加。
4.若研发一个新产品用于测量一个电路中的所有电阻，以判断电路是否存在焊接或者规格使用错误的情况，此时很有可能会遇到很多种规格的电阻同时需要测量，故需要测量电路的阻值的测量范围要广、测量点位数量要多，测量点位需要有相互切换的灵活性，这就使得嵌入万用表以及电阻测试仪也无法完成这些功能。


技术实现要素：

5.本实用新型旨在克服上述现有技术的不足，提出了一种复合型电阻测试电路，解决万用表无法满足小型集成化电路电阻测试需求及采用精密电阻测试仪的成本和效率问题。
6.本实用新型实现上述目的的技术解决方案是，一种复合型电阻测试电路，其特征在于：由mcu主控板、运算放大器电路、dac模块、复合输出电路、模式选择开关、采样电阻电路及模拟开关板构成，其中模拟开关板与批量待测电阻相连接并接入mcu主控板受控开通待测电阻，复合输出电路通过mcu主控板和dac模块驱动控制输出所需的电压或电流，且通过模拟开关板与待测电阻构成导通回路，模式选择开关接入mcu主控板与复合输出电路之间切换输出模式，采样电阻电路与模拟开关板相接并面向mcu主控板反馈电压，运算放大器电路与模拟开关板相接并面向mcu主控板反馈经放大处理的实测电压值。
7.上述复合型电阻测试电路，进一步地，所述采样电阻电路由电阻r15、r14、r16串联构成并设有包含继电器k6、k7的采样电阻选择电路，其中电阻r15的一端接入mcu主控器的vback端，电阻r16的一端接地，继电器k6跨接于电阻r14两端，继电器k7跨接于电阻r16两端。
8.上述复合型电阻测试电路，进一步地，所述复合输出电路由运算放大器u1、二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻r12、电阻r13和npn三极管t1相接构成，所述模式选择开关由继电
器k4、继电器k5配合复合输出电路相接构成，其中运算放大器u1的正极输入端与dac模块的输出端相连接，运算放大器u1的负极输入端通过继电器k5与采样电阻电路一并接入模拟开关板，并通过继电器k4与电阻r12接电压输出点a、通过继电器k4与电阻r13接地，电阻r2的一端与运算放大器u1的输出端相接、另一端接二极管d1的负极和npn三极管t1的基极，且二极管d1的正极、npn三极管t1的发射极接电压输出点a。
9.上述复合型电阻测试电路，更进一步地，所述运算放大器u1周边接设有用于滤波的电容c1、电容c2、电容c5以及用于断路保护的电阻r1，其中电阻r1接入电容c1与npn三极管t1的集电极之间，电容c5接入运算放大器u1的输出端与继电器k4、继电器k5的共联点之间。
10.上述复合型电阻测试电路，进一步地，所述运算放大器电路由运算放大器u2、电阻r3~r11、继电器k1~k3相接构成，其中运算放大器u2的正极输入端和负极输入端接入模拟开关板，且电阻r3、电阻r4相接构成负极输入端的调零电阻，电阻r5、电阻r6相接构成正极输入端的调零电阻，电阻r7、电阻r8构成接入mcu主控板的分压电路，电阻r9~r11与继电器k1~k3构成选择电压放大倍数的子电路。
11.上述复合型电阻测试电路，更进一步地，所述运算放大器u2周边接设有用于滤波的电容c3、电容c4。
12.上述复合型电阻测试电路，进一步地，所述模拟开关板为由模拟开关组成的开关板电路，对应每个待测电阻设置包括两端及中段分布的四个测试点，且每个测试点与模拟开关板中一个模拟开关相连接。
13.应用本实用新型的复合型电阻测试电路，具备如下进步性：该测试电路采用常见元器件连接织构而成，电路简单且成本较低；通过模拟开关板实现多点位异步测量，提高了对单板多待测电阻切换的灵活性；提高了测试结果的精度和一致性，且mcu主控板能够进行编程自动化运行，参数设定等操作简便，提高了检测效率和应对不同电路板嫁接转用的普适性。
附图说明
14.图1是本实用新型复合型电阻测试电路的控制原理图。
15.图2是本实用新型复合型电阻测试电路的详细结构示意图。
16.图3是图2所示电路在恒压测量模式下的等效电路图。
17.图4是图2所示电路在恒流测量模式下的等效电路图。
18.图5是图2所示电路在四端子测量模式下的等效电路图。
具体实施方式
19.以下便结合实施例附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步的详述，以使本实用新型技术方案更易于理解、掌握，从而对本实用新型的保护范围做出更为清晰的界定。
20.针对电子产品成品检测过程中，需要对一个电路中所有电阻进行检测，以判断电路是否存在焊接或规格使用错误的情况，其中待测电阻的电阻规格跨度大、阻值范围广、测量点位多且需要灵活切换。为满足如此高要求的电阻测量，传统使用嵌入式万用表以及电阻测试仪在功能实现上的不足较为突显。为此，本实用新型设计者创新提出了一种复合型
电阻测试电路，以满足高性价比、操作便利、高精度、高效可靠的复杂电阻测试。
21.首先如图1和图2所示，就该复合型电阻测试电路概述的组成及控制原理来看。该测试电路由mcu主控板、运算放大器电路、dac模块、复合输出电路、模式选择开关、采样电阻电路及模拟开关板构成。图示可见，该测试电路中作为控制及电阻计算核心器件的是mcu主控板，一方面面向其它部件输出控制信号调整功能模式及对接待测电阻，另一方面接收反馈的电压信号进行阻值计算。根据图示箭头概括描述如下：该模拟开关板与批量待测电阻rl1、rl2
……
rln相连接并接入mcu主控板受控开通待测电阻，细节至接通任一待测电阻或多个组合电阻的测试点，其中n为待测电阻的数量。而该复合输出电路通过mcu主控板和dac模块驱动控制输出所需的电压或电流，且通过模拟开关板与待测电阻构成导通回路。这里属于阶段承接试控制，即mcu主控板先控制dac模块输出合适的电压，进而控制复合输出电路输出恒定电压或恒定电流。上述模式选择开关接入mcu主控板与复合输出电路之间切换输出模式，采样电阻电路与模拟开关板相接并面向mcu主控板反馈电压，运算放大器电路与模拟开关板相接并面向mcu主控板反馈经放大处理的实测电压值。这里，不同的电阻测量范围、不同的测量模式下，mcu主控板所接收用于计算阻值的对象电压和路径不同，且均整合于该测试电路中。
22.如图2所示，该测试电路中各主要部件电路的细节详述如下。该采样电阻电路由电阻r15、r14、r16串联构成并设有包含继电器k6、k7的采样电阻选择电路，其中电阻r15的一端接入mcu主控器的vback端，电阻r16的一端接地，继电器k6跨接于电阻r14两端，继电器k7跨接于电阻r16两端。通过继电器k6、k7的通断控制，能按需调节合适大小的采样电阻，而这服务于系统测试模式的切换过程。
23.上述复合输出电路由运算放大器u1、二极管d1、电阻r1、电阻r2、电阻r12、电阻r13和npn三极管t1相接构成，而模式选择开关由继电器k4、继电器k5配合复合输出电路相接构成。从连接结构来看，该运算放大器u1的正极输入端与dac模块的输出端相连接，运算放大器u1的负极输入端通过继电器k5与采样电阻电路一并接入模拟开关板，并通过继电器k4与电阻r12接电压输出点a、通过继电器k4与电阻r13接地，电阻r2的一端与运算放大器u1的输出端相接、另一端接二极管d1的负极和npn三极管t1的基极，且二极管d1的正极、npn三极管t1的发射极接电压输出点a。当继电器k4闭合、继电器k5断开时，对应切换为输出恒定电压；而当两个继电器切换启闭状态时，对应切换为输出恒定电流。其中npn三极管t1为大功率npn三极管，用于提高电路的带负载能力。
24.上述运算放大器电路由运算放大器u2、电阻r3~r11、继电器k1~k3相接构成，其中运算放大器u2的正极输入端和负极输入端接入模拟开关板，且电阻r3、电阻r4相接构成负极输入端的调零电阻，电阻r5、电阻r6相接构成正极输入端的调零电阻，用于防止外部电路的干扰，造成数据漂移。电阻r7、电阻r8构成接入mcu主控板的分压电路，电阻r9~r11与继电器k1~k3构成选择电压放大倍数的子电路。对于四端子测量模式而言，所采集的压差往往非常小。通常不足以使mcu主控板的adc识别，或不在adc的最优测量电压区间。此时需要运算放大器u2及其相关电路组成的放大电在路进行放大；经放大处理后的电压，在adc识别、接收后在mcu主控板内部运算后将还原成为最初采集的压差，进而计算出待测电阻的阻值。
25.上述模拟开关板为由一定数量规模的模拟开关组成的开关板电路，对应每个待测电阻设置包括两端及中段分布的四个测试点，且每个测试点与模拟开关板中一个模拟开关
相连接。即该模拟开关板中模拟开关的数量需要大于待测电阻数量的四倍，以满足所有待测电阻每个测试点的连接及通断控制。当使用恒流供电下四端子测试模式时，模拟开关板中每四个模拟开关成一组与一个待测电阻的四个测试点相连，其中四个测试点呈直线等距排列，恒定电流自第一测试点向第四测试点流动，且在第二测试点和第三测试点之间采集压差。
26.然而由于运算放大类芯片在工作时，常见电路波纹影响。故为了减少该影响，选择引入电容。即运算放大器u1周边接设有用于滤波的电容c1、电容c2、电容c5以及用于断路保护的电阻r1，其中电阻r1接入电容c1与npn三极管t1的集电极之间，电容c5接入运算放大器u1的输出端与继电器k4、继电器k5的共联点之间。而运算放大器u2周边接设有用于滤波的电容c3、电容c4。
27.基于欧姆定律对测量模式进行模式选择，恒压测量电阻模式，即保持测量过程中输出电压不变.对电流进行采集进而计算出待测电阻的阻值,由欧姆定律可知电流越小待测电阻越大。恒流测量电阻方式，即测量过程中，保持流经待测电阻的电流不变,通过对待测电阻两端的电压进行采集进而计算出待测电阻的阻值,由欧姆定律可知，电压越大则待测电阻越大。由此可知，恒压测量电阻相对于恒流测量电阻更适合大电阻值的测试方案。故系统开始对待测电阻值预测从大到小进行测量，所以自动测量方案执行顺序为：恒压测量电阻、恒流测量电阻、四端子测量电阻。基于以上控制原理的介绍进一步来了解其功能实现：其中复合输出电路通过受控于mcu主控板和dac模块具备了输出恒定电压或恒定电流的能力，从而适应于不同电阻测量模式所用之需。
28.以下，先从各种测量模式来了解该测试电路的具体检测方法，而后再从总体测试流程上来了解其完整测试的功能实现。
29.首先恒压测量电阻，如图3所示，此时，mcu主控板将模式选择开关调至恒压模式，即继电器k4闭合、继电器k5断开，并通过dac模块控制复合输出电路输出恒定电压vtest到达a点。mcu主控板控制模拟开关板切换至待测电阻两端（第一、第四测试点），可以是单个待测电阻，也可以是多个待测电阻的串联支路。通过采样电阻电路面向mcu主控板反馈电压，mcu主控板基于反馈电压计算得到待测电阻的阻值。由于模拟开关存在一定的内阻，但其内阻远小于电阻rl，因此，rl≈rw1+rw2+rl；mcu主控板的adc1在b点采集反馈电压vback，则当k6，k7闭合时，rl=vtest
÷
(vback
÷
r15)；或者当k7闭合，k6打开时，rl=vtest
÷
(vback
÷
(r15+r14))；或者当k6闭合，k7打开时，rl=vtest
÷
(vback
÷
(r15+r16))。
30.其次恒流测量电阻，如图4所示，此时，mcu主控板将模式选择开关调制恒流模式，即继电器k4断开、继电器k5闭合，并通过dac模块输出合适电压、控制复合输出电路输出恒定电流itest，模拟开关板连接同前，通过切换调整的采样电阻电路面向mcu主控板反馈电压，mcu主控板基于反馈电压计算得到待测电阻的阻值。由于模拟开关内阻远小于电阻rl（可以忽略不计），所以电阻rl两端的压差为v0，mcu主控板的adc1在b点采集反馈电压vback，mcu主控板的adc2在运算放大器u2的输出端采集反馈电压v
4w
。由此itest=vback
÷
r15；当k1闭合，k2、k3打开时，运放放大倍数a1，则v0=v
t
÷
a1；v
t
=(r7+r8)*(v
4w
÷
r7)；v0=(r7+r8)*(v
4w
÷
r7)
÷
a1；rl=v0
÷
itest；即rl=v0
÷
(vback
÷
r15)=(r7+r8)*v
4w
*(1/(r7*a1*vback*r15))。同理，当k2闭合，k1、k3打开时，运放放大倍数a2，rl=(r7+r8)*v
4w
*(1/(r7*a2*vback*r15))，当k3闭合，k1、k2打开时，运放放大倍数a3，rl=(r7+r8)*v
4w
*(1/(r7*a3*
vback*r15))。
31.最后四端子测量电阻，如图5所示，此时，mcu主控板控制保持复合输出电路输出恒定电流，且mcu主控板控制模拟开关板切换连至待测电阻的四个测试点，恒定电流接入待测电阻的两端，取待测电阻中段的压差，经运算放大器电路成倍放大后输入mcu主控板，mcu主控板内部运算还原为压差并计算得到待测电阻的阻值。具体地，mcu主控板通过采样电压值vback进行实时监控。当恒定电流itest经过待测电阻rl时，在电阻rl两端产生相应的压差，由于运算放大器u2的输入阻抗接近无穷大，即接近断路，所以i0=0，恒定电流itest完全经过电阻rl，v0即是电阻rl的压差真实值，v0与开关板内阻无关；由于电阻rl非常小，由欧姆定律可知，得到的压差也很小，不足以使mcu主控板的adc识别，或者不在mcu主控板的adc最优测量电压区间，此时需要运算放大器u2及其相关电路组成的放大电路进行放大n倍；经过放大处理后的电压，在mcu主控板内部运算之后还原成为最初始的电压，进而计算出电阻rl的电阻值。即当k1闭合，k2、k3打开时，运放放大倍数a1，则v0=v
t
÷
a1；v
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4w
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4w
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r7)
÷
a1；rl=v0
÷
itest；即rl=v0
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(vback
÷
r15)=(r7+r8)*v
4w
*(1/(r7*a1*vback*r15))。同理，当k2闭合，k1、k3打开时，运放放大倍数a2，rl=(r7+r8)*v
4w
*(1/(r7*a2*vback*r15))，当k3闭合，k1、k2打开时，运放放大倍数a3，rl=(r7+r8)*v
4w
*(1/(r7*a3*vback*r15))。
32.总体测试流程：mcu主控板内置设有恒流测试阈值和四端子测试阈值，当测试电路完成初始化并开始测试时，mcu主控板先将模式选择开关调至恒压测试模式，mcu主控板控制dac模块输出合适电压，进而控制复合输出电路输出恒定电压，mcu主控板将模拟开关板的开关切换至待测电阻两端，将采样电阻选择开关选择合适的采样电阻，通过对反馈电压的计算得到待测电阻的阻值。当该测得的阻值小于恒流测试阈值时，mcu主控板将模式选择开关调至恒流输出模式，mcu主控板控制dac模块调整输出合适的电压，控制恒流电路输出恒定电流；mcu主控板重新对采样电阻选择开关选择合适的采样电阻，再次对待测电阻进行测量，并对反馈电压进行计算得到待测电阻的阻值。若再次待测电阻小于四端子测试阈值，则用户可以对四端子点位进行编辑，然后重新进行测量，mcu通过对运放的放大倍数进行适当选择后，对运放输出电压进行计算，进而得到更为精确的电阻值。
33.综上实施例的详述可见，本实用新型提供一种复合型电阻测试电路，将恒压测量电阻、恒流测量电阻、四端子测试电阻方法进行复合，配合模拟开关组成的开关板电路，实现了阻值的测量范围广、测量点位数量多，测量点位可以相互切换等功能，提高了对单板多待测电阻切换的灵活性和测试结果的精度、一致性；也使用了一系列的运放芯片以及模拟开关芯片、三极管等电子元件，结构简单，元件成本低廉，大大减少了电路的成本。在整合各种测量电阻方式的同时，检测方法将各个测量电阻的方式优缺点进行整合，利用mcu主控板能够进行编程自动化运行，参数设定等操作简便，实现过程中进行自动切换，无需人工干预就可以输出准确的数据，提高了检测效率和应对不同电路板嫁接转用的普适性。
34.除上述实施例外，本实用新型还可以有其它实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型所要求保护的范围之内。