便携式直流低电阻测量仪

郑 平

（南昌铁路局 福州机务段，福建福州350014）

在检修机车电机与电器的过程中，需要测量电机与电器中一些元件的电阻值，这其中有些被测元件的电阻值很小，需要使用专门的低电阻测量仪器。目前在铁路机务部门得到广泛应用的低电阻测量仪器是TZ型接触电阻测量仪，TZ型接触电阻测量仪在机车检修过程中使用已有30年，这30年里对提高机车检修质量起了很好的作用。TZ型接触电阻测量仪是30年前设计的老产品，在电子技术高速发展的今天来看难免有些不足。为了方便准确的检测电机与电器中一些被测元件的电阻值，研制了便携式直流低电阻测量仪（以下简称低电阻测量仪）。

1 硬件结构

低电阻测量仪采用伏安法测量电阻，即先测得元件两端的电压及流过元件的电流，然后根据欧姆定律R=V／I求出元件的实际电阻值。根据伏安法测量电阻原理设计的低电阻测量仪硬件结构如图1所示，主要由恒流源电路、电流测量电路、电压测量电路、单片机最小系统、显示电路及电源电路等组成。

图1 硬件结构框图

1.1 恒流源电路

恒流源电路如图2左侧所示，由一个集成三端可调稳压器LM317、开关K11及2.5（或250）Ω精密电阻构成。在图2中输出电流Iout等于（Iadj+Uref／R），基准电压Vref为1.25V，由于调整端电流Iadj只有几十微安，因此可近似认为Iout等于1.25／R。当正输出端与调节端之间接入2.5Ω（或250Ω）精密电阻后，连接在调节端与负电源端之间的被测元件RL就能流过恒定的500mA（或5mA）电流。

图2 恒流源与分流器电路

1.2 电流测量电路

电流测量电路是为测量流过被测元件的电流而设置的，电流测量电路由分流器与A／D模数转换电路组成。分流器在图2所示的电路中，由开关K12及1.01，100Ω精密电阻构成。A／D模数转换电路如图3左侧所示，由4位半双积分式A／D转换器ICL7135、12位二进制计数器CD4040、可调精密电压基准LM431及一些电阻电容二极管等构成。A／D转换标准时钟信号由89C52单片机ALE引脚输出的1MHz方波经CD4040分频后产生，时钟频率为125kHz。ICL7135采用LM431作为参考电压源，参考电压为0.5V，ICL7135满量程电压为1V。恒流源电路输出的500mA（或5mA）电流经1Ω（或100Ω）精密电阻构成的分流器后变换成0.5V电压送往A／D转换电路。

双积分式A／D转换器ICL7135是通过采样阶段与比较阶段两次积分将模拟电压转换为计数脉冲数，然后将代表输入模拟电压大小的脉冲数转换成BCD码输出。当ICL7 1 3 5处在两次积分阶段时，ICL7 1 3 5上的A／D转换标志BUSY引脚为高电平。测得这个转换标志BUSY处于高电平的时钟周期数，将其减去采样阶段固定积分时间（10 000个时钟周期），可得到代表输入电压大小的比较阶段积分时钟周期数，即A／D转换结果。ICL7135与单片机的接口方式如图3所示，将ICL7135-BUSY与ICL7135-CLK分别接到89C52单片机INT0与T0。通过对单片机内寄存器的编程，设置T0为16位计数器，当INT0为高电平时，T0对ICL7135时钟脉冲计数。当INT0从高电平跳变为低电平时，T0停止对ICL7135时钟脉冲的计数，并立即进入INT0中断服务程序。中断服务程序读出代表A／D转换结果的T0计数值，这样输入模拟电压就方便地转换成为数字量。

图3 A／D模数转换电路与单片机最小系统

1.3 电压测量电路

电压测量电路是为测量被测元件两端电压而设置的，电压测量电路由放大电路与A／D模数转换电路两部分组成。放大电路如图4所示，由斩波稳零式高精度运算放大器ICL7650、开关K2及一些电阻电容等构成。电压测量电路中的A／D模数转换电路与电流测量电路中的A／D模数转换电路相同。

图4 放大电路

放大电路中的ICL7650除了具有普通运算放大器的特点和应用范围外，还具有高增益、高共模抑制比、失调小、漂移低和自动调零等特点，所以常常被用在微弱信号的放大电路中。ICL7650接成20或200倍差动放大电路，放大倍数由开关K2确定，配合恒流源电路中开关K1的使用，对应的使低电阻测量仪拥有10，100mΩ，1，10Ω 4个档位的测量选择。

1.4 单片机最小系统

单片机最小系统如图3右侧所示，由89C52单片机、时钟及复位电路等组成。系统时钟频率为6MHz，89C52单片机内8K可电擦除存储器用于存放程序。

1.5 显示电路

显示电路如图5所示，由LED数码管显示和显示选择与指示两部分组成。主要由4个0.56英寸红色共阳极LED数码管、4个9012三极管、3个9013三极管、按钮、开关、发光二极管及电阻等一些电子元件构成。

4位数码管采用动态扫描显示方式。显示时将某位被显示数的段代码（包括小数点）通过P0输出到每个数码管，再由P1口输出一个显示位选通信号，使得该位数码管共阳端为高电平，并保持一段时间。在这一段时间里只有该位数码管共阳端是高电平，所以只有这个数码管亮，其余数码管都不亮。一位显示结束再显示下一位，如此不断循环。由于每秒循环次数较多，人眼不会感觉闪烁。

设置显示选择与指示电路的目的是为了让4位数码管能显示不同的内容。低电阻测量仪接通电源后，4位数码管显示被测元件电阻值，对应的毫欧发光二极管亮。按一下显示变换按钮，4位数码管改为显示被测元件两端的电压值，对应的毫伏发光二极管点亮。再按一下显示变换按钮，4位数码管改为显示流过被测元件的电流值，对应的毫安发光二极管点亮。如此循环实现显示内容的变换。显示选择与指示电路中的开关K12、K22是用于变换4位数码管小数点位置以适应电阻量程的变化，开关K1、K2是两排两档的开关。K1的第1排K11用于恒流源电路、第2排K12用于分流器与小数点位置选择。K2的第1排K21用于放大倍数选择、第2排K22用于放大倍数与小数点位置选择。单片机通过测量P3.0与P3.1引脚的高、低电平（由K12、K22通断状态确定）确定各电阻量程小数点的位置。

图5 显示电路

1.6 电源电路

低电阻测量仪工作电源采用内置6节1.2V可充电电池，电池可以使用几个小时，长时间持续使用时可以插入外接直流稳压器作为工作电源。电池通过降压二极管为恒流源电路提供电源，通过一个三端稳压器LM7805与直流电压变换器ICL7660为电流测量电路、电压测量电路提供±5V的电源，通过另一个三端稳压器LM7805为显示电路、单片机最小系统提供+5V的电源。

2 测量程序简介

测量程序保存在单片机89C52内8K可电擦除存储器上。主要有主程序、INT0中断服务程序、INT1中断服务程序、计算电阻程序、按钮与开关扫描程序、显示程序等。

2.1 主程序

主程序完成系统初始化及显示测量结果的任务。系统初始化主要包括设置堆栈指针地址，内部RAM清零，设置T0与T1为16位计数器、预置T0与T1的初值（T0与T1初值均为-10 000），设置允许INT0与INT1中断、INT0与INT1为脉冲下降沿触发方式，设置开机时4位数码管显示电阻值等。系统初始化结束后主程序通过不断调用计算电阻程序、按钮与开关扫描程序、显示程序的方法，计算出电阻值、确定4位数码管要显示的内容及小数点位置、将测量结果显示出来。

2.2 INT0中断服务程序

如电流测量电路所述，单片机INT0与ICL7135上的A／D转换标志BUSY相连接，当ICL7135两次积分阶段结束时，INT0引脚由高电平跳变为低电平触发中断。INT0中断服务程序首先将T0计数值送往累存电流测量值的RAM单元、预置T0的初值。接着将记录电流测量次数的RAM单元加1，如果测量次数不到4次就返回主程序。如果测量次数已到4次就计算出平均值，并送往存放电流平均值的RAM单元供计算电阻程序与显示程序调用，再将累存电流测量值的RAM单元与记录测量次数的RAM单元清零后返回主程序。

2.3 INT1中断服务程序

INT1中断服务程序与INT0中断服务程序基本相同，首先将T1计数值送往累存电压测量值的RAM单元、预置T1的初值。接着将记录电压测量次数的RAM单元加1，如果测量次数不到4次就返回主程序。如果测量次数已到4次就计算出平均值，并送往存放电压平均值的RAM单元供计算电阻程序与显示程序调用，再将累存电压测量值的RAM单元与记录测量次数的RAM单元清零后返回主程序。

2.4 计算电阻程序

计算电阻程序就是将电压平均值除以电流平均值得到电阻平均值，并送往存放电阻平均值的RAM单元供显示程序调用。

3 应用

3.1 测量误差

低电阻测量仪测量误差主要来自电流测量与电压测量两方面。由于低电阻测量仪采用了高精度的运算放大器与4位半双积分式A／D转换器，测量误差还是比较小的。低电阻测量仪自制过程中用NM3000多用表校验仪对其进行标定，标定结果表明低电阻测量仪电流测量的误差仅为±（0.2%+2个字），电压测量的误差为±（0.3%+3个字）。考虑到机务段使用低电阻测量仪目的是对被测元件做定性的检查，对测量精度的要求不是很高，因此低电阻测量仪可按1.5级的仪表使用。

3.2 校验方法

为了方便校验专门制作了4个阻值分别为5，50 mΩ、0.5，5Ω的标准电阻，分别用于校验低电阻测量仪10，100mΩ、1，10Ω档的测量精度。4个标准电阻的误差为±0.5%，标准电阻应定期用常规方法校验。用标准电阻校验低电阻测量仪时，低电阻测量仪显示的电阻值与标准值的误差应在±1%的范围内。

3.3 应用情况

低电阻测量仪2008年制造了两台，在福州机务段福州检修车间电器组与电机组使用，主要用于测量电器触头接触电阻与电机绕组电阻。低电阻测量仪采用4线测量法，使用时先将电压测量端的一对鳄鱼夹夹住靠近被测元件测量点两边，然后用电流测量端的一对鳄鱼夹夹住被测元件的两边，此时低电阻测量仪显示的数字即为被测元件电阻。

4 结束语

低电阻测量仪是根据机车检修工作实际需要设计与自制的一种检测仪器，与同类检测仪器相比低电阻测量仪有以下几个特点。

（1）以89C52单片机为核心，采用伏安法测量电阻消除了恒流源不稳定引起的测量误差，不必经常校验。

（2）放大电路采用失调小、漂移低、自动调零的斩波稳零式运算放大器ICL7650，A／D模数转换电路也采用有自动调零功能的ICL7135，因此使用时不需要校零。

（3）体积小，质量轻，便于携带（外形164mm×63 mm×140mm，质量0.7kg）。

（4）结构简单，性能可靠，使用方便。

［1］张道群.探索用接触电阻检测仪确定机车电机电器状态的新方法［J］.铁道机车车辆，2000，（5）：31-33，49，5.

［2］孙育才.MCS-51系列单片微型计算机及其应用［M］.南京：南京大学出版社，1992.

［3］张 华，邱 红，宋 智.由于电阻精度引起差分放大电路误差的分析［J］.现代电子技术，2007，（18）：189-190.