CN108267640A - 一种单电源供电测量电阻的装置 - Google Patents

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张宇
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    • G01R27/02—Measuring real or complex resistance, reactance, impedance, or other two-pole characteristics derived therefrom, e.g. time constant
    • G01R27/14—Measuring resistance by measuring current or voltage obtained from a reference source

Abstract

本发明提出了一种单电源供电测量电阻的装置，所述装置包括精密电压源输出电路和电流测量电路，所述精密电压源输出电路的电压信号输出端与所述电流测量电路的电压信号输入端连接；所述精密电压源输出电路，用于通过单电源生成所述电流测量电路所需的电压源；所述电流测量电路，用于通过所述精密电压源输出电路输入的电压源对被测电阻的阻值进行测量。本发明通过单极性电源实现了电阻的测量，整个电路没有负电源，因此也节省了传统的电源极性转换电路和极性反相及信号调理电路。

Description

一种单电源供电测量电阻的装置
技术领域
本发明涉及阻值测量领域，尤其涉及一种单电源供电测量电阻的装置。
背景技术
欧姆定律R＝V/I是电阻的一个很重要的特性，可以运用此特性测量电阻的阻值。已知被测电阻两端的电压V，以及流过的电流I就可以按照公式求出阻值的大小。被测电阻阻值范围的大小不同，实现方法也有不同。当电阻比较大时，例如105欧姆至1012欧姆，采用同时测量电阻两端的电压和电流的方法，有它的局限性。因为直接测量电阻两端的电压，需要测量电路具有极大的输入阻抗，不然测试两端并联在高阻上，改变了高阻原来的阻值。所以高阻测量中一般采用固定电压，测量电流的方法，进而计算出阻值。
如图1所示是最简单的固定电压测量电流的高阻测试电路，VIN是已知的，通过测量档位电阻Rn(n＝1，2…N)上的电压，计算出流过RX的电流V1/Rn。这样做的缺点是，当RX很小时VIN直接加到电压测量电路上，会造成电路的损坏。而且Rn(n＝1，2…N)等电阻阻值本身也很大，导致高阻测量时电压测量电路的输入阻抗与之并联，计算出来的电流有很大的偏差。
图2所示是目前比较通用的双极性电源供电测量高阻阻值的电路，VIN是已知幅度的精密电压源。利用运放的虚短特性，在正常工作时，V1＝0V，I1＝I2+I3。采用低偏置电流的运放可以尽量降低I3的所占的比例，使I1≈I2，则RX＝VIN/I2＝-VIN*Rn/V2，后续可以通过信号调理电路以及AD采样电路来求出V2大小。因为根据欧姆定律V2＝-Rn*I2。实际电路工作时V2将是负电压，后面的极性取反以及信号调理电路将负责把负电压变换成合适的正电压以供AD采样。
此电路的优点是V2的电压幅度不会超过运放供电的正负电源幅度，对后级电路是安全的，控制起来也很简单。这个电路的运放和后级的信号取反都需要用到双极性电源的运放，如果只有单电源供电的情况下，还需要额外的电源变换电路变换出负电源。不但增加了电源变换电路，而且后级还需要增加额外的反相电路。
发明内容
为解决上述技术问题之一，本发明提供了一种单电源供电测量电阻的装置，所述装置包括精密电压源输出电路和电流测量电路，所述精密电压源输出电路的电压信号输出端与所述电流测量电路的电压信号输入端连接；
所述精密电压源输出电路，用于通过单电源生成所述电流测量电路所需的电压源；
所述电流测量电路，用于通过所述精密电压源输出电路输入的电压源对被测电阻的阻值进行测量。
优选地，所述精密电压源输出电路包括：电压源VCC、双极性晶体管Q1、双极性晶体管Q2、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、运算放大器A1和电压基准芯片；
所述电压源VCC的电压输出端同时与所述电压基准芯片的电压输入端、电阻R12的一端、双极性晶体管Q1的发射极和运算放大器A1的电源输入端连接；
所述电压基准芯片的电压输出端同时与所述电流测量电路的电压输入端和运算放大器A1的正向输入端连接；
所述运算放大器A1的反向输入端同时与所述电阻R10的一端和电阻R11的一端连接；
所述运算放大器A1的输出端与所述双极性晶体管Q2的基极连接；
所述双极性晶体管Q2的发射极与所述电阻R11的另一端连接并接地；
所述双极性晶体管Q2的集电极与所述电阻R13的一端连接；
所述电阻R13的另一端同时与所述电阻R12的另一端和双极性晶体管Q1的基极连接；
所述双极性晶体管Q1的集电极同时与所述电阻R10的另一端和被测电阻的一端连接。
优选地，所述电压源VCC的的电压小于或等于30V。
优选地，所述电压基准芯片的电压输出端输出的电压大于或等于5V。
优选地，所述电流测量电路包括：运算放大器A2、AD采样电路、开关、电阻R1-RN和过压保护电路；
所述过压保护电路的电压输入端同时与所述被测电阻的另一端、开关的一端和运算放大器A2的反向输入端连接；
所述运算放大器A2的正向输入端同时与所述电压基准芯片的电压输出端和AD采样电路的电压输入端连接；
所述运算放大器A2的电源输入端与所述双极性晶体管Q1的集电极连接；
所述运算放大器A2的输出端与同时与AD采样电路的采样输入端和电阻R1-RN的一端连接；
所述电阻R1-RN的另一端可分别与开关的另一端连接。
本发明的有益效果如下：本发明通过单极性电源实现了电阻的测量，整个电路没有负电源，因此也节省了传统的电源极性转换电路和极性反相及信号调理电路。同时，本发明通过电压基准，巧妙的实现了精密电压源的控制输出，以及利用此电压给AD采样电路进行供电。这个基准还为测量电阻串联电流的运算放大器提供参考电压，以使运算放大器的输出范围直接与AD采样电路的输入范围一致。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为现有技术中的高阻测试电路图；
图2为现有技术中的双极性电源供电测量高阻阻值的电路图；
图3为本发明实施例所述的单电源供电测量电阻的装置的原理示意图；
图4为本发明实施例所述的精密电压源输出电路的电路图；
图5为本发明实施例所述的电流测量电路的电路图。
具体实施方式
为了使本发明实施例中的技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明的示例性实施例进行进一步详细的说明，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是所有实施例的穷举。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图3所示，本实施例提出了一种单电源供电测量电阻的装置，所述装置包括精密电压源输出电路和电流测量电路，所述精密电压源输出电路的电压信号输出端与所述电流测量电路的电压信号输入端连接；
所述精密电压源输出电路，用于通过单电源生成所述电流测量电路所需的电压源；
所述电流测量电路，用于通过所述精密电压源输出电路输入的电压源对被测电阻的阻值进行测量。
具体的，本实施例所述装置仅需要一个正电源(单极性电源)输入的情况下，无需电源的极性变换，完成高电阻的测量。高阻测量采用给被测电阻施加固定的精密电压激励，然后测量流过的电流的方法来实现。精密电压激励从输入正电源经过稳压电路输出。电路中所用的运算放大器也都是采用单电源供电。电路中还有一个电压基准芯片，电压基准芯片的供电也是由正电源的输入提供，电压基准芯片提供的精密基准电压源可供AD采样电路作为电源，以及电流测量电路和电压输出电路的参考基准，具体将在后面进行详细阐述。
进一步的，如图4所示，所述精密电压源输出电路包括：电压源VCC、双极性晶体管Q1、双极性晶体管Q2、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、运算放大器A1和电压基准芯片；
所述电压源VCC的电压输出端同时与所述电压基准芯片的电压输入端、电阻R12的一端、双极性晶体管Q1的发射极和运算放大器A1的电源输入端连接；
所述电压基准芯片的电压输出端同时与所述电流测量电路的电压输入端和运算放大器A1的正向输入端连接；
所述运算放大器A1的反向输入端同时与所述电阻R10的一端和电阻R11的一端连接；
所述运算放大器A1的输出端与所述双极性晶体管Q2的基极连接；
所述双极性晶体管Q2的发射极与所述电阻R11的另一端连接并接地；
所述双极性晶体管Q2的集电极与所述电阻R13的一端连接；
所述电阻R13的另一端同时与所述电阻R12的另一端和双极性晶体管Q1的基极连接；
所述双极性晶体管Q1的集电极同时与所述电阻R10的另一端和被测电阻的一端连接。
如图5所示，所述电流测量电路包括：运算放大器A2、AD采样电路、开关、电阻R1-RN和过压保护电路；
所述过压保护电路的电压输入端同时与所述被测电阻的另一端、开关的一端和运算放大器A2的反向输入端连接；
所述运算放大器A2的正向输入端同时与所述电压基准芯片的电压输出端和AD采样电路的电压输入端连接；
所述运算放大器A2的电源输入端与所述双极性晶体管Q1的集电极连接；
所述运算放大器A2的输出端与同时与AD采样电路的采样输入端和电阻R1-RN的一端连接；
所述电阻R1-RN的另一端可分别与开关的另一端连接。
具体的，所述电压源VCC的电压范围最好不大于30V，这样可以直接给运算放大器和电压基准芯片提供电源。电压基准芯片的输出电压最好是大于或等于5V，这样既可以给AD采样电路供电，又提高了AD采样电路采样输入端电压的动态范围。
在所述精密电压源输出电路中，电压源VCC经过场效应管或者晶体管，在负反馈控制下，输出精密的电压源，精密的电压源施加到被测电阻RX一端，被测电路RX的另一端连接至运算放大器A2的反向输入端，根据运算放大器虚短的原则，在电路工作时V1＝VREF。运算放大器A2的选择也很关键，需要选择轨到轨的运算放大器，而且输入的偏置电流很小。轨到轨的要求是因为运算放大器输出电压可以线性输出接近0V，增加了运算放大器的动态范围。输入偏执电流很小的目的是要达到在公式I1＝I2+I3中，I3＜＜I1，以使I1≈I2。通过AD采样电路可以测量得到运算放大器A2输出电压V2的大小。则其中Rn是档位电阻，通过切换不同的档位电阻，使运算放大器A2输出电压V2保持在合适的范围内。因为单电源供电的原因0＜V2＜VREF，而此范围恰好又落在了由VREF供电的AD采样器的输入范围，省去了中间的信号调理环节。被测高阻的计算公式由下式提供
本实施例所述的双极性集体管Q1和Q2也可以采用场效应管，在本实施例中仅以Q1为PNP型双极性晶体管、Q2为NPN型双极性晶体管为例进行说明。如果采用场效应管，那么对应的，Q1为P型场效应晶体管，而Q2则为N型场效应晶体管。
本实施例所述的装置尤其适合应用于被测对象不能承受高压的场合，比如在人体防静电综合测试仪中测量穿戴上防静电腕带、防静电鞋、防静电服等的通路电阻。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种单电源供电测量电阻的装置，其特征在于，所述装置包括精密电压源输出电路和电流测量电路，所述精密电压源输出电路的电压信号输出端与所述电流测量电路的电压信号输入端连接；
所述精密电压源输出电路，用于通过单电源生成所述电流测量电路所需的电压源；
所述电流测量电路，用于通过所述精密电压源输出电路输入的电压源对被测电阻的阻值进行测量。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述精密电压源输出电路包括：电压源VCC、双极性晶体管Q1、双极性晶体管Q2、电阻R10、电阻R11、电阻R12、电阻R13、运算放大器A1和电压基准芯片；
所述电压源VCC的电压输出端同时与所述电压基准芯片的电压输入端、电阻R12的一端、双极性晶体管Q1的发射极和运算放大器A1的电源输入端连接；
所述电压基准芯片的电压输出端同时与所述电流测量电路的电压输入端和运算放大器A1的正向输入端连接；
所述运算放大器A1的反向输入端同时与所述电阻R10的一端和电阻R11的一端连接；
所述运算放大器A1的输出端与所述双极性晶体管Q2的基极连接；
所述双极性晶体管Q2的发射极与所述电阻R11的另一端连接并接地；
所述双极性晶体管Q2的集电极与所述电阻R13的一端连接；
所述电阻R13的另一端同时与所述电阻R12的另一端和双极性晶体管Q1的基极连接；
所述双极性晶体管Q1的集电极同时与所述电阻R10的另一端和被测电阻的一端连接。
3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电压源VCC的的电压小于或等于30V。
4.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电压基准芯片的电压输出端输出的电压大于或等于5V。
5.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述电流测量电路包括：运算放大器A2、AD采样电路、开关、电阻R1-RN和过压保护电路；
所述过压保护电路的电压输入端同时与所述被测电阻的另一端、开关的一端和运算放大器A2的反向输入端连接；
所述运算放大器A2的正向输入端同时与所述电压基准芯片的电压输出端和AD采样电路的电压输入端连接；
所述运算放大器A2的电源输入端与所述双极性晶体管Q1的集电极连接；
所述运算放大器A2的输出端与同时与AD采样电路的采样输入端和电阻R1-RN的一端连接；
所述电阻R1-RN的另一端可分别与开关的另一端连接。
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