CN108594020A - 数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路，包括依次相连的测量电路、精密放大转换电路和数字A/D转换显示电路。测量电路将测量电阻的电压信号发送至精密放大转换电路，由精密放大转换电路进行阻抗变换及电阻分压后，调节成能进行比例法测量电阻的电压。精密放大转换电路将调节完成的基准电压及测量信号电压发送至数字A/D转换显示电路，由数字A/D转换显示电路将其转换成相应的显示值进行显示。本发明还提出一种数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量方法，当待测Rx以系数k变化时，测量信号电压/基准将会以同样的变化系数k反比例变化，从而实现电导的测量，能够消除了现有技术中存在的计算误差，测量精度高。

Description

数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路及方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，具体涉及一种电导和高阻值电阻测量电路，以及利用该电路测量纯电阻线路中电导和高阻值电阻的方法，尤其测量超高值电阻的方法。

背景技术

目前市场上通过电导换算测量超高值电阻，只能测到0.1nS，换算成电阻是10000MΩ，如型号DF930F+、VC9807A+等型号数字表，精度是±1.0％。无法应用于更高电阻值测量的场合。

由已公开的DF930F型电导测量电路图可知，该测量电路采用3.2V电源电压、100k电阻、30k电阻以及基准电压1.0V，在接入标准电阻10MΩ以后，调节电位器，使IN+电压为VR+的百分之一，等于10Mv，使显示为100.0，单位为nS。根据上述参数进行计算可得，此时电位器应调节为1.6616kΩ。

以电位器阻值为1.6616kΩ计算测试电阻阻值在10MΩ至10000MΩ时对应的显示值，如测试电阻阻值为50MΩ时，理论计算所得的显示至为20.2nS，即，存在1％的误差。此时仅为理论值计算的误差，还可能存在电池电压变化造成3.2V电压的偏离1.0V基准电压的偏离、以及保护二极管漏电流造成的误差。

现有利用比例法测量电阻，如果使用3又1/2位A/D转换器(即，数字A/D转换显示电路)，当Rx＝R1时，显示1000，当Rx＝2R1时，满量程溢出。当电源电压发生偏移或波动时，也不会增加测量误差。一般只能测到20MΩ的高阻，标准电阻为10MΩ，再高的话，会因为流过标准电阻和被测电阻的电流太过微弱，容易引入外界干扰，造成低位跳数不稳定，而且也会因A/D转换器输入接口都有RC输入电路滤波器，当标准电阻和被测电阻的阻值过大，会使RC输入电路滤波器的时间常数过大，造成测量时间过长而失去实用意义。

综上，需要对现有技术进行改进。

纯电阻线路，电导与电阻的关系G＝1/R，G为物体电导，导体的电阻越小，电导就越大。电导值G的单位为S(西门子)，1S＝1/Ω，1/1nS＝1GΩ＝1000MΩ。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种测量速度快，测量量程大的数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路，以及采用该电路进行电导和高阻值电阻测量的方法。

为解决上述技术问题，本发明提出一种数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路，包括测量电路和数字A/D转换显示电路，数字A/D转换显示电路包括相连的A/D转换器和显示电路；

所述数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路还包括精密放大转换电路；

所述测量电路由标准电阻R1和被测电阻Rx串联构成；

所述Rx的一端与测量电压V+相连，另一端与R1相连，Rx与R1的连接点a点与精密放大转换电路相连；

所述精密放大转换电路与A/D转换器相连。

作为本发明数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路的改进：

所述精密放大转换电路包括阻抗变换电路和分压调节电路；

所述阻抗变换电路的输入端与a点相连，输出端与A/D转换器相连；

所述分压调节电路位于与Rx两端电压Vx完全相同的电压区间中。

作为本发明数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路的进一步改进：

所述阻抗变换电路为同相电压跟随器电路或反相比例运算电路；

所述阻抗变换电路包括运算放大器及一组相互反向并联的，起保护作用的二极管，该组相互反向并联的二极管连接在运算放大器同相输入端和反相输入端之间；

所述分压调节电路由电阻R2与可调电阻组R3串联构成；所述R3的一端与测量电压V+相连，另一端与R2相连，R2与R3的连接点b点与A/D转换器相连。

作为本发明数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路的进一步改进：

所述阻抗变换电路为同相电压跟随器电路；

所述运算放大器的同相输入端与a点相连，反相输入端与其输出端相连；

此时：

所述R2的一端与R3相连，另一端与运算放大器的输出端相连；

所述R1的一端与Rx相连，并与运算放大器的同相输入端相连，另一端接地。

作为本发明数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路的进一步改进：

所述阻抗变换电路为反相比例运算电路；

所述运算放大器的反相输入端与a点相连，同相输入端接地；

此时：

所述R2的一端与R3相连，另一端接地；

所述R1的一端与Rx相连，并和运算放大器的反相输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连。

注：上述运算放大器均通过保护电阻R4与a点相连。

作为本发明数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路的进一步改进：

所述精密放大转换电路还包括至少一种辅助电路；

所述辅助电路包括但不限于保护电路、恒流源电路、调零电路、校正电路、防震荡电路、稳流稳压电路和升压电路。

为解决上述技术问题，本发明还提出一种利用上述电路进行电导和高阻值电阻测量的方法，包括以下步骤：

调试时，待测电阻Rx选择精密电阻10n(n≤3，n为正整数)MΩ，调整R3，使V1＝V2，V1为R1两端的电压值，V2为R2两端的电压值；

注：调试时所采用待测电阻Rx的精度不低于0.1％。

运算放大器输出端输出的电压为V4，V4电压值等同于V1；

所述V2由b点输出至A/D转换器；V4由运算放大器输出端输出至A/D转换器；

①、电导测量电路：以V4作为A/D转换器的V_IN输入，以V2作为A/D转换器的V_REF输入，此时数字A/D转换显示电路的显示值为(V4/V2)×1000；

②、电阻测量电路：以V2作为A/D转换器的V_IN输入，以V4作为A/D转换器的V_REF输入，此时数字A/D转换显示电路的显示值为(V2/V4)×1000。

作为本发明数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量方法的改进：

所述待测电阻Rx为100MΩ时(指调试时所采用待测电阻Rx的阻值)：

电导测量电路：电导测量范围为0.01nS～20nS，对应电阻值为50MΩ～100GΩ；

电阻测量电路：电阻测量范围为0～200MΩ；

所述待测电阻Rx为1000MΩ时：

电导测量电路：电导测量范围为0.001nS～2nS，对应电阻值为500MΩ～1000GΩ；

电阻测量电路：电阻测量范围为0～2000MΩ。

注：此时需要采用升压电路升高测量电压V+，即，升压电路与电源电压+5V相连，升高电源电压至更高值后给测量电路和分压调节电路提供较高的测量电压V+。

与现有技术相比，本发明的技术优势在于：

1、本发明提出的测量方法消除了现有技术中存在的计算误差，且电压变化会引起基准电压(V2)和测量信号电压(V4)的同比例变化，不影响测量结果。同时本发明所采用的保护二极管D1、D2两头是等电位，没有漏电流影响。故本发明能够有效提高电阻测量的精确度。

2、本发明测量量程最大为0.001-2nS，即可换算成测量阻值为1000000-500MΩ的电阻。将1000除以所显示的nS值，即得换算后的MΩ值，换算方便。

3、本发明在测量工作中，将测量信号直接送到精密放大转换电路，无需经过转换开关切换，且送出的信号为低内阻直流信号，抗干扰性能高。

4、本发明电导测量与高阻值电阻测量用的是同一套电路，在实际使用中只需将低内阻直流信号经转换开关切换即可，即，精密放大转换电路通过转换开关将信号发送至A/D转换器，结构简单，成本低。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细说明。

图1为现有比例法测量电路示意图；

图2为本发明数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路原理图；

图3为图2中测量电路示意图；

图4为实施例1中测量电路与精密放大转换电路连接示意图；

图5为实施例1中电导和高阻值电阻测量电路示意图；

图6为图5的具体实施案例Ⅰ的电路示意图；

图7为图5的具体实施案例Ⅱ的电路示意图；

图8为图7升压后的电路示意图；

图9为图4中实施例2中电导和高阻值电阻测量电路示意图；

图10为图9的具体实施案例Ⅰ的电路示意图；

图11为图9的具体实施案例Ⅱ的电路示意图；

图12为图9的具体实施案例Ⅲ的电路示意图；

图13为图9的具体实施案例Ⅳ的电路示意图；

图14为图11升压后的电路示意图。

图中：

Rx 为被测电阻；

R1 为标准电阻(取样)；

R2 为分压电阻，分压后取样；

R3 为分压电阻，带调节电位器；

R4 为保护电阻；

R5和R7 为稳流电路的电阻；

R6 为限流电阻；

D1、D2和D3 为用于保护的二极管；

D4 为稳压二极管，供测量电压用；

D5 为稳压二极管，稳流电路用；

BG1 为用于稳流的三极管；

BG2和BG3 为电阻直测时用于分流的三极管；

C1 为滤波电容；

Vx 为被测电阻的电压；

V1 为标准电阻的电压；

V2 为分压后取样电阻的电压；

V3 为分压后调整电阻的电压；

V4 为标准电阻的电压，经阻抗变换后输出的低阻抗电压，电压值等同于V1；

a 为被测电阻Rx和标准电阻R1的连接点；

a1 为a点经阻抗变换后输出的低阻抗电压点，同相跟随电路中其电压值等同于a点；

b 为R2和R3的连接点。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

实施例1、数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路(本说明书简称为电导和高阻值电阻测量电路)，如图1-14所示，包括依次相连的测量电路、精密放大转换电路和数字A/D转换显示电路。测量电路将测量电阻的电压信号发送至精密放大转换电路，由精密放大转换电路进行阻抗变换及电阻分压后，调节成能进行比例法测量电阻的电压。精密放大转换电路将调节完成的基准电压及测量信号电压发送至数字A/D转换显示电路，由数字A/D转换显示电路将其转换成相应的显示值进行显示。

数字A/D转换显示电路包括相连的A/D转换器和显示电路，其中A/D转换器可采用ICL7106、ICL7107和ICL7129等型号的A/D转换器，优先选用V_REF有V_REF+和V_REF-两个输入端，V_IN有V_IN+和V_IN-两个输入端的A/D转换器。本实施例中选用ICL7107三位半集成块。

注：数字A/D转换显示电路为现有技术，故不再本说明书中对其具体电路连接及工作内容进行详细阐述。

本发明测量电路采用比例法进行测量，现有比例法测量电路如图1所示；图1中R1是标准电阻，Rx是被测电阻，V1为标准电阻R1两端的电压，Vx为被测电阻Rx两端的电压。为解决其无法精准测量20MΩ以上的高阻，本发明对其进行改进，改进后的电路图如图3所示，即采用不对称的测量电路。此时，Rx的一端与电源正极(即，测量电压V+)相连，另一端与R1相连，Rx与R1的连接点a点与精密放大转换电路相连。

如图4所示，精密放大转换电路包括相连的阻抗变换电路和分压调节电路。

本发明中阻抗变换电路为同相跟随电路或反向跟随电路。R1的一端与Rx相连，另一端在同相电压跟随器电路中接地(如图3所示)，在反相比例运算电路中接该反相比例运算电路输出端(如图9所示)。

分压调节电路位于与Rx两端电压Vx完全相同的电压区间中，本发明分压调节电路由串联的R2和R3构成，其中为R3由电阻与可调电阻串联构成，本说明书中将该可调电阻组简称为R3。

精密放大转换电路还包括辅助电路；用户可根据实际需要选择一种或多种辅助电路；辅助电路包括但不限于保护电路、恒流源电路、调零电路、校正电路、防震荡电路、稳流稳压电路和升压电路。

本发明中测量电路和精密放大转换电路均采用与数字A/D转换显示电路相同的电源电压(+5v.-5v)。当Rx选用精确的100MΩ电阻，R1选用2MΩ电阻(R1仅要求1％的精度和低温度飘移特性)，此时R1上的电压约为100mv，正好满足3又1/2位A/D转换器的要求。

采用现有技术将被测电阻Rx(100MΩ)和标准电阻R1(2MΩ)串联，则因严重不对称，从而无法采用比例法进行测量。故本发明对比例法测量电路进行改进，将被测电阻Rx的电压进行阻抗变换及电阻(含电位器)分压，调节成为与较小的标准电阻R1上的电压相匹配，能进行比例法测量电阻的电压，从而实现测量。

具体实现方式为：令a点与精密放大转换电路相连，在精密放大转换电路中引出与R1上电压V1完全相同的电压V4；又在精密放大转换电路中在与Rx两端电压Vx完全相同的电压区间接入串连的分压电阻R2和R3。调节R3，在R2上引出与V4匹配，能进行比例法测量的电压V2，将V2与V4连接至A/D转换器。此时V2和V4为精密放大转换电路输出的两路低阻抗的电压信号，供数字A/D转换显示电路作为输入信号，本发明中以V2作为基准电压，V4为测量信号电压。

V2与V4两个输出电压，具有进行比例法测量的一切必要条件，还具有低输出阻抗、电源变化只会产生同比例变化而不影响测量精度、响应速度快等优点。同一电路能应对电导和高阻值电阻两种测量方法，只需通过转换开关将V2与V4二个输出电压对应的V_IN与V_REF两个输出端交换即可，高精度的运算放大器保证了有不低于普通比例法测量的精确度。综上，采用不同于通用比例法测量的标准电阻在上、被测电阻在下的串联方式，是为了能使被测电阻在上，方便使用较高的测量电压，并且能用电阻分压方式取出合适的测量电压。

具体可采用以下两种调试方式将电压V2和V4输入数字A/D转换显示电路：

①、以V4作为V_IN输入，以V2作为V_REF输入，调整R3，使V2＝V4，此时数字A/D转换显示电路的显示值为1000，就可组成0～20nS的电导测量电路(显示值＝(V4/V2)×1000)。

②、以V4作为V_REF输入，以V2作为V_IN输入，调整R3，使V2＝V4，此时数字A/D转换显示电路的显示值为1000，就可组成0～200MΩ的电阻测量电路(显示值＝(V2/V4)×1000)。

注：进行上述调试时，Rx应采用精度不低于0.1％的精密电阻，以保证精确度。因二种方式调试的是同一个电路，只要调试一个即可。实践证明，方法①电导测量电路较好，其尾数跳动很小。

在实际使用中，可根据需要电导和高阻值电阻测量电路中增设转换开关，通过转换开关控制V4和V2与V_IN和V_REF的连接关系，即，只需将精密放大转换电路输出至V_IN、V_REF的低内阻直流信号经转换开关切换，即可实现通过电导和高阻值电阻测量电路按需分别测量电导和高阻值电阻。在电路中接入转换开关切换不同的输入信号为现有技术，故不再详细描述，本发明中分别对测量电导的电导测量电路，以及测量高阻值电阻的电阻测量电路进行分析。

阻抗转换后，精密放大转换电路输出至V_IN、V_REF的两个电压均为低输出阻抗的直流电压(即，低内阻直流信号)，抗干扰能力强，且测量稳定，时间很短(1～2秒)，测量速度快，测量精度可达到不低于普通比例法电阻测量的精度。

阻抗变换电路可选用高输入阻抗的精密运算放大器(本说明书中简称运算放大器)，例如，可选用带调零的CA3130和CA3140等型号的运算方法器，以及不带调零的ICL7650、TLC2652和LTC1051等型号的斩波自稳零式高精度运算放大器。

本实施例中以阻抗变换电路为同相跟随电路，此时阻抗变换电路的输入端与a点相连，其输出端处a1点上的电压与a点相同，但a1点上的电压为带一定负载的低输出阻抗直流电压。

本实施例中分压调节电路一端与电源电压(或测量电压V+)相连，另一端与阻抗变换电路输出端相连，即，分压调节电路在与Rx相同的电压区间中。R3的一端与电源电压(或测量电压V+)相连，另一端与R2相连。R2的一端与R3相连，另一端与阻抗变换电路输出端相连。如图4所示，R2和R3的连接点为b点，阻抗变换电路输出端与R2的的连接点为a1点。b点和a1点分别与数字A/D转换显示电路相连。V2为R2两端的电压，V4为a1点与地之间的电压，即，相当于R1两端的电压(V1)。本实施例中V2由b点输出至A/D转换器；V4由运算放大器输出端输出至A/D转换器。

本实施中通过同相跟随电路，把a点的电压提取出来，得到既不影响a点的电压，又能输出一定电流，电压又与a点出电压完全相同的输出点a1点。从a1点到电源正极(或测量电压V+)，与Rx上的电压完全相同，又能带一定的负载。在接上分压调节电路后，就能取出与R1上的电压相匹配，能进行比例法测量的低输出阻抗电压b点，从a1点到地，电压也正好与R1上的电压完全相同。

如图5所示，本实施例中阻抗变换电路为同相电压跟随器电路。

运算放大器的同相输入端通过一个保护电阻R4与R1与Rx连接点a点相连；运算放大器的同相输入端与反相输入端之间设有一组相互反向并联的保护二极管(如图5中二极管D1和D2所示)。运算放大器的输出端分别与其反相输入端、以及分压调节电路相连(即，依次与R2、R3相连)，运算放大器的输出端还通过二级管D3接地，起保护作用(D3的正极接地，负极与运算放大器的输出端相连)。

注：上述保护电阻R4的阻值范围为100k～510k之间，与保护二极管(D1和D2)配合使用，在运算放大器应用中使用很普遍。我们选用的高输入阻抗运算放大器，输入电流仅为几pA，最大不会超过20pA，正常使用中，保护电阻R4上的压降可以忽略。

利用图5所示的电导和高阻值电阻测量电路进行测量的方法如下：

根据运算放大器工作原理，有以下等式：

V1/Vx＝IR1/IRx＝R1/Rx (1)

V1Rx＝R1Vx (2)

Vx＝V3+V2 (3)

V1＝V4 (4)

V2＝(V3+V2)R2/(R2+R3) (5)

V2＝VxR2/(R2+R3) (6)

Vx＝V2(R2+R3)/R2 (7)

V4Rx＝R1V2(R2+R3)/R2 (8)

V4Rx/V2＝R1(R2+R3)/R2 (9)

其中I为通过Rx和R1电流。Rx和R1相串联，故流过电流相同。

公式(6)由公式(3)带入公式(5)获得；

公式(7)由公式(6)变换获得；

公式(8)由公式(4)和公式(7)带入公式(2)获得；

公式(7)由公式(6)变换获得。

此时Rx用精密标准电阻100MΩ代入，调整R3，使V2＝V4。这时，V4接A/D转换器的V_IN，V2接A/D转换器的V_REF，显示值＝(V4/V2)×1000，因V4＝V2，所以显示值是1000(不考虑小数点)。从公式(9)看到，右边R1(R2+R3)/R2是一个定值，左边当Rx以系数k变化时，V4/V2将会以同样的系数k反比例变化，正好作为倒数运算，进行电导的测量。同时，当测量电压发生变化时，不会对测量结果产生影响，从未提高了电阻/电导测量的精确性。

取：V+＝5V(V+表示测量电压)，R1＝2.4MΩ，R2＝0.33KΩ，Rx＝100MΩ，计算获得R3＝13.42KΩ。不同阻值的Rx的测量运算结果如表1所示：

表1

由表1可知，本发明由现有技术相比所提出的电阻/电导测量方法在理论计算中不存在误差，从而具有高精确度。

根据实际需要，于图5中增加辅助电路后，把V4接A/D转换器的V_REF，V2接A/D转换器的V_IN，显示值＝(V2/V4)×1000，即可直测0-200MΩ。由于图5已给出本发明的电路示意图，本领域技术人员能够轻易实现根据实际需要在已知电路图中增加辅助电路，故本实施例中仅选择两个案例进行举例说明，省略其他辅助电路在本实施例中电路连接及工作内容的具体描述。

注：由于数字表中的档位，如200K档最大显示数为199.9K，千位数只能显示为1，称为半位，所以又称三位半A/D转换器。50MΩ档计算显示为20.00，已超出最大显示数19.99，所以标明溢出。下文表2中溢出解释同上。

具体案例Ⅰ：精密放大转换电路中增加保护电路。

如图6所示，测量电路和精密放大转换电路均通过一个电阻R6与电源正极(+5v)相连，即，电源正极(+5V)通过电阻R6为测量电路和精密放大转换电路提供测量电压V+。并在精密放大转换电路中接入稳压管D4，D4的正极接地，负极与测量电压V+相连。

稳压管D4的稳压值可根据A/D转换器和运算放大器的指标、性能范围来选取，建议于2.5～3.6V之间选取。

本案例可进行0～200MΩ的电阻的直接测量，当Rx＝0时，运算放大器同相输入端的电压等于稳压管D4电压，该电压应在A/D转换器和运算放大器的正常工作范围内。

注：如图6所示本案例还设有一端接地，另一端与测量电压V+相连的电容C1。

具体案例Ⅱ：精密放大转换电路中增加保护电路和恒流源电路(在具体案例Ⅰ的基础上做进一步改进)。

如图7所示，恒流源电路(低压差恒流源)由BG1与R7构成。电源正极(+5V)通过BG1为测量电路和精密放大转换电路提供测量电压；BG1为PNP型三极管，BG1的发射极与电源正极(+5V)相连，基极通过R7接地，集电极与测量电路和精密放大转换电路相连。R7可调节恒流源的恒流值。

本案例中在并在精密放大转换电路中接入D4和BG2；同具体案例Ⅰ，D4为稳压管，D4的正极接地，负极与测量电压V+相连。本案例D4为4.3V的稳压管，在实际使用中可根据需要在4～4.5V范围内进行取值，稳压值越高，流过Rx的电流越大。BG2为NPN型三极管，BG2的发射极接地，集电极与测量电压相连，基极分别与阻抗变换电路和分压调节电路相连，即，基极与运算放大器的输出端和R2的连接点相连。

本案例中R1取2.4MΩ，采用1％精度、低温飘的金属膜电阻。R2取0.33KΩ，R3取12～15KΩ(含可调电阻)，金属膜电阻加多圈精密电位器。

当V2作V_REF输入，V4作V_IN输入，可作电导测量，显示数为(V4/V2)×1000，范围0.01nS-20nS，转换成电阻为50MΩ-100GΩ(100000MΩ)。

注：电导测量时，最小值为50MΩ，所以不会出现BG2导通，分流BG1输出电流现象。

当V4作V_REF输入，V2作V_IN输入，可作0～200MΩ的电阻的直接测量。这时电路工作分二个阶段：

当BG2未进入导通状态时，Rx变化时，V4与V2也相应变化(如表1所示)，显示数为(V2/V4)×1000；

当Rx减小，导致V4上升到BG2基极开始进入导通状态时，V4电压上升受限，BG2进入导通状态，开始分流BG1输出电流，直致完全接受BG1输出电流，V+电压下降，导致V2电压下降，达到电路新的平衡。最终当Rx＝0时，V2也应等于0，显示值也为0。

即，当Rx阻值减小时，V4增大，V2减小，显示数(V2/V4)×1000也减小。当V4增大至BG2进入导通状态时，分流BG1输出电流，导致V+电压下降，电阻测量电路自动求得新的平衡。

本实施例中：假设BG1集电极稳流输出的电流值为4mA，输出的电压为4.3V(即V+＝4.3V)BG2基极导通电压为0.7v，且BG2的直流放大倍数为100，运算放大器的输入端的电流极小，可忽略不计。

注：其余参数同上述，即，R1＝2.4MΩ，R2＝0.33KΩ，Rx＝100MΩ，R3＝13.42KΩ。

当Rx减小至12.41MΩ时，V1＝V4＝0.7v，BG2处于导通与截止的临界状态。

当Rx减少到10MΩ时，V1＝V4＝0.7v，BG2进入导通状态，此时：

流过Rx的电流IRx与流过R1的电流IR1相等，IRx＝IR1＝V1/R1＝0.7V÷2.4MΩ≈0.29μA；BG1集电极处的电压＝0.29μA×(Rx+R1)≈3.6V。

流过R3的电流IR3与流过R2的电流IR2相等，IR3＝IR2＝(3.6V－0.7V)÷(R3+R2)＝2.9V÷13.75K≈0.2109mA。

D4稳压二极管截止，BG2集电极处流入电流为BG1集电极稳流输出的电流减去IRx和IR3，即，4mA－0.29μA－0.2109mA＝3.78881mA。

BG2集电极基极的电流即为3.78881mA÷100≈0.038mA。

运算放大器输出端吸收电流＝0.2109mA-0.038mA＝0.1729mA。

至此，电路获得在Rx＝10MΩ情况下的平衡状态。Rx在其他阻值下的状态，可以依上面的运算分析。

根据上述计算结果计算分析可知：

V2＝IR2×R2＝0.2109mA×0.33KΩ≈0.07V。

显示数为(V2/V4)×1000＝10，与Rx阻值相等，从而证明上述根据运算放大器工作原理建立的等式仍适用于重新建立平衡的电阻测量电路。

即使上述建立平衡的过程中，影响的因素很多，但是在建立新的平衡以后，依运算放大器工作原理建立的等式却丝毫不变，显示的数据仍正确无误。

故需要将V4限止在一个合理的范围内，否则V4一直上升，到一定程度，会超出运算放大器和A/D转换器的工作电压范围，会导致电导和高阻值电阻测量电路无法正常工作。同上，如图6所示的具体案例Ⅰ中根据需根据A/D转换器和运算放大器的指标、性能范围来选取稳压管D4的稳压值，建议于2.5～3.6V间选取。

注：如图7所示本案例还设有一端接地，另一端与测量电压V+相连的电容C1，这是一个滤波电容。

如图8所示，在上述案例Ⅱ的基础上，加入升压电路、稳压管D5和电阻R5，在有足够的电压差情况下，以获得更优良的稳流特性。这也是其他电路中，采用一个电阻和一个三极管，组成性能稍差的低压降恒流源的原因，牺牲部份要求不高的性能来求得更高的测量电压。

升压电路与电源电压(+5V)相连，使原工作电压(即电源电压+5V)通过升压电路将增加约10倍，如图8所示，此时工作电压为+47V。BG1的发射极通过R5与升压电路相连，即，升压电路升高后的工作电压+47V依次通过R5和BG1为测量电路和精密放大转换电路提供测量电压V+，此时测量电压为+43V，从而可以实现对超高电阻的测量。D5正极与BG1基极相连，负极与工作电压(+47V)相连。

调试时被测电阻Rx采用精确的1000MΩ。按照上述方法进行调试，本电路可实现电导测量0.001nS～2nS，换算成电阻值是500MΩ～1000GΩ(1000000MΩ)，兼有0-2000MΩ电阻直测功能。由于图8所示升压后的电导和高阻值电阻测量电路与上述案例Ⅱ工作原理相同，故在此处不对其具体工作方法进行详细介绍。

实施例2、将实施例1中阻抗变换电路由同相电压跟随器电路更改为反相比例运算电路。

如图9所示，本实施例中电导和高阻值电阻测量电路具体连接方式如下：

测量电路仍由R1与Rx串联构成。本实施例中Rx的一端与测量电压V+相连，另一端与R1相连。R1一端与Rx相连，另一端与阻抗变换电路输出端相连，Rx与R1的连接点为a点。

阻抗变换电路由运算放大器以及一组相互反向并联的二极管(如图9中保护二极管D1和D2所示)构成，该组相互反向并联的二极管连接在运算放大器的同相输入端于反相输入端之间。运算放大器的反相输入端通过一个保护电阻R4与Rx与R1的连接点a点相连，输出端与R1的一端相连，即，此时R1的一端与Rx及运算放大器的反相输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连。运算放大器的同相输入端接地。此时运算放大器的输出端处的对地电压值与R1两端的电压值相等，如图9中V4所示。本实施例中V2由b点输出至A/D转换器；V4由运算放大器输出端输出至A/D转换器。

分压调节电路同实施例1由R2和R3串联构成。本实施例中R3一端与测量电压V+相连，另一端与R2相连；R2的一端与R3相连，另一端接地。R2和R3之间的连接点为b点。b点和运算放大器输入端点分别与数字A/D转换显示电路相连。V2为R2两端的电压，V3为R3两端的电压。

本实施例数字A/D转换显示电路采用的A/D转换器仍为ICL7107三位半集成块。V1电压是0V以下的负压，本实施例以0V接V_IN+或V_REF+，运算放大器输出端接V_IN-或V_REF-的方式接入A/D转换器。

利用图9所示的电导和高阻值电阻测量电路进行测量的方法如下：

根据运算放大器工作原理，有以下等式：

V1/Vx＝IR1/IRx＝R1/Rx (1)

V1Rx＝VxR1 (2)

Vx＝V2+V3 (3)

V1＝V4 (4)

V2＝(V2+V3)R2/(R2+R3) (5)

V2＝VxR2/(R2+R3) (6)

Vx＝V2(R2+R3)/R2 (7)

V1Rx＝R1V2(R2+R3)/R2 (8)

V1Rx/V2＝R1(R2+R3)/R2 (9)

V4Rx/V2＝R1(R2+R3)/R2 (10)

其中I为通过Rx和R1电流。Rx和R1相串联，故流过电流相同。

公式(6)由公式(3)带入公式(5)获得；

公式(7)由公式(6)变换获得；

公式(8)由公式(7)带入公式(2)获得；

公式(9)由公式(8)变换获得。

公式(10)由公式(4)带入公式(9)获得；

此时Rx用标准电阻100MΩ代入，调整R3，使V2＝V4。这时，V4接A/D转换器的V_IN，V2接A/D转换器的V_REF，显示值＝(V4/V2)×1000，因V4＝V2，所以显示值是1000(不考虑小数点)。从公式(10)看到，右边R1(R2+R3)/R2是一个定值，左边当Rx以系数k变化时，V4/V2将会以同样的变化系数k反比例变化，正好作为倒数运算，进行电导的测量。

取：V+＝5V(V+表示测量电压)，R1＝2.4MΩ，R2＝0.33KΩ，Rx＝100MΩ，计算获得R3＝13.42KΩ。不同阻值的Rx的测量运算结果如表2所示：

表2

由表2可知，本发明采用反相比例运算电路进行测量电压及电导时，理论计算仍不存在误差，从而具有高精确度。

根据实际需要，于图9中增加辅助电路后，把V4接A/D转换器的V_REF，V2接A/D转换器的V_IN，显示值＝(V2/V4)×1000，即可直测0-200MΩ。由于图9已给出本发明的电路示意图，本领域技术人员能够轻易实现根据实际需要在已知电路图中增加辅助电路，故本实施例中仅选择以下几个案例进行举例说明，省略其他辅助电路在本实施例中电路连接及工作内容的具体描述。

具体案例Ⅰ：精密放大转换电路中增加保护电路。

如图10所示，同实施例1的具体案例Ⅰ，测量电路和精密放大转换电路均通过一个电阻与电源正极(+5v)相连，即，电源正极(+5V)通过一个电阻为测量电路和精密放大转换电路提供测量电压。并在精密放大转换电路中接入稳压管D4，D4的正极接地，负极与测量电压V+相连。

本案例的电阻测量档为200MΩ，当Rx小于3MΩ时，运算放大器可能会饱和，此时测试表棒短路，也会有2MΩ左右的显示，故建议使用该电路的，应在5MΩ以下阻值换档测量。

注：如图10所示本案例还设有一端接地，另一端与测量电压V+相连的电容C1。

具体案例Ⅱ至Ⅳ：精密放大转换电路中增加保护电路和恒流源电路(在具体案例Ⅰ的基础上做进一步改进)。

具体案例Ⅱ：

如图11所示，恒流源电路(低压差恒流源)由BG1与R7构成。电源正极(+5V)通过BG1为测量电路和精密放大转换电路提供测量电压；BG1为PNP型三极管，BG1的发射极与电源正极(+5V)相连，基极通过R7接地，集电极与测量电路和精密放大转换电路相连。R7可调节恒流源的恒流值。

本案例中在并在精密放大转换电路中接入D4、BG2和BG3；同案例Ⅰ，D4为稳压管，D4的正极接地，负极与测量电压V+相连。本案例D4为4.3V的稳压管，在实际使用中可根据需要在4～4.5V范围内进行取值，稳压值越高，流过Rx的电流越大。

BG2为PNP型三极管，BG3为NPN型三极管，BG2和BG3构成共集-共基组合放大电路，运放输出负荷轻，工作稳定。

BG2的发射极与BG3的发射极相连，基极与运算放大器的输出端相连，集电极接电源负极(-5V)；BG3的基极接地，集电极接测量电压(即，BG1的集电极)。

运算放大器的输出端与R1和BG2相连，该输出端与地之间的电压等于R1上的电压，即V1＝V4。

本案例中R1取2.4MΩ，采用1％精度、低温飘的金属膜电阻。R2取0.33KΩ，R3取12～15KΩ(含可调电阻)，金属膜电阻加多圈精密电位器。

当V2作V_REF输入，V4作V_IN输入，可作电导测量，显示数为(V4/V2)×1000，范围0.01nS-20nS，转换成电阻为50MΩ-100GΩ(100000MΩ)。

当V4作V_REF输入，V2作V_IN输入，可作0～200MΩ的电阻的直接测量。这时电路工作分二个阶段：

当BG2、BG3未进入导通状态时，Rx变化时，V4相应变化，V2不变，显示数为(V2/V4)×1000。

注：本案例中Rx值到7.4MΩ左右，BG2和BG3才会开始进入导通状态，故表2中Rx取值均未降低至BG2和BG3导通，测量电压V+无变化，此时V2也保持不变。

当Rx减小至V4下降到BG2、BG3开始进入导通状态时，V4电压下降受限，BG2、BG3进入导通状态，开始分流BG1输出电流，直致完全接受BG1输出电流，V+电压下降，导致V2电压下降，达到电路新的平衡。最终当Rx＝0时，V2也应等于0，显示值也为0。

具体为：

当Rx阻值下降，导致流过Rx、R1电流上升，运放输出端电压下降，运放输出端电压下降至BG2和BG3导通电压(约为－1.4V)时，BG2和BG3导通，分流了BG1的电流；当BG2和BG3完全吸收了BG1的电流时，BG1集电极处电压(即，测量电压V+)开始下降，导致流过Rx和R1电流下降，形成一个负反馈，电路得到平衡。极限情况下，当Rx阻值下降至零，BG1集电极处电压(即，测量电压V+)电压等于0电压，V_IN为0，V_REF为1.4V.显示＝(0÷1.4)×1000＝0。

注：达成电路平衡的计算方式可参照实施例1.

如图11所示本案例还设有一端接地，另一端与测量电压V+(即，BG1的集电极)相连的电容C1。

BG2和BG3也可以有其他的接法，如图12所示，即具体案例Ⅲ所示。

具体案例Ⅲ：

如图12所示，恒流源电路及保护电路的连接方式同上述具体案例Ⅱ，即，仅BG2和BG3连接方式不同。

本案例中BG2为PNP型三极管，BG3为NPN型三极管，BG2和BG3构成双共射放大电路，运放输出负荷轻，放大倍数大。

BG2的集电极与BG3的基极相连，基极与运算放大器的输出端相连，发射极接地；BG3的发射极接电源负极(-5V)，集电极接测量电压V+(即，BG1的集电极)。

本案例同案例Ⅱ，当运算放大器的输出端电压下降至BG2和BG3的导通电压，BG2、BG3开始导通，从而分流了稳压管D4的电流，至V+电压下降，直至降到0V为止。

具体案例Ⅳ：

如图13所示，恒流源电路及保护电路的连接方式同上述具体案例Ⅱ，仅将BG3连入电路。本案例为单共基电路，电流放大倍数小于等于一，电路简单。

本案例中BG3为NPN型三极管，BG3的发射极接运算放大器输入端，集电极接测量电压V+(即，BG1的集电极)，基极接地。

当直接测量电阻时该单共基电路工作方式同上述共集-共基组合放大电路，即，当BG3未进入导通状态时，Rx变化时，V4也相应变化，显示数为(V2/V4)×1000，当Rx减小，导致V4下降到BG3开始进入导通状态时，V4电压下降受限，BG3进入导通状态，开始分流BG1输出电流，直致完全接受BG1输出电流，V+电压下降，导致V2电压下降，达到电路新的平衡。最终当Rx＝0时，V2也应等于0，显示值也为0。

如图14所示，在上述案例Ⅱ的基础上，加入升压电路、稳压管D5和电阻R5；升压电路与电源电压(+5V)相连，使原工作电压(即电源电压+5V)通过升压电路将增加约10倍，如图14所示，此时工作电压为+47V。BG1的发射极通过R5与升压电路相连，即，升压电路升高后的工作电压+47V依次通过R5和BG1为测量电路和精密放大转换电路提供测量电压V+，此时测量电压为+43V，从而可以实现对超高电阻的测量。D5正极与BG1基极相连，负极与工作电压(+47V)相连。

调试时被测电阻Rx采用精确的1000MΩ。按照上述方法进行调试，本电路可实现电导测量0.001nS～2nS，换算成电阻值是500MΩ～1000GΩ(1000000MΩ)，兼有0-2000MΩ电阻直测功能。由于图14所示升压后的电导和高阻值电阻测量电路与上述案例Ⅱ工作原理相同，故在此处不对其具体工作方法进行详细介绍。

最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的若干个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (8)

1.数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路，包括测量电路和数字A/D转换显示电路，数字A/D转换显示电路包括相连的A/D转换器和显示电路；其特征在于：

所述数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路还包括精密放大转换电路；

所述测量电路由标准电阻R1和被测电阻Rx串联构成；

所述Rx的一端与测量电压V+相连，另一端与R1相连，Rx与R1的连接点a点与精密放大转换电路相连；

所述精密放大转换电路与A/D转换器相连。

2.根据权利要求1所述的数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路，其特征在于：

所述精密放大转换电路包括阻抗变换电路和分压调节电路；

所述阻抗变换电路的输入端与a点相连，输出端与A/D转换器相连；

所述分压调节电路位于与Rx两端电压Vx完全相同的电压区间中。

3.根据权利要求2所述的数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路，其特征在于：

所述阻抗变换电路为同相电压跟随器电路或反相比例运算电路；

所述阻抗变换电路包括运算放大器及一组相互反向并联的，起保护作用的二极管，该组相互反向并联的二极管连接在运算放大器同相输入端和反相输入端之间；

所述分压调节电路由电阻R2与可调电阻组R3串联构成；所述R3的一端与测量电压V+相连，另一端与R2相连，R2与R3的连接点b点与A/D转换器相连。

4.根据权利要求3所述的数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路，其特征在于：

所述阻抗变换电路为同相电压跟随器电路；

所述运算放大器的同相输入端与a点相连，反相输入端与其输出端相连；

此时：

所述R2的一端与R3相连，另一端与运算放大器的输出端相连；

所述R1的一端与Rx相连，并与运算放大器的同相输入端相连，另一端接地。

5.根据权利要求3所述的数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路，其特征在于：

所述阻抗变换电路为反相比例运算电路；

所述运算放大器的反相输入端与a点相连，同相输入端接地；

此时：

所述R2的一端与R3相连，另一端接地；

所述R1的一端与Rx相连，并和运算放大器的反相输入端相连，另一端与运算放大器的输出端相连。

6.根据权利要求1-5任一所述的数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量电路，其特征在于：

所述精密放大转换电路还包括至少一种辅助电路；

所述辅助电路包括但不限于保护电路、恒流源电路、调零电路、校正电路、防震荡电路、稳流稳压电路和升压电路。

7.利用如权利要求1-6任一所述的电路进行电导和高阻值电阻测量的方法，其特征在于以下步骤：

调试时，待测电阻Rx选择精密电阻10ⁿ(n≤3，n为正整数)MΩ，调整R3，使V1＝V2，V1为R1两端的电压值，V2为R2两端的电压值；

运算放大器输出端输出的电压为V4，V4电压值等同于V1；

所述V2由b点输出至A/D转换器；V4由运算放大器输出端输出至A/D转换器；

①、电导测量电路：以V4作为A/D转换器的V_IN输入，以V2作为A/D转换器的V_REF输入，此时数字A/D转换显示电路的显示值为(V4/V2)×1000；

②、电阻测量电路：以V2作为A/D转换器的V_IN输入，以V4作为A/D转换器的V_REF输入，此时数字A/D转换显示电路的显示值为(V2/V4)×1000。

8.根据权利要求7所述的数字显示高灵敏度电导和高阻值电阻测量方法，其特征在于：

所述待测电阻Rx为100MΩ时：

电导测量电路：电导测量范围为0.01nS～20nS，对应电阻值为50MΩ～100GΩ；

电阻测量电路：电阻测量范围为0～200MΩ；

所述待测电阻Rx为1000MΩ时：

电导测量电路：电导测量范围为0.001nS～2nS，对应电阻值为500MΩ～1000GΩ；

电阻测量电路：电阻测量范围为0～2000MΩ。