CN108918974A - 瞬态电阻值测量电路和高速瞬断测试仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种瞬态电阻值测量电路和高速瞬断测试仪，所述瞬态电阻值测量电路包括基准电压源、限流电阻、放大器和模数转换器；所述限流电阻的一端连接所述基准电压源，另一端连接被测电阻的一端，所述被测电阻的另一端接地；所述放大器与所述被测电阻的所述一端连接，用于放大所述被测电阻上产生的电压；所述模数转换器与所述放大器的输出端连接，用于将所述放大器输出的电压信号转换成数字量。本发明能够对短时瞬态变化的电阻信号进行高速捕捉和准确测量，具有速度快准确度高的优点。

Description

瞬态电阻值测量电路和高速瞬断测试仪
技术领域
本发明涉及仪器检测技术领域，尤其涉及一种瞬态电阻值测量电路和高速瞬断测试仪。
背景技术
导通瞬断测试仪是一种精密测量仪器，用来监测电连接器连接线束及互相连接的元器件在振动、冲击、碰撞等动载荷环境试验时是否会突然发生瞬间断路的现象，同时检测发生瞬断的位置和时间，用于判定线束和连接器等元件在动态使用过程中的接触可靠性。
瞬断的发生实际是连接器在动态环境下接触电阻的变化，接触电阻的变化有明显断路、时通时断、接触电阻稳定增大、接触电阻无规律增大、接触电阻周期变化、接触电阻瞬间变化等，这几种接触电阻变化有的已经属于不可靠连接，因此判定瞬断现象是否发生，实际上就是测量接触电阻的瞬态量值和瞬变时间是否超过规定值。
现有的用于瞬断测试仪的瞬态电阻测量方法是恒流源电阻测量法。根据欧姆定律R＝U/I，在被测电阻上施加恒定的电流，测量被测电阻的电压值，就可以计算出被测电阻上的电阻值，图1为现有技术的恒流法实现的电阻测量原理图，其中，R1为被测瞬断电阻，Vo为瞬断电阻R1上的电压降，I为流入瞬断电阻的电流。
这种电路的电压输出与电阻的阻值呈线性关系，测量精度高，非常适合在高精度电阻测量的应用场合。这种电路的缺点在于电路结构较为复杂，同时因为恒流源电路本身的负载特性，恒流源在负载变化时电流会产生变化，要达到电流稳定需要一定振荡调整的时间。
图2是现有技术的恒流源电阻测量法的说明图，其中的(a)为恒流电路原理图，(b)为恒流源在被测电阻突然变化时产生的电流瞬态响应过程。在图2(a)所示的恒流电路中，Vref为参考电源，Cf为外部线路的分布电容，Ci为晶体管分布电容，Rs为恒流采样电阻，R1为被测电阻。在图2(b)中，I为流入被测电阻的电流，Ts为恒流动态稳定时间。由于存在外部线路的分布电容及晶体管分布电容，这个电流瞬态响应过程中，电流的大小不能确定，被测电阻上的电压没有正确反应电阻准确值，导致电阻测量出现较大的误差。
高速瞬断测试仪主要测量短时瞬态变化的电阻值，通过测量瞬态电阻值来判断是否达到瞬断条件，要求在瞬态电阻时间测量分辨率达到0.1μs级别的同时，又要保持电阻测量的精度，因此要求恒流电流的最小稳定时间在0.1μs以内。
而如图2所示，在被测电阻R1突然快速变化的过程中，恒流源电流失去稳定，反馈回路与恒流基准电压产生不平衡的偏差信号，运算放大器输出调节电压，试图使输出电流保持稳定，从而使电路进入阻尼振荡调节过程；由于功率晶体管输入电容、分布电容、反馈电容、运放输出电阻等影响，这些因素都会使恒流源的瞬态响应时间降低，阻尼振荡时间变长。
如典型MOS管的输入电容Ci的容量大约为1000pF左右，典型运算放大器输出阻抗在50～200Ω左右，它的时间常数T＝RC＝50×10-9＝0.05μs，在一个动态稳定过程中最少要5个以上周期的调整时间才能稳定下来。这个时间远超过0.1μs，且不包括电源纹波、分布电容、运放的带宽、反馈时间等在内的影响，实际还需要更长的稳定时间。因此恒流源电阻测量法不适合作为高速瞬断测试仪的瞬态电阻测量方法。
发明内容
针对现有技术的恒流源电阻测量法存在的结构复杂、稳定时间长的问题，本发明的目的是提供一种瞬态电阻值测量电路和高速瞬断测试仪，能够对短时瞬态变化的电阻信号进行高速捕捉和准确测量，速度快、准确度高。
本发明的一个方面提供一种瞬态电阻值测量电路，包括基准电压源、限流电阻、放大器和模数转换器；所述限流电阻的一端连接所述基准电压源，另一端连接被测电阻的一端，所述被测电阻的另一端接地；所述放大器与所述被测电阻的所述一端连接，用于放大所述被测电阻上产生的电压；所述模数转换器与所述放大器的输出端连接，用于将所述放大器输出的电压信号转换成数字量。
本发明的另一个方面提供一种高速瞬断测试仪，包括上述的瞬态电阻值测量电路。
根据本发明的上述方面的技术方案，能够对短时瞬态变化的电阻信号进行高速捕捉和准确测量，具有速度快准确度高的优点。
附图说明
图1是现有技术的恒流法实现的电阻测量原理图；
图2是现有技术的恒流源电阻测量法的说明图，其中的(a)为恒流电路原理图，(b)为恒流源在被测电阻突然变化时产生的电流瞬态响应过程；
图3是本发明的一个实施方式的电阻分压法实现的瞬态电阻测量原理图；
图4是本发明的一个实施方式的瞬态电阻值测量电路的示意图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明。
本发明的一个实施方式提供一种瞬态电阻值测量电路，包括基准电压源、限流电阻、放大器和模数转换器；所述限流电阻的一端连接所述基准电压源，另一端连接被测电阻的一端，所述被测电阻的另一端接地；放大器，与所述被测电阻的所述一端连接，用于放大所述被测电阻上产生的电压降；所述模数转换器与所述放大器的输出端连接，用于测量所述被测电阻的瞬态电阻值。
本实施方式是用于高速瞬断测试仪的瞬态电阻值测量电路，主要采用“电阻分压法”测量原理对短时瞬态变化的电阻信号进行高速捕捉和准确测量，具有速度快准确度高的优点。基于该瞬态电阻值测量电路制造而成的导通瞬断测试仪，其瞬态电阻量值测量准确度能够达到0.1Ω量级以上，能够准确判定电连接器瞬断现象的发生，同时测量瞬断时间。
“电阻分压法”的原理是在两个电阻的串联电路中，流经两个电阻上的电流相等，两个电阻两端的电压之和等于电路总电压。图3是本发明的一个实施方式的电阻分压法实现的瞬态电阻测量原理图。如图3所示，已知Vref、R2的值为固定值，连接器接触电阻R1为被测值，求电路中R1的值。在连接器回路中，流经R2、R1的电流I相同，因此可推出连接器接触电阻R1的值：
Vref＝I×R1+I×R2 (1)
Vo＝I×R1 (2)
从上面公式(1)-(3)可知，通过测量R2上的电压值，可以得到R1上的电压值Vo和电流I的值，然后通过公式(4)可计算出连接器接触电阻R1的电阻值。
本发明的瞬态电阻测量方法的具体的功能实现是通过瞬态电阻值测量电路实现的。
图4是本发明的一个实施方式的瞬态电阻值测量电路的示意图。如图4所示，该瞬态电阻值测量电路包括直流电压基准源Vref、限流电阻R2、高速放大器、高速比较器、高速ADC(Analog-to-Digital Converter，模数转换器)。在工作时，直流电压基准源Vref提供测量工作电压，经50Ω限流电阻R2产生的电流进入连接器接触电阻R1，当连接器接触电阻R1产生变化的瞬态电阻时，变化的接触电阻R1上产生对应的电压Vo。电压Vo与R1的对应关系为：Vo＝Vref*R1/(R1+R2)，在Vref、R2的值已知的情况下，只要测量出Vo的值便可计算出R1的电阻值。
电压Vo经高速放大器放大后一路进入比较器与比较电压阈值(即，瞬断阈值电压)进行比较(瞬断阈值电压可由用户根据需要设置)，比较器输出比较结果，用于判断瞬态电阻是否超出报警设定限值。另一路进入高速ADC进行模数转换，当判断瞬态电阻超出报警设定限值时，高速ADC实时转换输入的电压信号将信号并转换成数字量。
在本实施方式中，高速ADC也可以实时进行模数转换，得到瞬态电阻值。在这种方案中，不需要高速比较器，可实现瞬断电阻值的实时测量。
为保证在对连接器的瞬态电阻进行测量时测试电流不对连接器产生损伤，要求电流小于等于100mA。本电路采用5V电压基准源，经50Ω限流电阻产生最大100mA电流进入连接器，以减小测量对连接器产生的损伤。
优选地，本实施方式的瞬态电阻值测量电路还包括MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，MCU用于进行测量电路的辅助控制，包括设置比较器的瞬断阀值电压，以及读取高速ADC的电压信号转换结果，并根据该电压数字量，计算得到被测电阻的瞬态电阻值。
本发明的上述实施方式所利用的电阻分压法，其基准电压源精度高、无调节器件、稳定而且工艺简单。从原理上讲，测量电压输出大小只与被测电阻的大小有关，瞬断电压上升率与瞬态电阻值的变化率有关，因此输出电压变化速度快，符合对瞬态电阻实现高速测量的要求。
本发明的另一实施方式提供一种高速瞬断测试仪，包括上述的瞬态电阻值测量电路。基于本发明的瞬态电阻值测量电路制造而成的高速瞬断测试仪，其通过高速放大器及高速比较器，对瞬态电阻的高速捕捉时间分辨率能够达到0.1μs量级以上，通过高速放大器及高速ADC转换器，瞬态电阻量值测量准确度能够达到0.1Ω量级以上，通过以上电路的高速测量功能，能够准确判定电连接器瞬断现象的发生，同时测量瞬断时间。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施方式，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施方式进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明保护范围的限制。

Claims (8)

1.一种瞬态电阻值测量电路，其特征在于，包括基准电压源、限流电阻、放大器和模数转换器；
所述限流电阻的一端连接所述基准电压源，另一端连接被测电阻的一端，所述被测电阻的另一端接地；
所述放大器与所述被测电阻的所述一端连接，用于放大所述被测电阻上产生的电压；
所述模数转换器与所述放大器的输出端连接，用于将所述放大器输出的电压信号转换成数字量。
2.根据权利要求1所述的瞬态电阻值测量电路，其特征在于，还包括微控制单元，用于读取所述模数转换器的转换结果，并根据所述转换结果，计算得到所述被测电阻的瞬态电阻值。
3.根据权利要求1或2所述的瞬态电阻值测量电路，其特征在于，还包括比较器，所述比较器的一个输入端与所述放大器的输出端连接，另一个输入端连接瞬断阈值电压。
4.根据权利要求3所述的瞬态电阻值测量电路，其特征在于，所述微控制单元还用于设定所述瞬断阈值电压，并且根据所述比较器的比较结果，判断瞬态电阻值是否超出所述瞬断阈值电压。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的瞬态电阻值测量电路，其特征在于，所述基准电压源的电压为5V。
6.根据权利要求1-5中任一项所述所述的瞬态电阻值测量电路，其特征在于，所述限流电阻为50Ω。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的瞬态电阻值测量电路，其特征在于，所述模数转换器、所述放大器和所述比较器分别为高速模数转换器、高速放大器和高速比较器。
8.一种高速瞬断测试仪，其特征在于，包括根据权利要求1-7中任一项所述的瞬态电阻值测量电路。
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