CN110441604A - 利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路及方法，电路包括PC机、嵌入式处理器、惠斯通电桥、电桥交换电路和电压比较电路；PC机用于发出控制指令，调节桥臂电阻，判断电桥平衡，采集测量数据，计算数据；惠斯通电桥由第一比较电阻、第二比较电阻、待测电阻和电阻源组成，根据PC机传输的指令调节阻值大小；电桥交换电路用于提供电路支路，使第一比较电阻、第二比较电阻在惠斯通电桥中的位置交换；电压比较电路用于采集电桥上端与下端之间的压差并输出至嵌入式处理器。本发明有效解决电阻测量过程中测量操作繁琐、测量误差较大的问题，使数据的处理更加直观、科学、精确，也便于开展需要精确电阻相关的后期应用。

Description

利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路及方法

技术领域

本发明涉及电子测量技术领域，具体地指一种利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路及方法。

背景技术

目前大学物理实验室中的惠斯通电桥测量电阻的方法都是使用手工测量，通过调节桥臂使得电流计为零，记录旋钮触点式电阻箱阻值，利用消元法，计算两次电阻箱读值相乘的开方为测量阻值。这样的测量存在两类问题：(1)由于利用人眼观察电阻读数，费时费力，更存在人为实验带来的误差，工作太过于繁琐，误差太大等问题。数据处理的方面，需要人力处理或者人为输入计算机中，过程复杂，存在数据的遗漏，导致测量数据不完善不准确(2)机械式旋钮电阻箱会因为机械触点长期使用出现损耗，具有难以数控化等诸多问题，无法快速便捷的得到大量的测量数据，精度不够高等问题。于是有专家学者就提出了基于惠斯通电桥的数控方案，其中比较先进的就是基于单片机的惠斯通电桥设计，该设计保留原惠斯通电桥的原理和基本结构，桥臂上待测电阻外的三个电阻保持不变，这样待测电阻不同，则原来检流计接的桥臂两点的电压不同，电压随待测电阻的阻值变化而变化,将电压进行AD转换后通过单片机进行数字化处理，直接数字显示电阻的阻值。这种方法对桥臂电阻的要求不高，受外界条件的限制小，但是因为它使用的数字电位器代替传统旋钮式电阻箱，而数字电位器是存在精度差的问题，最优的步进量也是10欧姆，对测量并没有实际应用意义，再者其利用单片机完成的，单片机不能对所得数据进行大量存储，数据的处理速度，显示方式，后期科学处理等方面，相对于计算机来说均有不足。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，而提出的一种利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路及方法，可以有效解决电阻测量过程中测量操作繁琐、测量误差较大的问题，使电阻测量变得更加简单，快捷，方便，使数据的处理更加直观、科学、精确，也便于开展需要精确电阻相关的后期应用。

为实现上述目的，本发明所设计的利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路，其特殊之处在于，所述电路包括PC机、嵌入式处理器、惠斯通电桥、电桥交换电路和电压比较电路；

所述PC机用于发出控制指令，调节桥臂电阻，判断电桥平衡，采集测量数据，计算数据；

所述嵌入式处理器用于将PC机发出的指令转换为高低电平逻辑传输至惠斯通电桥、电桥交换电路和比较电路，并接收比较电路的采集数据；

所述惠斯通电桥由第一比较电阻、第二比较电阻、待测电阻和电阻源组成，第一比较电阻和第二比较电阻位于电桥上端，待测电阻和电阻源位于电桥下端，所述第一比较电阻、第二比较电阻和电阻源的控制端与嵌入式处理器连接，根据PC机发送的指令调节阻值大小；

所述电桥交换电路用于提供电路支路，使第一比较电阻、第二比较电阻在惠斯通电桥中的位置交换；

所述比较电路用于采集电桥上端与下端之间的压差并输出至嵌入式处理器。

进一步地，所述电阻源包括数模转换器DAC，所述数模转换器 DAC均与第一运算放大器U1连接，构成分压电路，所述电阻源的输入端设置有参考电阻R_ref，输出端设置有拉高电阻R_pull-up，所述参考电阻R_ref分别与第三运算放大器U3的正向输入端、第二运算放大器U2的反向输入端连接，第三运算放大器U3、第二运算放大器U2构成电压跟随器，所述参考电阻R_ref与第二运算放大器U2构成电压电流转换电路，跟随分压电路的电压加载到参考电阻R_ref，第二运算放大器U2的输出端接功放电路。

更进一步地，所述数模转换器DAC为两个低分辨率的DAC合成的一个高位分辨率的DAC，可以实现阻值可调范围10～10000，步进量优于0.1欧姆的电阻源。

更进一步地，所述第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3为低温漂、低失调电压、高增益、高输入阻抗、低输出阻抗类型的运算放大器，可以极大提高装置精确度与分辨率。

更进一步地，所述数模转换器DAC为一个14位DAC和一个10 位DAC合成。

本发明还提出一种上述利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路的测量方法，其特殊之处在于，所述方法包括如下步骤：

1)PC机通过嵌入式处理器向第一比较电阻、第二比较电阻输出调节指令；

2)比较电路采集惠斯通电桥的压差值传输至嵌入式处理器；

3)PC机记录压差值并通过嵌入式处理器向电阻源输出调节指令；

4)比较电路采集惠斯通电桥的压差值返回给嵌入式处理器传输至PC机；

5)PC机记录压差值继续调节电阻源直至电桥平衡，记录电桥平衡时的电阻源阻值Re；

6)电桥交换电路交换第一比较电阻和第二比较电阻在电桥中的位置；

7)重复步骤2)～5)，记录电桥再次平衡时的电阻源阻值Re’；

8)计算待测电阻的阻值Rx，并记录。

优选地，所述步骤5)中PC机通过输出的分压系数K计算电桥平衡时的电阻源的阻值Re，

其中，R_ref为电阻源中的参考电阻，U为电压，I为电流。

优选地，所述PC机反复重复步骤1)～10)，记录所有计算得到的待测电阻的阻值Rx，分析阻值分布概率，利用回归分析曲线去除误差值，运用最小二乘法、平均值、均值、方差计算测量结果的方差，得到精准测量待测电阻阻值。

相对于现有技术，本发明具有的优点包括：

1、利用计算机对于数字电路中的模块进行调控，同时强大的计算处理能力，对于测量数据的处理更加精确，减少误差，解放人力。

2、基于惠斯通电桥的原理，待测电阻的测量精度只与数控电阻箱可提供的精度相关，排除电路中元器件，导线的影响因素，控制了误差来源。

3、电阻源采用模拟与数字混合硬件电路搭建，为一种具有阻值数控和量程程控切换的合成电阻箱设计方案，通过程序控制电流使其与电压成一定比例关系，达到输出等效电阻Re的目的。

4、选择合适的双极性高精度DAC位数与高增益、高输入阻抗、低输出阻抗、低温漂、低失调的双极性运放，可以达到实现具有较宽范围阻值、阻值高分辨率的数字化程控有源电阻箱。该设计方案下的电阻箱具有使用灵活、多量程、阻值连续可调、分辨力高、调节准确度高、体积小、无触点使用寿命长等明显优点。

5、计算机利用强大的存储能力，可控制室温，材料电阻率，阻值范围，形状，横截面积等变量可测量的多组数据，为研究阻值影响的因素提供数据基础。

附图说明

图1为本发明利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路的结构框图。

图2为本发明利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路的原理图。

图3为本发明利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路中惠斯通电桥的电路图。

图4为本发明利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路中电阻源的电路图。

图中：PC机1，嵌入式处理器2，待测电阻3，第一比较电阻4，电阻源5，电桥交换电路6，电压比较电路7，第二比较电阻8。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1、图2所示，本发明提出一种利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路，包括PC机1、嵌入式处理器2、惠斯通电桥、电桥交换电路6和电压比较电路7。PC机1用于发出控制指令，调节桥臂电阻，判断电桥平衡，采集测量数据，计算数据。嵌入式处理器 2用于将PC机1发出的指令转换为高低电平逻辑并传输至惠斯通电桥、电桥交换电路6和电压比较电路7，并接收电压比较电路7的采集数据。惠斯通电桥由第一比较电阻4、第二比较电阻8、待测电阻3和电阻源5组成，第一比较电阻4和第二比较电阻8位于电桥上端，待测电阻3和电阻源5位于电桥下端，第一比较电阻4、第二比较电阻 8和电阻源5的控制端与嵌入式处理器2连接，根据PC机1传输的指令调节阻值大小。电桥交换电路6用于提供电路支路，使第一比较电阻4、第二比较电阻8在惠斯通电桥中的位置交换。电压比较电路7 用于采集电桥上端与下端之间的压差并输出至嵌入式处理器2。

PC机1与嵌入式处理器2通过USB数据线连接。电阻源5为步进量优于0.1的精密数控电阻箱，电路还包括测量表笔、双电源供电系统(+-9V双电源，+-5V双电源，继电器电流放大电路，PC机1 上运行QT所编写的软件用于控制测试过程和发出控制指令。

如图3所示，惠斯通电桥中包括四个电阻，利用电阻源5已知阻值测量待测电阻3的阻值Rx，四个电阻组成一个方形闭合的电阻网络。利用电压跟随器连接一端连接电阻器之间的接头，另一个电压跟随器连接其余两个电阻器之间的接头。两个电压跟随器输出接到模数转换以此比较两个节点的电压高低，当认为电压相等时，即有 R1·Rx＝R2·Re，保持电阻箱和待测电阻3的位置不变，交换定值电阻器R1、R2在电路中位置，再次调节电阻源5计算待测电阻值。

通过交换第一比较电阻4、第二比较电阻8与待测电阻3的相对位置前后的两次测量，利用消元法，可以消去未知阻值的定值电阻器 R1，R2。每一次测量过程中定值电阻器R1，R2阻值保持阻值不变，多次测量过程中，每测量一次阻值，定值电阻器R1，R2改变阻值，再次测量，这样即可实现多次测量。

为实现一种精度优于传统电阻箱0.1欧姆的数控电阻箱，本发明提出一种具有阻值数控和量程程控切换的合成电阻箱设计方案，通过程序控制电流使其与电压成一定比例关系，使得合成的电阻箱单口网络对外显示的电气特性为可变电阻，经设计计算合成的电阻源5如图 4所示。

电阻源5包括数模转换器DAC，数模转换器DAC均与第一运算放大器U1连接，构成分压电路，电阻源5的输入端设置有参考电阻 R_ref，输出端设置有拉高电阻R_pull-up，参考电阻R_ref分别与第三运算放大器U3的正向输入端、第二运算放大器U2的反向输入端连接，第三运算放大器U3、第二运算放大器U2构成电压跟随器，参考电阻R_ref与第二运算放大器U2构成电压电流转换电路，跟随分压电路的电压加载到参考电阻R_ref，第二运算放大器U2的输出端接功放电路。

电阻源5的等效电阻的阻值Re与参考电阻R_ref具有线性关系。

选择DAC器件实现分压目的，程控分压系数K控制等效单口网络等效电阻数值，由此可见当DAC位数越高时，设计实现的电阻箱精度就越高，但由于位数越高的DAC价格就越高，显然单纯提高一个 DAC位数经济方面不太理想，因此选择两个DAC与反向加法器构成分压电路，此时，

通过选择合适的双极性高精度DAC位数与高增益，高输入阻抗，低输出阻抗，低温漂，低失调的双极性运放，即可以达到实现具有较宽范围阻值、阻值高分辨率的数字化程控有源电阻箱。该设计方案下的电阻箱具有使用灵活、多量程、阻值连续可调、分辨力高、调节准确度高、体积小、无触点使用寿命长等明显优点。

如图4所示，a，c为单口网络的输入端与输出端，其中输出端c 接地，第三运算放大器U3、第二运算放大器U2构成电压跟随器，运放输入端虚断，故可认为第三运算放大器U3同相输入端输入电流为零，从而I_ab＝I，第一运算放大器U1连接成反相比例运算电路，与数模转换器DAC1，DAC2构成一个分辨率较高的DAC，R_pull-up是电路的上高电阻，拉高b点电压，参考电阻R_ref与U2构成电压电流转换电路，跟随分压电路的电压，加载到参考电阻R_ref，此时由于第二运算放大器U2的输出电流不足，可在U2输出端接功放电路或者BUF，实际上U2构成的还是电压跟随器。

程控DAC输入数值，调节分压电路系数，可以实现对电阻源的阻值调节。

程控K≤1可以实现对电阻的R_ref倍数放大，K≥1可以实现对电阻R_ref的倍数缩小，但当K≥1时此时U_c≤0，当U_c变化较大时，对第二运算放大器U2的输出电压要求变化幅值很广，普通运放输出电压变化幅值不够，会导致电阻源可调范围较窄，故此我们选择电阻倍数放大的方案。

电压跟随：V_ref＝U_a

DAC输出电压:

有n个DAC，DAC1的位数为n1，DAC2的位数为n2，……DACn 的位数为ni。

反相求和运算电路：

故

分压比：

等效电阻：

电阻源可变范围为：

可以看出当合适选取参考电阻R_ref时，Re等效电阻即可实现对参考电阻的倍数调节，此时单口网络对外显示为阻值可调的纯电阻，此时经过MATLAB计算求解得出只许两个DAC，一个10位，一个14 位，选择n₁＝14；n₂＝10，1024改为16384即实现两个低位的DAC实现高位24位的DAC，计算分析得出数控电阻箱步进量优于0.1欧姆，调节范围在10～100000欧姆之间，优于传统机械旋钮式电阻箱。

基于上述利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路，本发明还提出一种测量方法，具体步骤包括：

1)设备上电，表笔接触待测电阻3，打开PC机运行测量软件，设置串口COM口与数据波特率、奇偶校验位、数据位、停止位；点击自动测量，PC机1通过嵌入式处理器2向第一比较电阻4、第二比较电阻8输出调节指令，调节电桥上端阻值；

2)电压比较电路7采集惠斯通电桥上端数字电位器滑动端电压与待测电阻3与电阻源5之间的电压值的压差值返回至嵌入式处理器 2并传输给PC机；

3)PC机1记录压差值并通过嵌入式处理器2向电阻源5输出调节指令；

4)电压比较电路7采集上端数字电位器滑动端电压与待测电阻3 与电阻源5之间的电压值，采集得到的电压值经过电压比较器比较两端电压得出两端电压差异值，传输至嵌入式处理器2、PC机1；

5)PC机1记录压差值继续调节电阻源5的阻值直至电桥平衡，记录电桥平衡时的电阻源5阻值Re；

PC机1通过输出的分压系数K计算电桥平衡时的电阻源5的阻值Re：

其中，R_ref为电阻源5中的参考电阻，U为电压，I为电流。

6)切换电桥交换电路6的支路交换第一比较电阻4和第二比较电阻8在电桥中的位置；

7)重复步骤2)～5)，记录电桥再次平衡时的电阻源(5)阻值 Re’；

8)计算待测电阻3的阻值Rx，并记录。

PC机1反复重复步骤1)～10)，记录所有计算得到的待测电阻3 的阻值Rx，分析阻值分布概率，利用回归分析曲线去除误差值，运用最小二乘法、平均值、均值、方差计算测量结果的方差，对于同一待测电阻3的测量数据进行去除异常数据，对于测量客观因素的影响，计算机进行数据误差弥补，补偿偏差值，使每一组测量的数据精确度更高。

PC机1对测量电路进行全自动测量，调节桥臂电阻，判断电桥的平衡，采集测量数据，计算数据，使电阻测量速度快捷，高智能化和高效率。利用软件平台进行数据处理，显示阻值的分布区间与概率，得到拟合数据图像。使大量测量数据的处理变得简单，精确，快捷。

PC机1利用MySQL数据库存储测量数据，存储历史值，实时测量值，方便查找，数据调用分析。

设计阻值可数控，量程可切换，阻值变化连续，阻值分辨率高，使用灵活，无触点、体积小、使用寿命长新型数控电阻箱代替传统电阻箱与数字电位器。

电阻测量系统不可避免存在系统误差，可以利用计算机补偿偏差值，利用高精度校准电阻源对电阻箱进行校准，经过多次测量，记录模拟值与实际值的误差，通过插值在离散数据的基础上补插数值，进行图像拟合为连续函数，利用软件实现对数控电阻箱误差弥补，得到更加精确的测量数据。利用计算机分析阻值分布概率，利用回归分析曲线去除计算误差较大的值，得到最终阻值。运用不同的算法，计算最小二乘法，平均值，均值，方差并计算出此次测量的测量结果方差，建立评价体系，分析这次测量可信度，可以对大量数据进行处理。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路，其特征在于：所述电路包括PC机(1)、嵌入式处理器(2)、惠斯通电桥、电桥交换电路(6)和电压比较电路(7)；

所述PC机(1)用于发出控制指令，调节桥臂电阻，判断电桥平衡，采集测量数据，计算数据；

所述嵌入式处理器(2)用于将PC机(1)发出的指令转换为高低电平逻辑传输至惠斯通电桥、电桥交换电路(6)和电压比较电路(7)，并接收电压比较电路(7)的采集数据；

所述惠斯通电桥，由第一比较电阻(4)、第二比较电阻(8)、待测电阻(3)和电阻源(5)组成，第一比较电阻(4)和第二比较电阻(8)位于电桥上端，待测电阻(3)和电阻源(5)位于电桥下端，所述第一比较电阻(4)、第二比较电阻(8)和电阻源(5)的控制端与嵌入式处理器(2)连接，根据PC机(1)发送的指令调节阻值大小；

所述电桥交换电路(6)用于提供电路支路，使第一比较电阻(4)、第二比较电阻(8)在惠斯通电桥中的位置交换；

所述电压比较电路(7)用于采集电桥上端与下端之间的压差并输出至嵌入式处理器(2)。

2.根据权利要求1所述的利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路，其特征在于：所述电阻源(5)包括数模转换器DAC，所述数模转换器DAC均与第一运算放大器U1连接，构成分压电路，所述电阻源(5)的输入端设置有参考电阻R_ref，输出端设置有拉高电阻R_pull-up，所述参考电阻R_ref分别与第三运算放大器U3的正向输入端、第二运算放大器U2的反向输入端连接，第三运算放大器U3、第二运算放大器U2构成电压跟随器，所述参考电阻R_ref与第二运算放大器U2构成电压电流转换电路，跟随分压电路的电压加载到参考电阻R_ref，第二运算放大器U2的输出端接功放电路。

3.根据权利要求2所述的利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路，其特征在于：所述数模转换器DAC为两个低分辨率的DAC合成的一个高位分辨率的DAC。

4.根据权利要求2所述的利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路，其特征在于：所述第一运算放大器U1、第二运算放大器U2、第三运算放大器U3为低温漂、低失调电压、高增益、高输入阻抗、低输出阻抗类型的运算放大器。

5.根据权利要求3所述的利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路，其特征在于：所述数模转换器DAC为一个14位DAC和一个10位DAC合成。

6.一种根据权利要求1所述的利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路的测量方法，其特征在于：所述方法包括如下步骤：

1)PC机(1)通过嵌入式处理器(2)向第一比较电阻(4)、第二比较电阻(8)输出调节指令；

2)电压比较电路(7)采集惠斯通电桥的压差值传输至嵌入式处理器(2)；

3)PC机(1)记录压差值并通过嵌入式处理器(2)向电阻源(5)输出调节指令；

4)电压比较电路(7)采集惠斯通电桥的压差值传输至嵌入式处理器(2)传输至PC机(1)；

5)PC机(1)记录压差值继续调节电阻源(5)直至电桥平衡，记录电桥平衡时的电阻源(5)阻值Re；

6)电桥交换电路(6)交换第一比较电阻(4)和第二比较电阻(8)在电桥中的位置；

7)重复步骤2)～5)，记录电桥再次平衡时的电阻源(5)阻值Re’；

8)计算待测电阻(3)的阻值Rx，并记录。

7.根据权利要求6所述的利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路的测量方法，其特征在于：所述步骤5)中PC机(1)通过输出的分压系数K计算电桥平衡时的电阻源(5)的阻值Re，

其中，R_ref为电阻源(5)中的参考电阻，U为电压，I为电流。

8.根据权利要求6所述的利用计算机在惠斯通电桥中精准测量电阻的电路的测量方法，其特征在于：所述PC机(1)反复重复步骤1)～10)，记录所有计算得到的待测电阻(3)的阻值Rx，分析阻值分布概率，利用回归分析曲线去除误差值，运用最小二乘法、平均值、均值、方差计算测量结果的方差，得到精准测量待测电阻阻值。