CN211652972U

CN211652972U - 基于恒流源的线性刻度欧姆表

Info

Publication number: CN211652972U
Application number: CN201922384694.4U
Authority: CN
Inventors: 崔建国; 宁永香; 崔建峰; 崔燚; 李光序
Original assignee: Shanxi Institute of Technology
Current assignee: Shanxi Institute of Technology
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2019-12-26
Publication date: 2020-10-09
Anticipated expiration: 2029-12-26

Abstract

本实用新型公开了一款基于恒流源的线性刻度欧姆表，其包括基准电压电路、电压表电路、电压表灵敏度调节电路、补偿电阻电路、旋转式补偿电阻选择开关电路、运算放大器电路、检验开关电路、电源开关电路、电源电路、及待测电阻电路；+9V电源依次通过开关S3、电阻R1、二极管D1连接工作地构成所述基准电压电路；电阻R1、二极管D1的连接点连接运放A的同相输入端，运放A的6脚与3脚之间连接待测电阻；开关S1的固定端子连接运放A的反相输入端，S1的1k、10k、100k、1M、10M选择端子分别通过电阻R6、R5、R4、R3、R2、R1连接工作地，运放A输出端依次连接R7、R8、开关S2、电压表M到工作地。

Description

基于恒流源的线性刻度欧姆表

技术领域

本实用新型涉及一种基于恒流源的线性刻度欧姆表的技术，尤其是一种不同于普通非线性刻度欧姆表的电路，利用恒流源可以保证欧姆表表盘呈线性绘制，易于读数、易于绘制表盘。

背景技术

高校电路实验室最常见的测量仪表不外乎是万用电表，分为机械指针式和数字显示式两种，数字显示式万用电表具有精度高、质量轻的特点，故数字电表的应用越来越广泛，但普通的机械式万用电表具有价格低廉、且能实时显示测量过程的优点，仍然被众多老师或工程师采用。

普通的万用表测量电阻的档位结构十分简单，其测量电阻时只是由一个电流表、一个电池、一个可变电阻、和临时加上去的串联电阻（受测试的电阻）构成。

这种欧姆表在测量时极不方便，因为这些欧姆表的表盘刻度的绘制是“非线性”的，即在低阻档端刻度绘制比较开阔，而在高阻档那一端，绘制的刻度异常狭窄，读起电阻值来非常不便，并且所指示的度数也不是很准确。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种结构简单、造价低廉、使用可靠、灵敏度高的不同于常规欧姆表设计的线性刻度欧姆表技术。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于恒流源的线性刻度欧姆表，其包括基准电压电路、电压表电路、电压表灵敏度调节电路、补偿电阻电路、旋转式补偿电阻选择开关电路、运算放大器电路、检验开关电路、电源开关电路、电源电路、及待测电阻电路；+9V电源构成所述电源电路，开关S3构成所述电源开关电路，+9V电源依次通过开关S3、电阻R1、二极管D1的P-N结连接工作地构成所述基准电压电路；运放A及外围电路构成所述运算放大器电路，电阻R1、二极管D1的连接点连接运放A的同相输入端，运放A的反相输入端与输出端之间连接所述待测电阻电路；所述旋转式补偿电阻选择开关电路S1的固定端子连接运放A的反相输入端， S1的1k选择端子通过电阻R6连接工作地，S1的10k选择端子通过电阻R5连接工作地，S1的100k选择端子通过电阻R4连接工作地，S1的1M选择端子通过电阻R3连接工作地，S1的10M选择端子通过电阻R2连接工作地；所述检验开关电路由双刀双掷开关S2组成，开关S2a、S2b分别为开关S2的其中一组；所述电压表灵敏度调节电路由电位器R7连接电阻R8构成，运放A的输出端连接电位器R7的左端，电阻R8的右端连接开关S2a的测量端，开关S2a的检验端通过电阻R9连接开关S3的左端，开关S2b的测量端连接运放A的同相输入端，开关S2b的检验端连接工作地；开关S2a的固定端子与开关S2b的固定端子之间连接所述电压表电路M。

所述运算放大器电路的运放A的1脚与8脚之间连接电容C2；运放A的7脚连接开关S3的左端；运放A的4脚连接工作地。

所述电源电路9V电源依次通过开关S3、电容C1连接工作地。

所述电压表电路M的正极连接开关S2a的固定端子，M的负极连接开关S2b的固定端子。

附图说明

附图1、附图2、附图3用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本申请的一部分，附图1 是同相比例运算电路示意图。附图2是线性刻度欧姆表基本结构。附图3是基于恒流源的线性刻度欧姆表。

具体实施方式

1 基于恒流源的线性刻度欧姆表

若希望获得线性电阻刻度，通常所用的方法是由一个恒流源馈电给受测试的电阻，并用一个高阻抗的电压表去测量最后的合成电压，这个电压表因为阻抗极高，所以不会汲取那恒流源的大部分电流。

该电压表所测的被测电阻端电压数值的大小，很显然决定于这个被测电阻阻值的数值大小，也就是说，被测电阻端电压的增减与该电阻的阻值大小成线性比例，电阻值越大，电压表数值越大，反之电压表数值越小，按照这种电路绘制的电阻值指示刻度盘，就可以获得一个正向读数的线性标度盘。

这种线路通常采用恒流源电路和电压表组成，可以以一个普通的运算放大器作为核心电路构成一个恒流源，这种线性欧姆表电路结构甚为简单。

线性欧姆表的核心：同相比例运算放大电路

这种线性欧姆表电路组成的核心是一个运算放大器，该运放将为待测电阻通路提供一个恒定的电流，该恒流源对欧姆表的正向读数线性刻度的绘制奠定了基础。

输入电压从同相端接入，输出端与反相端之间接有反馈电阻R_X,且反相端通过补偿电阻R接地，如图1所示，这是一种典型的电压串联负反馈电路，故可以认为输入电阻无穷大，输出电阻为“0”。

根据理想运放电路“虚短”和“虚断”的概念，理想运放的净输入电压为“0”，即

u _P= u _N= u _I

净输入电流为“0”，因而i _R=i _X,,即

由上式可知，只要保持补偿电阻R以及输入电压U _I的恒定，即可保证i _X的恒定，故图1的同相比例运算电路可以实现一个恒流源输出。

所以，实际我们采用图2所示的电路结构，在这一个线路结构里，有一个稳定的基准电压被加在理想运放的同相输入端，而R_X则是被测试的电阻。

连接于运放输出端和同相输入端（基准电压端）的是一个普通常用的电压表M。

仔细观察图2结构，参考图1，基于理想运放“虚短”特性，电压表的读数将与受测试的电阻R_X的端电压相等，故电压表的读数与R_X的阻值成正比，该正比关系对本设计所需要的正向读数线性刻度的绘制同样奠定了重要基础，这种电路结构可以将电阻测量转化为电压测量，不但使欧姆表表盘刻度盘变成线形，而且测量精度也提高很多。

对于待测电阻来说，参考图1的结论，通过R_X的电流

U _R为稳定的基准电压，R为补偿电阻，基于理想运放“虚断”的特性，故可以得出通过待测电阻R_X和补偿电阻R的电流是恒定不变得，不会随R_X阻值的变动而变动，所以这里运放相当于一个恒流源，此外还要着重指出一点，电压表上电压的读数就等于待测电阻R_X的端电压。

基于恒流源的线性刻度欧姆表

本设计完整的电路如图2所示，可以看到，线性刻度欧姆表电路包括基准电压电路、电压表电路、补偿电阻电路、补偿电阻选择开关电路、运算放大器电路、检验开关电路、电源开关电路、电源、及待测电阻电路。

基于理想运放“虚断”的特性，9V电源通过电阻R₁、正向二极管D₁为理想运放A₁的同相输入端提供一个数值约为0.6V的稳定基准电压。

电压表电路不仅仅指电压表M，还包含电位器R₇、电阻R₈，共3个元件，电压表灵敏度约为6V满度偏转（10倍于基准电压），灵敏度调节可由电位器R₇的调节而改变，以供校准刻度数之用。

补偿电阻电路包括电阻R₂~R₆五个电阻，由补偿电阻选择开关S₁选择100~1MΩ其中的一个，这使本仪表具有以下五个量程：0~1kΩ；0~10kΩ；0~100kΩ；0~10MΩ。

A₁是一种高阻型运算放大器，型号为CA3130，它有1500000MΩ之高的输入电阻。

这类集成运算放大器的特点是差模输入阻抗非常高，输入偏置电流非常小，一般差模输入电阻r_id>（10⁹~10¹²）Ω，输入偏置电流I_IB为几PA到几十PA。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点，用场效应管组成运算放大器的差分输入级，用FET作输入级，不仅输入阻抗高，输入偏置电流低，而且具有高速、宽带和低噪声等优点，但输入失调电压较大。

双刀双掷开关电路S₂的作用是作为检验开关之用，拨动在检验位置，电压表M通过电阻R₉直接连接供电电源9V，观察此时电压表的读数，即可基本判断电表能否正常工作。

S₂拨动在图示位置，电路即可正常地发挥测量电阻阻值的效能；但当拨动在检验位置时，这款欧姆表便跟主要线路断开，转而通过电阻R₉跨接于电源与工作地之间，这使电表M变成一个真正的量程为0~10V的电压表，可用来检查有负荷的电源电压。

作为电源的那个9V电池，如电压低至8V以下，便须更换，S₃则是按钮电源开关，使待测试电阻接入线路时，电源才被接上；如果开关S₃始终处于连接状态，若没有待测电阻接入时，这个欧姆表电路便会被驱动至满度偏转的范围之外。

本仪表的电流消耗量大约为4mA，除了1kΩ这个量程之外，其它量程的电流消耗量都大致相同，只有使用1kΩ的量程之时，电流的消耗量达到9mA左右。这一个量程可由一个PP3电池或其它容量较大的9V电池来供电。

校准

为了校准本仪表的标度，须有一个容限较为精密的电阻（容限约为1%甚至1%以下），其限值要等于本仪表一个量程的满度偏转数值，将这个电阻跨接于那两个测试线夹上，把选择开关S₁接入适当的量程，并将电位器R₇初步调定最大的阻值（顺时针方向关至尽头），然后按下电源开关按钮S₃，再行调节电位器R₇，更为精密地求取S₁所在档位（或量程）的满度偏转读数。

经过这番校准工作之后，这个线性标刻度欧姆表便可以正式启用。

本设计利用同相比例运算电路中如果输入信号固定不变，那么反馈电阻及补偿电阻（反相输入端接地电阻）回路的电流是稳定不变的特性，将待测电阻置于反馈电阻位置，该恒流源可以保证欧姆表表盘的刻度可以呈线性绘制。相比较其它恒流源的设计，该恒流源的获得比较巧妙、恒流源电路设计更加简单。

Claims

1.基于恒流源的线性刻度欧姆表，其特征在于：所述线性刻度欧姆表包括基准电压电路、电压表电路、电压表灵敏度调节电路、补偿电阻电路、旋转式补偿电阻选择开关电路、运算放大器电路、检验开关电路、电源开关电路、电源电路、及待测电阻电路；+9V电源构成所述电源电路，开关S3构成所述电源开关电路，+9V电源依次通过开关S3、电阻R1、二极管D1的P-N结连接工作地构成所述基准电压电路；运放A及外围电路构成所述运算放大器电路，电阻R1、二极管D1的连接点连接运放A的同相输入端，运放A的反相输入端与输出端之间连接所述待测电阻电路；所述旋转式补偿电阻选择开关电路S1的固定端子连接运放A的反相输入端， S1的1k选择端子通过电阻R6连接工作地，S1的10k选择端子通过电阻R5连接工作地，S1的100k选择端子通过电阻R4连接工作地，S1的1M选择端子通过电阻R3连接工作地，S1的10M选择端子通过电阻R2连接工作地；所述检验开关电路由

双刀双掷开关S2组成，开关S2a、S2b分别为开关S2的其中一组；所述电压表灵敏度调节电路由电位器R7连接电阻R8构成，运放A的输出端连接电位器R7的左端，电阻R8的右端连接开关S2a的测量端，开关S2a的检验端通过电阻R9连接开关S3的左端，开关S2b的测量端连接运放A的同相输入端，开关S2b的检验端连接工作地；开关S2a的固定端子与开关S2b的固定端子之间连接所述电压表电路M。

2.根据权利要求1所述的基于恒流源的线性刻度欧姆表，其特征在于：所述运算放大器电路的运放A的1脚与8脚之间连接电容C2；运放A的7脚连接开关S3的左端；运放A的4脚连接工作地。

3.根据权利要求1所述的基于恒流源的线性刻度欧姆表，其特征在于：所述电源电路9V电源依次通过开关S3、电容C1连接工作地。

4.根据权利要求1所述的基于恒流源的线性刻度欧姆表，其特征在于：所述电压表电路M的正极连接开关S2a的固定端子，M的负极连接开关S2b的固定端子。