一種高精度電阻測量儀系統設計

摘要：為了實現對電阻的精確測量，設計了一種高精度電阻測量儀系統。該系統使用單片機作為控制核心，高精度恒壓源通過標準電阻產生高精度標準恒流源作用在待測電阻上，采用四端法測量待測電阻兩端電壓，使用低速高精度A／D讀取電壓值，實現電阻的低成本、高精度測量。該測試儀可自動變換測量檔位和顯示有效住數，量程范圍為3mΩ～3MΩ。實測結果表明，測試速度在15次／s時，測量精度達到0．5％，讀數跳動在3字以下。
關鍵詞：電阻測量；單片機；恒流源；四端法

0 引言
高精密電阻是眾多參考源的重要元件。高精密電阻測量的精度要求比較高，容易受環境噪聲、測量方法以及儀器本身精度和穩定性的影響。在高精密電阻生產線上檢測電阻值時還要保證一定的測試速度和儀器自身的長期穩定性。
本文在充分考慮上述因素的情況下，研究設計了一種高精密度電阻測量儀。該電阻測量儀的量程范圍為3 mΩ～3 MΩ，最大顯示30 000數，測試速度為15次／s，測量精度為0．5％，讀數跳動不大于3字。

1 測量原理
測量電路中總是存在接觸電阻和連線電阻，大小在10-2 Ω數量級。當待測電阻值在10-1Ω及以下時，普通二端測量法的接觸電阻和連線電阻將使測量結果不可信。因此，該系統采用四端法測量，以消除這種影響。
1．1 四端法測量原理
圖1所示為雙線測量等效電路。

圖中Rd1和Rd2為檢測探針與被測電阻之間的接觸電阻，該接觸電阻被加入到測量中產生測量誤差。被測電阻越小，這種相對誤差越大。加載的測試電流從探針經過接觸電阻流向待測電阻R，電壓表測量電壓并計算出相應的電阻值。由于接觸電阻相對于電流源內阻數值很小，對測試電流I的影響可以忽略。但是測試電流I在接觸電阻上產生一個較小卻很明顯的電壓降，因此電壓表測得的電壓Vm不是恰好等于待測電阻R兩端的實際電壓VR，從而產生較大的誤差。

接觸電阻Rd1，Rd2的大小一般在10～100 mΩ的范圍內，與導體表面氧化程度、接觸面積有關，且不可預測。假設Rd1=Rd2=10 mΩ，待測電阻R=3 mΩ，則η=666．7％，顯然采用雙線測量方法很難獲得準確的結果。
四端法等效電路如圖2所示。

圖中：Rd1，Rd2為驅動探針與被測電阻之間的接觸電阻；Rc1，Rc2為檢測探針和被測電阻之間的接觸電阻。測試電流I通過驅動探針加載到被測電阻R上；設通過檢測探針測得R上的電壓為Vm，R兩端實際電壓為VR，Rc1，Rc2兩端電壓分別為VRc1，VRc2，則電壓關系如式(4)所示：

由此可見，四端法測量電阻有效提高了電阻測量儀的精確度。