电阻式电桥的单片机自动测量

  • IT技术
  • 2019-10-20
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简介在本系统中,我们把调试信息显示,报警,LED显示,这些实时性要求不高的分别安排在单独的任务中处理,而实时性高的电桥数据检测则安排在中断中进行。这样使程序从功能上模块化,增加了程序的可靠性和维护性,也使得系统整体上有快速良好的反应。

一、 国内外现状: 

电子产品中,电阻()、电容()和电感()是最基本的元器件,也是使用最多的元器件。在充满激烈竞争的电子行业中,要求电子产品必须具有越来越高的性能、质量及性价比,从而对所使用的元器件提出了更高、更严格的要求。元器件在不同的信号频率、不同的信号电平下,其性能和技术指标会发生变化。尤其在高频段,元器件参数以及元器件所表现出的特性变化更大。此外,元器件虽然能满足出厂时的技术指标,但装入实际电路中会表现出不同的特性。因此,了解元器件在实际工作条件下的性能特性,有助于设计出高质量的电路,提高产品的性能和可靠性。

总之,RLC测试仪在产品设计、研发、生产和维护的过程中必不可少。

二、 电桥法是能同时测量电器元件RLC最典型的方法,交流电桥主要用来测量电容,电感,直流电桥可以比较精确的用来测量电阻。

三、 设计的目的、要求:

四、 本课题主要基于单片机系统研究直流电桥的基本特性及用途,用直流电流测量电阻R,并实现测试的自动化。

五、 调研情况:

直流电桥主要有惠斯通电桥、开尔文电桥、高阻电桥和直流电流比较仪式电桥。

 ①惠斯通电桥:四臂皆为电阻器的经典直流电桥。又称单比电桥。1833年,S.H.克里斯蒂在研究导体性质时首先提出这一桥路,以后由C.惠斯通加以完善。主要用于测量从约10欧到几千欧的中值电阻。

 ②开尔文电桥:1862年英国的W.汤姆孙在研究利用单比电桥测量小电阻遇到困难时,发现引起测量产生较大误差的原因是引线电阻和连接点处的接触电阻。这些电阻值可能远大于被测电阻值。因此,他提出了如图1所示的桥路,被称为汤姆孙电桥。后因他晋封为开尔文勋爵,故又称开尔文电桥。图中R3R4分别是标准电阻与被测小电阻器,R1R2是形成所需比值的两桥臂。r是跨线电阻(包括R3R4两电阻器间的引线电阻、接触电阻及内部连线电阻)。为获得准确的测量结果,消除r的影响,须将rR1R2的同样比例分配给R3R4,R姈和R娦就是为此目的而设置的。在电桥调平衡时,应保持R姈、R娦的比值一直与R1R2的比值相等。由于这一特点,这种桥路又称双比电桥。所测电阻值可低到毫欧级或更小。根据双比电桥原理又发展出史密斯电桥,三平衡电桥和四跨线电桥等,使得采用桥路测小电阻的理论与实践臻于完善。
  ③高阻电桥:单比电桥测高阻值的限制因素主要是通过桥体绝缘的泄漏电流和线路灵敏度低。对前者,除提高桥体绝缘性能外,更有效的方法是采用屏蔽以减小泄漏电流的影响。为此出现了具有各种屏蔽方式的高阻电桥,其中与开尔文电桥电路对偶的比例电流屏蔽电桥电路(图2,是电桥理论在高阻测量方面的新应用。高阻电桥所测电阻值由兆欧到吉欧或更高。

 ④直流电流比较仪式电桥:是经典直流电桥的发展。它利用电流比例代替经典电桥中的电阻比例。电流比例用绕于磁环上两线圈的匝数比Ws/Wx来确定(图3)。当两线圈的安匝相互平衡时,磁环中无磁通。此时,Is/Ix=Wx/Ws,于是有Rx/Rs=Wx/Ws。改变WsWx可对电桥平衡进行粗调。如安匝有差别,则磁环中存在直流磁通,经检出后,可带动从动电源以改变Ws中的电流Is,直到磁环中的直流磁通为零而止。直流电流比较仪式电桥的测量误差可低于百万分之一,特别适用于测 1欧以下的小电阻。目前已制出可测量到兆欧的此类电桥,但结构较复杂。

六、 方案设计

1. 总框图设计

在本系统中,我们把调试信息显示,报警,LED显示,这些实时性要求不高的分别安排在单独的任务中处理,而实时性高的电桥数据检测则安排在中断中进行。这样使程序从功能上模块化,增加了程序的可靠性和维护性,也使得系统整体上有快速良好的反应。

任务安排结构如下图所示。 

2. 基本原理

电桥法是能同时测量电器元件RLC最典型的方法,如图所示。电阻R可用直流电桥测量,电感L电容C可用交流电桥测量。电桥平衡的条件为

 RLC测量电桥  

通过调节阻抗Z1Z2使电桥平衡,这时电表读数为零。根据平衡条件及一些已知的电路参数就可以求出被测参数。用这种测量方法,参数的值还要通过联立方程求解,调节电阻值一般只能手动,电桥平衡的判别亦难以用简单的电路实现。这样,电桥法不易实现自动测量。

四臂结构是直流电桥的基本形式。电桥由直流电源供电,平衡时,相邻两桥臂电阻的比值等于另外两相邻桥臂电阻的比值。若一对相邻桥臂分别为标准电阻器和被测电阻器,它们的电阻有一定的比值,则为使电桥平衡,另一对相邻桥臂的电阻必须有相同的比值。根据这一比值和标准电阻器的电阻值可求得被测电阻器的电阻值。平衡时的测量结果与电桥电源的电压大小无关。

设计尝试实现电阻式电桥的单片机自动测量。

 

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