一种高精度电阻测量仪系统设计

摘要：为了实现对电阻的精确测量，设计了一种高精度电阻测量仪系统。该系统使用单片机作为控制核心，高精度恒压源通过标准电阻产生高精度标准恒流源作用在待测电阻上，采用四端法测量待测电阻两端电压，使用低速高精度A／D读取电压值，实现电阻的低成本、高精度测量。该测试仪可自动变换测量档位和显示有效住数，量程范围为3mΩ～3MΩ。实测结果表明，测试速度在15次／s时，测量精度达到0．5％，读数跳动在3字以下。
关键词：电阻测量；单片机；恒流源；四端法

0 引言
高精密电阻是众多参考源的重要元件。高精密电阻测量的精度要求比较高，容易受环境噪声、测量方法以及仪器本身精度和稳定性的影响。在高精密电阻生产线上检测电阻值时还要保证一定的测试速度和仪器自身的长期稳定性。
本文在充分考虑上述因素的情况下，研究设计了一种高精密度电阻测量仪。该电阻测量仪的量程范围为3 mΩ～3 MΩ，最大显示30 000数，测试速度为15次／s，测量精度为0．5％，读数跳动不大于3字。

1 测量原理
测量电路中总是存在接触电阻和连线电阻，大小在10-2 Ω数量级。当待测电阻值在10-1Ω及以下时，普通二端测量法的接触电阻和连线电阻将使测量结果不可信。因此，该系统采用四端法测量，以消除这种影响。
1．1 四端法测量原理
图1所示为双线测量等效电路。

图中Rd1和Rd2为检测探针与被测电阻之间的接触电阻，该接触电阻被加入到测量中产生测量误差。被测电阻越小，这种相对误差越大。加载的测试电流从探针经过接触电阻流向待测电阻R，电压表测量电压并计算出相应的电阻值。由于接触电阻相对于电流源内阻数值很小，对测试电流I的影响可以忽略。但是测试电流I在接触电阻上产生一个较小却很明显的电压降，因此电压表测得的电压Vm不是恰好等于待测电阻R两端的实际电压VR，从而产生较大的误差。

接触电阻Rd1，Rd2的大小一般在10～100 mΩ的范围内，与导体表面氧化程度、接触面积有关，且不可预测。假设Rd1=Rd2=10 mΩ，待测电阻R=3 mΩ，则η=666．7％，显然采用双线测量方法很难获得准确的结果。
四端法等效电路如图2所示。

图中：Rd1，Rd2为驱动探针与被测电阻之间的接触电阻；Rc1，Rc2为检测探针和被测电阻之间的接触电阻。测试电流I通过驱动探针加载到被测电阻R上；设通过检测探针测得R上的电压为Vm，R两端实际电压为VR，Rc1，Rc2两端电压分别为VRc1，VRc2，则电压关系如式(4)所示：

由此可见，四端法测量电阻有效提高了电阻测量仪的精确度。