恒流法测电阻实验成功

barracuda

众所周知，数字万用表可以用极为简单的电路测量电阻
都是因为比例法这一功劳，所以只要有一个精确的电阻参考，即可对未知电阻进行测量
以ICL7106、ICL7129为核心的万用表也都是这样做的
美中不足的是，上面两个IC都只能驱动液晶屏
驱动数码管又能测电阻的IC是ICL7107，可惜它是3位半的
而要驱动数码管的4-1/2 ADC也有，型号是ICL7135，
但是这颗芯片把基准负端和参考地做到了一起
因此没办法用比例法测电阻
现在问题来了，ICL1735这块ADC要用来测电阻，该如何是好

最近看到这样一个电路，通过恒流源产生一个恒定不变的电流
然后让这个基准电流通过被测电阻，再测量被测电阻两端电压
根据欧姆定律即可计算出被测电阻的阻值，很多台式万用表就是这样测电阻的
相对比例法来说，这个电路复杂，而且需要更多元器件支持


由于以前没有接触过此类电路，于是用面包板搭了一个，感觉似乎有点意思
能工作，这是在测试9K电阻，基准是100K 0.01%的金属箔电阻


测试10K电阻


实验发现，用面包板搭建的测试电路很不稳定
受到机械震动等就会对测量结果产生巨大影响，数字乱跳
因此决定用洞洞板搭建一个较为稳定的，以便对这个电路进行进一步研究

开始备料，基准电阻采用我那DT-840万用表里淘汰下来的一系列精密电阻
标称精度0.25% 100R，900R，9K，90K，900K各一只
还准备了一些RII-8精密电阻
场效应管用的是国产3DJ6E，J级的，92年产，性能可靠
运放嘛，没有ICL8007，先用OP07吧，元件库里多得是，灵活机动


开始搭建电路，J级元件的镀金引脚不能浪费了
用作电路走线



初具规模，5颗基准电阻就位，通过跳线帽分别可以获得
100R，1K，10K，100K，1M五种阻值



主体电路完成



引出2根测试线，用来连接被测电阻


电路搭建完毕，开始进行实验
这个电路需要一组正负电源供电，我采用的是7.2V锂电池，通过转换电路输出正负7.2V
表头是自制的4-1/2数字电压表，满量程2V
关于这个表头的资料，在这里： http://www.crystalradio.cn/thread-370566-1-1.html
接通电源，表头显示超量程，在电阻表中可以意味无穷大


短路测试线，显示0.000


接了一个1K 0.5%的电阻，调整电位器，使表头显示1.000，这是粗校准


下面来真格的，一只5K 0.02%精密电阻，再调整一下，使表头显示5.000


这是10K 0.01%的线绕


500R 0.01%的线绕


这个比较特别495欧 0.02%


39K 0.02%金属膜


100K 0.01%线绕，在高量程部分，测试电流逐渐减少，误差开始增大


这也不是标准阻值，2.696K 0.01%


最后用1776A万用表排阻进行高阻测试
我这一对1776A是最高档精度和温漂的，具体好像是0.02% 10ppm的，记不清了
首先是1K


10K


100K


1M，误差比较大，因为电流是在太小了，只有1uA


由于量程最大就到2M，所以10M没法测试了
在原设计中，对这个运放要求是采用J-FET输入的运放
应该是要求运放有一个极小的输入电流，以免对测试产生干扰
为了探究运放对测试的影响
我应用了手上有的：OP07、OP27、OP37、OP177、OPA606、OPA627、TL061、TL081
似乎表现最佳的是OP37和OP27，这两个的测试结果差不多，在全量程区段中，误差比较均衡，
以半量程做校准，基本上低端误差+5个字左右，高端量程误差+7个字左右
OPA606、OPA627比较高端，但是表现一般
还是以半量程做校准，基本上低端误差+10个字左右，高端量程误差+20个字左右
TL061、TL082较OPA627略差，还算稳定
所以后来的测试基本都是用OP37做的
但是最终决定精度的还是参考电阻和精确的校正测试电流

BB的OPA627，音响界的神话，其实就是一个运放而已


最后总结
恒流法测电阻，测量没问题，但是，要做到高精度，难！
因为你必须有一个非常精密的恒流源，在这个案例中，
恒流源产生的电流是1mA，100uA，10uA，1uA
在被测电阻阻值较低的时候，可以利用较大电流产生较大压降
此时即便是电流源校准或是电压表测量，都比较容易
而到了高阻的时候，比如测试1M电阻
可以看出表头显示9908，实际上1M电阻上的压降是0.9908V
在1M电阻上产生0.9908V电压，根据欧姆定律可以知道电流是0.9908uA
在这个情况下，稍有震动、温度变化都会对电流源产生影响
所以为什么这个时候误差很大
而比例法就不存在这个问题：参考电阻和被测电阻串联，电流一样
根据计算公式，电流是可以被消去的，所以不管电流怎么变，都不会对测量结果产生影响
这就是为什么比例法可以测到20M，而恒流法测到1M就显吃力了。
要想再提高精度，需要更精密的电路，那就复杂去了
而这个电路在低阻测量上还是比较满意的
用20K量程来说，测量0.02%及以上精度的电阻，校准好后，在整个量程内
误差基本能控制在正负4个字以内，而200K量程误差在正负5个字以内
还有一点，恒流法需要较高的供电电压
原图中需要正负15V供电，我实际用正负7.5V左右供电还可以
用正负5V也能用，但是测低阻时误差大的离谱，估计是电压低，电流无法维持了吧
今天的实验算是比较成功，后续继续对恒流法进行研究，争取获得更好的实验结果

daguding

欣赏楼主的好帖子，等有时间也耐心的做一番比较。

washu

楼主的实验很好，但总结有一些偏颇。

对于极大的待测电阻来说，比例法其实也会有影响，因为 ADC 的 Vin、Refin 一样有 Bias 电流，这个和运放的 Bias 电流一样有影响，我在我的 DIY 万用表帖子中提到过这个问题，因为我用的不是万用表专用的单片 ADC，而是通用 ADC，虽然也是全差分但输入阻抗远低于 ICL7106 这样的万用表专用芯片。

不过楼主有一点说得很对，由于比例法中 ADC 的 Vref 直接来自基准电阻，而基准电阻和待测电阻串联，因此如果因为其它因素和干扰导致电流变化，那么基准电阻和待测电阻上的电压变化是相同的，因此抗干扰能力比恒流法更强 --- 同时也意味着，恒流法消去 ADC 的基准电压变化的影响   因此使用恒流法时，整个系统可引入误差的环节远多于比例法。

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有一个方法可以消去 ADC 基准变化的影响，就是用 ADC 基准电压作为恒流源的电压基准，这样两者就是同步变化了
但遗憾的是，ADC 的基准电压未必在任何量程都适合作为恒流源的电压基准
台式万用表通常用一对（多对）网络电阻，从 ADC 的基准电压中获得恒流源的电压基准，不过这种网络电阻的可靠性和电压基准的可靠性、温飘什么的，我看也半斤八两吧
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另外楼主测试的运放，OP27/37 是低噪声运放，TL061/81 是 JFET 运放，前者 Ib 很大，后者很小。OPA627 同时实现了低 Ib（只有 5pA）和低噪声，因此其实是非常理想的用在此处的运放，楼主的实验结果不好可能和其他因素有关或该运放是假货 --- 音响发烧友喜欢的玩意，假货往往比较多。但作为精密仪器运放，OPA627 是很好的。

另外还有一个参数需要注意就是 Vos，这一点 JFET 运放都比较大，OPA627 已经是 JFET 运放中做得很好的了，但也有 100uV（其 Drift 达到 0.8uV/℃），对比楼主的 OP177 只有 25uV 的 Vos 和其 0.3uV/℃ 的 Drift，可见 JFET 就是不容易把 Vos 做好

不过楼主有单片机，其实这个问题不大的，Vos 可以用单片机纠正，不用靠模拟电路来保证，同样系统精度也一样，不需要用高精度的电阻来保证，可以用精度比较低但稳定度高的电阻（这样会比较便宜），然后用单片机纠正结果，包括线性度都可以用单片机纠正，这样可以省事很多，精度还大幅度提高

我的恒流源：


我用 ADS1232 电子秤 ADC 做的 DIY 万用表，它的 Ib 比 ICL7106 之类要大不少：

lsy789

很好，很不错，支持！！！

debug

作记号，学习下

rtlinux

不错，支持下

kdtcf

恒流源法测试是非常成熟的技术，楼主有没有使一下高阻稳定吗？

清风碧雪

不错，留个记号以后详细看看。

kdtcf

washu 发表于 2016-2-25 21:10
楼主的实验很好，但总结有一些偏颇。

对于极大的待测电阻来说，比例法其实也会有影响，因为 ADC 的 Vin ...

我看现在各大论坛仪器模块，你做的是最好最接近实用的了，水平不是一般的高

kdtcf

washu 发表于 2016-2-25 21:10
楼主的实验很好，但总结有一些偏颇。

对于极大的待测电阻来说，比例法其实也会有影响，因为 ADC 的 Vin ...

10欧姆电阻你用100mA测试，会不会因为功耗大导致电阻短时间温升影响测试精度呢？

washu

kdtcf 发表于 2017-3-21 09:51
10欧姆电阻你用100mA测试，会不会因为功耗大导致电阻短时间温升影响测试精度呢？

会的，此时电阻上功耗达到 10*0.1^2=0.1 瓦，而一般精密小功率电阻测试时电阻上的功耗不宜超过 0.01 瓦，因此测试电流在 10 欧时就不宜超过 33mA，实际上高位表 10 欧姆档普遍提供的测试电流才 10mA 而已。

幸好我这个主要是一个电流源，测电阻是附带功能，因此使用者可以根据待测电阻的设计使用功率/使用环境/电阻种类/温度系数等，自由定义测试电流大小：






实际上 100mA 或更大电流，应该用于 <10 欧姆的检流器测试用



不过这个电阻也是一个检流器（AE 的，2W 额定、10W 最大），凑合了

kdtcf

washu 发表于 2017-3-21 10:52
会的，此时电阻上功耗达到 10*0.1^2=0.1 瓦，而一般精密小功率电阻测试时电阻上的功耗不宜超过 0.01 瓦， ...

恩恩，一般所谓的10mW测试功率应该指的是通用的0.25W电阻来说的，那么如果电阻超过2.5W，功耗100mW肯定是没问题的，是不会影响精度的，大的电流对测试小电阻提升精度是非常明显的。

俏也不争春

有耐心，有功底，佩服！

washu

kdtcf 发表于 2017-3-21 11:04
...一般所谓的10mW测试功率应该指的是通用的0.25W电阻来说的，那么如果电阻超过2.5W，功耗100mW肯定是没问题的，是不会影响精度的，大的电流对测试小电阻提升精度是非常明显的。

是的，从上面我那个“微欧表”测 10 欧姆电阻的照片中看，100mA 和 12.3456mA （10mA）的结果，后者不确定度大了 10 倍 >__<、、

具体到我这里的问题，主要是 1、热电势；2、放大器的 Vos；3、线性度 导致的，因为这只是用来评估我的电流源作为微欧表的一个示范，所以上面三个问题没有特别针对性解决好，但要解决这三个问题，还是可行的，

1、在一个测试周期中，接通和断开或反向测试电流，可以有效消除热电势影响
2、在一个测试周期中，将电压表头部分从电阻上断开并短路之，可以有效消除放大器 Vos
3、这是因为只用了 10% scale 导致的，可以再加提升放大器增益，尽量用满 scale

实际上就是再加入一个模拟开关，程序上作出一些调整，这样可以尽可能提高小电流下测试结果的准确度，但电路噪声导致的不确定度还是没办法，除非用斩波放大器了。

所以如果设计的是定电流的微欧表，那么如何根据量程选择测试电流大小，就需要慎重考虑了