基于Proteus 的雙臂電橋電路的仿真設計

張子昊

（四川農業大學機電學院，四川 雅安625014）

1 概述

根據學校部署，本校在本學期廣泛采取了網課教學，包括物理實驗課在內的所有課程都是在網上完成的。網上物理實驗課存在無法動手體驗實驗過程的局限性，因此，我產生了用電腦軟件來模擬大學物理實驗的想法，這樣既能夠加深自己對物理實驗原理的理解，又能夠增強自己電路設計與動手實驗的能力[1]。通過廣泛的閱讀相關文獻與反復的思考，筆者將在本文中以雙臂電橋電路為例，并應用Proteus 軟件對該實驗進行模擬。

2 雙臂電橋測電阻實驗的原理

筆者通過探討連接電阻及接觸電阻對于低值電阻測量的影響。如依據歐姆定律（R=V/I），采用安培計和毫伏計測量電阻測量電阻RxRx，電路圖見圖1。

圖1 測量電阻的電路

圖2 等效電路

考慮到電流表、毫伏表與被測電阻存在的接觸電阻的作用，等效電路圖見圖2。鑒于接觸電阻Ri3ri3 與Ri4Ri4 遠小于毫伏表內阻RgRg，因此，接觸電阻Ri3ri3 與Ri4Ri4 對毫伏表測量的影響則不予考慮，根據歐姆定律r=v/i 得到的電阻為RX+Ri1+RI2RX+Ri1+Ri2。當被測電阻RxRx 不足1 時，接觸電阻RI1RI1 與RI2RI2 于測量產生的影響則必須考慮在內。

為了最大限度的去除接觸電阻對測量所產生的影響，可以將連接方式進行修正（見圖3），以四端連接方式將低電阻RxRx 連接，等效電路如圖4。此時，在毫伏表上測量RxRx 的電壓降。從Rx=v/IRX=v/i 可以精確地計算RxRx。電流測量電路中作為電流頭的兩端(a，d)和電壓測量電路中稱為電壓連接器的兩端(b，c)分別連接。許多低電阻標準電阻器被制成四端子按鈕。

圖3 四段接法電路圖

圖4 四段接法等效電路

綜上，得出雙臂電橋模型，其電路圖及等效電路如圖5、圖6所示。標準電阻 RN 的電流頭的接觸電阻為RIN1RIN1 和RIN2RIN2。被測電阻RxRx 電流頭的接觸電阻分別為RIX1RIX1和RIX2RIX2，它們與雙臂電橋測量電路相連。RN1RN1 和RN2RN2 是標準電阻 rrn1rx1 和RX2RX2 與大電阻 R1R1、R2R2、R3R3、R4R4 串聯在雙臂電橋電壓測量回路上的接觸電阻，影響可以不予考慮。

圖5 雙臂電橋電路

圖6 雙臂電橋電路等效電路

如圖5、圖6 所示，平衡狀態的電橋，通過檢流計g 的電流IG = 0 IG = 0，在c 點和d 點的電位相等。由基爾霍夫電路定律導出方程組（1）。

如果 R4R2 = R3R1R4R2 = r3r1r4r1，則(2)中的第二項為零，故通過聯動轉換開關調整R1R1、R2R2、R3R3、R4R4、R4R1，同時調整聯動轉換開關，將RxRx 和rn 的接觸電阻RIN1 和nrx2rix2 包含在低阻導線RiRi 中,則有：

Rx=R1R2RnRx=R1R2Rn (3)

在電路模擬中，由于導線電阻RiRi 的阻值可以看作是零，即R4R2=R3R1R4R2=R3R1 可成立，使(2)式第二項盡量小，與第一項比較可以忽略，以滿足(3)式。

3 爾文電橋電路構建步驟

3.1 啟動Proteus 軟件

Proteus 軟件是由英國Labcenterelectronics 公司出版的一種EDA 工具軟件。它具有很強的電路仿真和電路測試功能，在電路設計的仿真驗證中扮演著重要的角色[2]。

如圖7 是Proteus 的操作界面，第一橫排是菜單欄，第二橫排是應用工具欄，左邊第一豎排是模式選擇工具，左下方橫排是仿真工具欄，圖中標出的框內為仿真原理編輯區。

圖7 Proteus 軟件操作界面

3.2 電路元件添加的操作 電源的添加：在元器件模式下，用鼠標左鍵單擊“P”，在關鍵詞中輸入“CELL”，在類別中找到并單擊“Miscellaneous”，雙擊器件“CELL”。具體步驟見圖8。

電阻的添加：在元器件模式下，用鼠標左鍵單擊“P”，在類別中找到并單擊“Resistors”，在子類別中找到并單擊“Generic”，雙擊器件“RES”。

開關的添加：在元器件模式下，用鼠標左鍵單擊“P”，在類別中找到并單擊“Switches&Relays”，在子類別中找到并單擊“Switches”，雙擊器件“SWITCH”。

滑動變阻器的添加：在元器件模式下，用鼠標左鍵單擊“P”，在類別中找到并單擊“Resistors”，在子類別中找到并單擊“Variable”，雙擊器件“POT-HG”。

圖8 電源添加操作步驟

地線的添加：在終端模式下，用鼠標左鍵單擊“GROUND”。

虛擬儀表的添加：在虛擬儀表模式下，“DC VOLTMETER”為直流電壓表，“DC AMMETER”為直流電流表，“AC VOLTMETER”為交流電壓表，“AC AMMETER”為交流電流表，單擊添加。

3.3 仿真電路圖繪制的操作

由于元器件庫中沒有四端鈕電阻，故模擬圖為等效電路圖，依照原理圖6，繪制等效電路，將所需的電路元件依次放置到原理圖編輯區，并點擊鼠標連接電路。如下圖9。

圖9 雙臂電橋仿真電路

3.4 電路參數的設置

電源電壓值的設置：設置電源電壓為15V，雙擊原電源電壓1.5V 彈出“Edit Part Value”,將標號修改為“15V”，單擊OK，電源值設置完成。具體操作見圖10。

電 阻 參 數 設 置：設 置 標 準 電 阻R1R1、R2R2、R3R3、R4、RnR4、Rn 和待測電阻RxRx，雙擊電阻元件數值彈出對話框，將對話框中標號更改為所需要的阻值。具體操作見圖11。

圖10 電源值設置

圖11 電阻值設置

電表參數設置：在虛擬儀器模式下，雙擊虛擬電表彈出“Edit Component”對話框 ，可通過該對話框編輯電表屬性，“Display Range”編輯欄可選擇電表顯示范圍，電壓表可選擇伏特（Volts）、毫伏（Millvolts）和微伏（Microvolts），電流表可選擇安培（Amps）、毫安（Millamps）和微安（Microamps）；表默認阻抗為零。具體操作見圖12。

圖12 電表參數設置

3.5 仿真運行的操作

閉合開關，單擊仿真欄中仿真按鈕，電壓表示數為零，則此時電橋處于平衡狀態。單擊仿真工具中的停止按鈕，改變RnRn的阻值，再次進行仿真，電壓表示數不為零，則電橋為非平衡狀態。

4 用雙臂電橋測電阻的仿真

設R1=20ΩR1=20Ω，R2=10ΩR2=10Ω，R3=20000ΩR3=20000Ω，R4=10000ΩR4=10000Ω，Rn=1ΩRn=1Ω，仿真結果顯示，當待測電阻Rx=0.0001ΩRx=0.0001Ω 時，電表示數為零，電橋平衡。

設R1=20ΩR1=20Ω，R2=10ΩR2=10Ω，R3=30000ΩR3=30000Ω，R4=15000ΩR4=15000Ω，Rn=1ΩRn=1Ω，仿真結果顯示，當待測電阻Rx=0.000667ΩRx=0.000667Ω 時，電表示數為零，電橋平衡。

設R1=20ΩR1=20Ω，R2=10ΩR2=10Ω，R3=70000ΩR3=70000Ω，R4=35000ΩR4=35000Ω，Rn=1ΩRn=1Ω，仿真結果顯示，當待測電阻Rx=0.000286ΩRx=0.000286Ω 時，電表示數為零，電橋平衡。

結束語

本文以雙臂電橋測量電阻實驗為例，通過Proteus 軟件進行仿真模擬，驗證了該軟件對學生自我學習有促進作用，且具有較好的可操作性。該軟件不但能夠彌補實驗儀器和元器件不足的缺點，還可以消除原材料損耗和儀器毀壞等因素，并且能較好的規避因實驗過程與實驗儀器所出現的系統誤差。同時，對于居家學習的大學生加深對課程內容的理解，鞏固對基本概念和基本原理的把握，提高分析問題與解決問題的能力，使他們在科研和工程實踐的模擬仿真的情境中，加強數字電路集成設計和實踐操作能力的訓練，實現理論教學和實驗教學的有機結合，均具有十分重要的價值。