一種電阻網絡自動測試儀

劉彤，趙巧妮，劉傳

（1.湖南鐵道職業技術學院，湖南株洲，412001；2.東北石油大學，黑龍江大慶，163319）

0 引言

電阻是電子電路當中常用的元件，電阻的制作和使用需要滿足有一定的精度要求，且作文分離元件使用，特定場合使用時，需要把若干電阻集成封裝在一起，與外部電路結合，實現電路集成化，減小電路體積。通常的電阻測量方法，都是針對單一電阻進行測量，對于具有一定連接關系的電阻進行測量，除了考慮測量方法外，還要考慮電阻之間的連接對被測電阻的影響。電路應用中，為了減小部件尺寸，要求PCB電路尺寸減小，往往把電路芯片周圍的電阻封裝成電阻網絡的形式，其內部連接關系取決于外部電路的設計。

電阻按照阻值大小可分為高阻（大于100kΩ ）、中阻（1-100kΩ）、低阻（小于1Ω ）。在測量這些類別的電阻時，必須考慮到影響測量誤差的各個因素，并選擇合適的測量方法。本文針對封裝后的具有固定連接關系的電阻網絡進行測試，測量其各個電阻的阻值是否符合精度要求，設計一種自動測試儀，完成封裝后各個電阻的自動測試。

1 待測電阻網絡結構

待測電阻網絡封裝后是一個14引腳DIP芯片形式，由11個電阻構成電阻網絡，內部電路連接形式如圖1所示，封裝電阻網絡，只有一個電阻是單獨引出，其它電阻均沒有單獨引出，相互之間都有連接關系。

圖1 待測電阻網絡結構示意圖

電阻網絡的電阻阻值與外部電路設計有關，電阻標稱值如表1所示，精度要求5%。可以看出，為了滿足電路需要，11個電阻中阻值最小的680Ω，最大的390kΩ。

表1 待測電阻網絡標稱阻值表

2 電阻網絡測試原理

電阻測試的主要方法有電橋法和恒流測壓法，電橋法測量準確，精度高，適合單一電阻的測量，但是電路和操作復雜。恒流測壓法測試原理簡單，電路設計靈活測量精度取決于電路設計的合理性，適合自動化測試。

恒流測壓法測量電阻，就是利用歐姆定律的變形公式R=V/I，如圖2所示，I是程控恒流源，V是高阻抗測試電壓裝置，r是引線和接觸電阻之和。對待測電阻Rt施加已知恒流源I，測量電阻兩端電壓V，當Rt＞＞r時，根據公式Rt= V/I就可計算出電阻值[1]。在滿足測量精度要求下，恒流測壓法測量電路設計簡單、實用。

圖2 恒流測壓法測量電阻原理

3 電路設計

待測電阻構成電阻網絡形式，采用恒流測壓法測量對其電路進行設計，滿足不同型號電阻網絡的測試要求，測試電路包括電源電路、核心測控電路、程控恒流源電路、程控切換電路、顯示按鍵電路、存儲電路及待測電阻等幾個部分，如圖3所示。

圖3 系統測試結構框圖

核心測控電路以STM32單片機小系統為控制核心，控制系統電阻測試流程，控制恒流源電路產生與待測電阻檔對應的恒流源，控制程控切換電路，正確接通待測電阻回路，將待測電阻兩端電壓通過自身AD模塊采集，并進行處理，實現電阻測試結果的判斷和顯示，將電阻的測試數據通過通訊接口上傳到上位機顯示和存儲。

3.1 程控恒流源電路

恒流源為電路提供恒定電流，是精確測量電阻的基礎，由精密穩壓源和高阻抗運算放大器為主要元件構成[2]，工作原理如圖4所示，Vs是精密穩壓源，Rx為被測電阻，R是采樣電阻，電路是一個負反饋電路，當采樣電阻的電壓變化時，直接反饋到運放的反相輸入端，與同相輸入端電壓的差值被運放放大，輸出控制三極管的基極電流，改變三極管的內阻，從而改變發射極與集電極間的電壓降，從而使采樣電阻的電壓保持不變，以達到負載電流恒定的目的。

圖4 恒流源電路原理圖

改變采樣電阻R的阻值就可以改變恒流源，通過程序改變接入電路的阻值，輸出1μA～10mA的電流。

恒流源實際應用電路如圖5所示，R5是負載電阻，用MOS管替代三極管，減小導通電阻，提高測量精度，R3和R5構成采樣電路，由采樣電阻實時反饋負載電流，當負載電流變大時，運放反相輸入端的電壓比正相輸入端的電壓高，運放輸出低電平，使MOS管截止，使負載電流減小；當負載電流變小時，運放反相輸入端的電壓比正相輸入端的電壓低，運放輸出高電平，使MOS管導通，使負載電流增大。因此，負載電流經過采樣電阻的實時反饋，最終達成恒定的穩定電流。可變電阻R3改變采樣電阻的阻值，可以調整恒流源的電流。TL431為運放正向輸入端，提供穩定電壓值。

圖5 恒流源實際應用電路

待測電阻網絡電阻阻值差距較大，三角形連接電阻測量需要單獨電路處理，恒流源另外設立，其它待測電阻需要的恒流源，電路根據待測網絡電阻設計四檔恒流源，電阻值R≤1k采用2.5mA恒流源，電阻值1k＜R≤5k采用500μA恒流源，電阻值10k≤R＜100k采用25μA恒流源，電阻值100k≤R采用5μA。

3.2 程控切換電路

程控切換電路采用繼電器矩陣，用于選擇合適恒流源，流過被測電阻。對電阻網絡中不同連接形式，通過繼電器切換選擇的不同測試連接方式，最終目的時把待測電阻兩端的電壓正確采集到控制核心電路的A/D模塊，如圖6所示，Is為恒流源輸入端，IN+和IN-為數據采集輸入端，SW1～SW15為切換繼電器。例如，當需要測量R1時，STM32控制器接通對應的恒流源2.5mA，恒流源通過閉合SW14、SW10、SW1、SW7構成回路，電阻R1通過SW1和SW7接入STM32控制器的數據采集輸入端IN+和IN-，讀取電阻R1兩端的電壓值，計算出電阻測量值和誤差。

圖6 電阻測試切換連接電路

3.3 三角形連接電阻的測量

如果按照網絡中其它電阻的測量方法直接接入A/D，恒流源在流過任何一個電阻時，都會在于其并聯的電阻上產生分流，比如，恒流源Is通過閉合SW8、SW14和SW10，流過電阻R5，同時恒流源也經過R3和R4并聯回路產生分流，在R5流過的就不是恒流源Is。所以，在測試三角形連接電阻時，需要考慮相互之間的影響。

三角形連接電阻的測量采用虛地的方法，引入運算放大器，實現在線測量，測量原理如圖7所示，被測電阻Rx與Z1、Z2構成三角形連接，b點的電位與a點相同，流過Z1的電流為零，合理選擇恒流源Is，流過被測電阻Rx，運算放大器輸出端的電壓Vo=-Is＊Rx，所以，Rx=-Vo/Is。

圖7 三角形連接測量原理圖

電阻網絡當中，被測電阻R3、R4和R5構成三角形連接，如圖8所示，電阻R3、R4和R5每兩個的連接作為三角形的三個頂點，電阻R3和R4的連接由14腳引出，電阻R4和R5的連接由13腳引出，電阻R3和R5的連接由11腳引出。

圖8 三角形電阻連接形式

三角形連接電阻測量仿真電路如圖9所示，待測三角形連接電阻阻值差別較大，采用恒流源需要合理選擇，選擇恒流源的原則是，在被測電阻兩端產生的電壓在A/D輸入端量程的中間已上，可以避免因為電壓太小造成的電壓干擾，影響測量精度。圖9(a)是電阻R5的測量電路，測量時引腳14接地，恒流源采用5μA，在電阻R5產生壓降為1.95V，圖9(b)是電阻R4的測量電路，恒流源采用10μA，在電阻R4兩端產生壓降為1.56V，圖9(c)是電阻R3的測量電路，恒流源采用40μA，在電阻R3兩端產生壓降為1.88V。

圖9 三角形電阻測量仿真電路

3.4 通訊電路

測試系統與上位機的連接有兩種方式，一種是有線模式，采用RS485電路，另外一種是無線模式，采用Zigbee通訊模塊，如圖10所示。STM32控制器的串口1實現RS485電路連接，串口2實現Zigbee電路連接。兩種模式都能夠實現測試系統的數據傳輸和網絡構建，實現集中管理模塊與測量終端的連接。RS485電路是成熟電路，是基本的通訊電路保障，需要布線，Zigbee電路則不需要布線，也可以構成測試網絡，兩者實現網絡構建的互補。

圖10 通訊電路

4 軟件設計

4.1 測試流程

系統測試通過STM32控制器完成，測試過程包括系統初始化，測試選擇，恒流源選擇，待測電阻網絡電阻測試，數據采集及處理，顯示及存儲等環節，如圖11所示。首先，系統初始化對測試系統上電硬件狀態檢查，顯示、存儲區域正常，供電正常，無短路，初始化完成，然后進行測試選擇，可以選擇要測試的電阻網絡，也可以選擇測試校準，對恒流源及電壓進行校準，選擇電阻網絡后開始自動測試，對被測電阻逐個測試，進行數據處理，待測電阻兩端電壓采集進行均值濾波，濾除干擾數據，使測試更準確，同時，將測試數據上傳至上位機進行顯示和存儲。

圖11 系統測試流程圖

4.2 數據通訊

測試系統與上位機的通訊采用自定義協議[3]，傳輸電阻網絡測試數據，兼容有線和無線兩種模式。數據通訊幀結構如表2所示。數據通訊的目的是將每個測試站點的測試產品數據上傳到上位機和集中管理模塊，管理模塊依據數據不僅可以對測試數據進行分析，還可以定位到測試產品的具體位置和個體。通訊幀的總長度40個字節，幀頭和幀尾各1個字節，第二個字節用ID號表示測量網絡節點，第三個字節表示數據長度，由被測電阻的個數決定，后面跟被測電阻的阻值數據，字節個數由數據長度字節決定，如表2所示。

表2 通訊幀結構

表2中測量數據的內容，包括被測電阻網絡產品批次、產品編號、被測電阻網絡芯片類型及每個電阻的測試數值，兼容多種電阻網絡芯片，實現產品測試的可逆追蹤，產品批次、編號和類型各占一個字節，測試數據包括該類型網絡電阻的所有電阻測試數值，按照序號依次排列，每個電阻測試數值占2個字節，第一個字節表示整數部分，第二個字節表示小數部分，如表3所示。

表3 測量數據結構

5 實驗測試

測試系統的測試數據是否滿足精度要求，需要進行測試，被測試產品屬于非標產品，不能用常規方法進行標定測量。所以，首先對測試系統進行標定，使用標準產品進行測量、校準，然后再在標定的基礎上測量實際產品，測量的實際產品與標稱值做比較，得出測量誤差。

待測電阻網絡采用5個標準產品進行標定測試，測試數據如表4所示，可以看出，雖然電阻阻值大小不一，但是測試過程中，采用不同的恒流源，避免了測量誤差的累計，待測電阻均值誤差最小值0.18%，最大值是2%，基本滿足了測試要求。將均值誤差作曲線圖進一步分析，除了電阻R2誤差在-2%外，其余電阻均值誤差都在-1%～1%區間波動。對被測電阻分段修正，可使誤差范圍在-1%～1%內，進一步滿足測試準確度，提高測試精度。

表4 產品測試數據表

校準后的測試系統，就能夠進行產品測試檢驗，以驗證電路的穩定性，提高測試精度。

6 結論

本測試系統能夠測試多種類型電阻網絡，并且可以單機測試，也可以構建測試網絡，實現了測試數據的集中管理。測試系統解決了三角形連接電阻的測試，通過分析測試數據，可以看出，測試數據符合測試精度要求，滿足了生產和測試的需要。