编号：G乙00303
2011年全国电子设计大赛（山东赛区）设计报告
题目：简易自动电阻测试仪
参赛学校：山东职业学院
参赛学生：王厚训 houxun0508@126.com
舒立中zhong2025@yahoo.com.cn
李
建
英
719504414@qq.com
目 录
摘要???????????????????????????????????2 一、系统方案???????????????????????????????????3
1．方案比较与选择?????????????????????????????3 1）电阻电压转换电路????????????????????????????3 2）恒流源模块设计方案???????????????????????????3 3）显示模块设计方案????????????????????????????3
4）A/D转换器选择?????????????????????????????????4 2．方案描述????????????????????????????????4
二、理论分析与计算?????????????????????????????4
1．电阻测量原理??????????????????????????????????4 2．自动量程转换与电阻筛选功能???????????????????????????5 3．电位器阻值变化曲线测试装置??????????????????????????. 5
三．电路设计与程序设计-??????????????????????????5
1.电路设计????????????????????????????????5 1）100Ω、1KΩ、10KΩ、100KΩ四档R/U电路设计????????????????5 2）10MΩ档R/U电路设计??????????????????????????6 3）12V /5V电压转换电路??????????????????????????6 4）键盘设计??????????????????????????????? 6 5）整体电路设计????????????????????????????? 6 2.程序设计???????????????????????????????6
四、测试方案与测试结果??????????????????????????7 五、设计小结????????????????????????????????????8 参考文献 ?????????????????????????????????????8 附录????????????????????????????????????????9
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摘 要
本简易电阻测试仪主要由ATmega32主控单元、电路、A/D转换电路、矩阵键盘、液晶显示、电位器自动测量装置等部分组成。利用恒流源测电阻法实现100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ四档位电阻的R/U转换，利用电阻分压法完成10MΩ量程电阻的R/U转换；利用模拟开关控制实现100Ω、1kΩ、10kΩ、100kΩ、10MΩ五个量程的自动转换。选用16位高分辨率A/D转换器ADS1100完成A/D转换，保证测量精度与测量速度，采用矩阵式键盘控制，完成电阻基本测量、电阻自动筛选、电位器自动测量等功能切换，电位器驱动采用步进电机驱动，利用光电对管进行限位控制，测量结果采用液晶显示。系统实现了Ω～MΩ级不同档位电阻的测量和量程自动转换、电阻的自动筛选和对单圈电位器R-θ曲线的自动测量。
关键字：电阻测试 量程转换 准确度 误差
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一、系统方案
1．方案比较与选择
（1）电阻电压转换电路
方案一：电阻分压法。如图1，将待测电阻Rx和基准电阻R串联在电路中。由于电阻分压的作用，当串联到电路上的电阻Rx的值不同时其Rx上分的压降也不同。通过测量Vx便可求得Rx。 RX?VXR(VCC?VX)
图1 电阻分压电路
该方案原理简单，理论上只要参考电阻精确，就可以测量任何阻值的电阻，但实际上由于AD的分辨率有限，当待测电阻的很大或是很小时就很难测出Rx上的压降Vx，从而使测量范围缩小，要提高测量范围和精度就需要对电阻分档测试和提高AD的分辨率。这无疑会增加系统的复杂性和成本。
方案二：采用恒流源模块实现R/U转换。由于电流源测电阻法的线性度好，恒流源输出的电流与负载无关，而且通过简单控制还可以方便的实现量程自动转换，满足题目要求。本设计采用方案二。
（2） 恒流源模块设计方案
方案一：由三端可调式集成稳压器构成的恒流源。其典型恒流源电路图如图2所示。一旦稳压器选定，则U0 是定值。若R1固定不变，则I0不变，因此可获得恒流输出。若改变R1的值，可使输出 I0改变。因此将R1设为数控电位器，则输出电流可以以某个步长进行改变。此电路结构简单，调试方便，价格便宜，但是精密的大功率数控电位器难购买。
方案二：由数控稳压器构成的恒流源。方案一是在U0不变的情况下，通过改变R1的数值获得输出电流的变化。如果固定R1不变，若能改变U0的数值，同样也可以构成恒流源，也就是说将上图中的三端可调式集成稳压源改为数控电压源，其工作原理和图2类似，示意图如图3所示。此方案原理清楚，但数控电压源的设计相对复杂，而且数控稳压源的地是浮地，与系统不共地线，对于系统而言，地线不便处理。
图2 三端集成稳压器构成的恒流源框图 图3 数控电压源构成的恒流源框图
方案三：采用集成运放构成三级恒流源。由于电流源测电阻法的线性度好，恒流源输出的电流与负载无关, 题目要求能实现100Ω、1KΩ、10kΩ三档量程自动转换，采用集成运放设计三级恒流源，恒流源输出电流大小由模拟开关控制，实现量程自动切换。
综合考虑，采用方案三，使用低噪音、高速宽带运放OP07和继电器构成一个能根据测试电阻大小自动进行输出电流切换的恒流源电路。 （3）显示模块设计方案
方案一：使用数码管显示。采用数码管显示数字，对外界环境要求低，易于维护。但根
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据题目要求，如果需要同时显示测量值与单位，而且发挥部分还要显示电位器随角度变化的曲线，LED数码管显示不能满足要求。
方案二：使用LCD显示。LCD具有轻薄短小，可视面积大，方便的显示汉字数字与图像，分辨率高，抗干扰能力强，功耗小，设计简单等特点。
综上所述，本设计选择方案二。采用12864汉字图形点阵式液晶显示模块同时显示测量电阻值与单位。
（4）A/D转换器选择
A/D转换部分是整个设计的关键，这一部分处理不好，会影响系统测量精度与测试速度，根据题目测试精度要求，A/D转换器位数至少要达到10位。
方案一：选用16位逐次逼近型A/D转换器。16位逐次逼近型A/D转换器具有电路结构简单，面积和功耗小，而且不存在延迟问题，精度也可满足要求，但这种A/D转换器在一个时钟周期里只完成1位转换，N位转换就需要N个时钟周期，故它的采样率不高，不能很好的满足设计要求。
方案二：选用高分辨率连续自校准A/D转换器。选用16位分辨率的模数转换器件ADS1100。ADS1100是精密的连续自校准A/D转换器，带有差分输入和高达16位的分辨率，可每秒采样8、16、32或128次，采用2.7V～5.5V单电源供电，它具有分辨率高、接口简单、转换速度快、功耗低、体积小等优点。
经过论证，我们采用了方案二。
2．方案描述
本设计主控单元采用高性能、低功耗的ATMega32微控制器，采用运放构成的四级恒流源模块实现R/U转换，利用继电器实现量程自动转换，电位器测量驱动设备采用步进电机，测试电阻值与电位器阻值变化曲线采用12864液晶显示器显示，各测试功能转换采用按键切换。系统整体框图如图4所示。
图4 系统整体框图
二、理论分析与计算
1．电阻测量原理
由于恒流源测电阻法的线性度好，故选择此法。对于Ω～kΩ级的待测电阻，我们设置了100Ω、1KΩ、10KΩ、100KΩ四个档位，设定A/D采样的信号范围为25mV～2.5V， 所以本次设计四级电流源25mA、2.5mA、250uA、25uA，其对应的测量量程如表2.1所示。
表2.1.测电阻量程选择 25mA 2.5 mA 250 uA 25 uA 电流源（uA） 量程（kΩ） 0～0.1 0.1～1.0 1.0～10.0 10.0～100.0 对于10MΩ电阻的测量，考虑10MΩ电阻较大，采用恒流源电路实现R/U转换需要uA级
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