電阻、電容、電感在線測量方法及裝置的制作方法

專利名稱：電阻、電容、電感在線測量方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明屬于電子器件測量技術，涉及對在線電阻、電容、電感的測量方法及裝置的改進。
對線路板上的元器件進行在線測量是一項非常有用的技術。針對一種特定線路板的由計算機控制的專用測量裝置已經在電子工業使用，但是這種裝置復雜，而且沒有通用性。《電測與儀表》1993年第5期第27-30頁公開了一種《智能在線萬用表》，經試驗該表僅能測量2M以內的電阻，不能測量在線的電容、電感，至今該種萬用表也未投入工業生產。而且至今國內外也沒有能夠測量在線的電阻、電容、電感等分立元件的儀表投入實際使用。實現在線測量分立元件參數的關鍵技術是對被測量的元件進行電隔離。現在國內外都采用傳統的電隔離方法，參見《Introduction to In-Circuit Testing》Part2和《電測與儀表》1988.11.“在線測試技術及其原理”等文章。傳統的電隔離方法，參見附圖1和2，是運用運算放大器的虛地原理實現的。被測元件ZX和與其連接的其他元件總是可以等效為一個由ZX、Z1和Z2組成的三角網絡，Z1、Z2為等效阻抗。圖1中被測元件接入運算放大器的反饋回路，標準電阻接入反相輸入端。由于運算放大器反相輸入端電位極接近同相輸入端的地電位，使Z1上幾乎沒有電流，因此可依據下式計算ZX的值ZX=-V.o/V.i]]>在圖2中被測元件接入輸入回路，標準電阻接入反饋回路，則ZX=-V.i/V.o]]>
上面的 和 表示運算放大器輸入、輸出信號的復數形式。因為 和R是已知量， 可以測量，因此可以算出ZX，進而求出電阻、電容或者電感的數值。
傳統的電隔離方法的缺點是第一、穩定性差。如果被測元件是電容或者電感，它將和標準電阻R一起構成一個相移環節，很容易產生自激振蕩。因此傳統的電隔離方法很難實現對電容和電感的測量。測電阻時也難以實現高阻值和低阻值的測量。
第二、精度低。測量精度受運算放大器本身性能的影響很難提高。而且圖1或2所示的電路對信號源的波形失真和噪聲十分敏感，使輸出信噪比下降。
由于有上述致命的缺點，傳統的電隔離方法不適于直接進行分立元件的在線測量，因此至今尚沒有實際產品投放市場。
本發明的目的是提供一種對在線元件進行電隔離的新方法，稱為等電位隔離法；提供一種測量在線電阻、電容、電感的方法以及使用上述方法在線測量分立的電阻、電容、電感的測量裝置。
本發明的的技術方案是一種等電位隔離方法，用于對在線的電阻、電容、電感元件實行等電位隔離，其特征在于，(1)、將一個運算放大器的輸出端與其反相輸入端直接連接，形成一個電壓跟隨器；(2)、將基準精密電阻R的一端與被隔離的在線元件Zx的一端通過導線連接，基準精密電阻R的另一端與信號源Vi或者地連接，被隔離的在線元件Zx的另一端通過導線與地或者信號源Vi連接，基準精密電阻R與被隔離的在線元件Zx連接的一端同時與運算放大器的同相輸入端連接；(3)、通過導線將運算放大器的輸出端與線路板上所有的隔離點C連接，隔離點C的確定方法是在線路板上凡是與被隔離的在線元件Zx靠近信號源Vi的一端A相連的電阻、電容、電感元件的另一端均為隔離端C。
一種使用如上述的等電位隔離法隔離在線電阻、電容、電感元件進行測量的方法，其特征在于，(1)、用等電位隔離法將被測量元件實現等電位隔離，其方法是甲、將一個運算放大器的輸出端與其反相輸入端直接連接，形成一個電壓跟隨器；乙、將基準精密電阻R的一端與被測量元件Zx的一端通過導線連接，基準精密電阻R的另一端與信號源Vi或者地連接，被測量元件Zx的另一端通過導線與地或者信號源Vi連接，基準精密電阻R與被測量元件Zx連接的一端同時與運算放大器的同相輸入端連接，丙、通過導線將運算放大器的輸出端與線路板上所有的隔離點C連接，隔離點C的確定方法是在線路板上凡是與被測量元件Zx靠近信號源Vi的一端A相連的電阻、電容、電感元件的另一端均為隔離端C。(2)、分別測量出基準精密電阻R上的信號電壓 的復數值和被測量元件Zx上的信號電壓 的復數值，然后根據公式ZX=R*(V.Z/V.R)]]>計算出被測量元件的值。
一種使用上述的測量方法測量在線電阻、電容、電感元件的裝置，包括一個由單片機8、顯示器9和鍵盤10組成的、控制測量過程和計算、顯示測量結果的單片機系統12，其特征在于，(1)、有一個等電位隔離電路將在線的被測量元件進行等電位隔離，該電路有一個運算放大器2，其輸出端與反相輸入端連接，構成電壓跟隨器，有一個信號電壓源Vi11，基準精密電阻R連接在信號電壓源Vi與運算放大器2的同相輸入端之間，由運算放大器2的同相輸入端引出的測量線13在測量時連接被測元件的一端，由測量裝置的地引出的測量線15在測量時連接被測元件的另一端，由運算放大器的輸出端引出的多根隔離線在測量時連接被測元件所在的線路板上經確定的所有的隔離點，(2)、有一個集成模擬開關3，在單片機系統12的控制下，完成測量基準精密電阻R上的電壓 和被測元件上的電壓 時的接點切換，(3)、有一個差動放大器4，完成對基準精密電阻R上的電壓 或者被測元件上的電壓 的運算和放大，(4)、有一個程控放大器5對差動放大器4的輸出值進行放大，其放大倍數可以由單片機系統控制，根據輸入信號幅度的大小選擇適當的放大倍數，其輸出信號經A/D轉換后由單片機系統處理，求出被測元件的值。
本發明的優點是等電位隔離法沒有將被測元件接入運算放大器的回路中，它受運算放大器本身參數的影響極小，因此穩定性好，測試電流電壓都可以提高，不會產生自激振蕩。本發明的在線電阻、電容、電感測量方法和裝置可以準確地測量上述在線元件的數值，測試精度高。表1給出使用本發明測量裝置測量在線電阻時與使用數字萬用表測量值的對照。使用數字萬用表測量時是將被測電阻從線路板上拆下離線測量的數值。表2是使用本裝置測量電容的情況。
表1電阻測量值對照表
表2電容測量值
本發明的測量裝置測量范圍寬、測試精度高、自動轉換量程、使用方便。表3給出本發明在線測量裝置的測量范圍和精度。
表3測量范圍和精度


。圖1是傳統電隔離法測量原理圖。圖2是另一種接法的傳統電隔離法原理。圖3是本發明等電位隔離法原理。圖4是另一種接法的等電位隔離法原理。圖5是確定隔離點示意圖。圖6也是確定隔離點的示意圖。圖7是本發明的測量方法和測量裝置的示意圖。圖8是本發明測量裝置的原理圖。圖9是本發明測量裝置的原理圖。圖10是本發明測量裝置主程序框圖。下面結合附圖對本發明進行詳細說明。
圖1和圖2是傳統的電隔離法。其中運算放大器1的反饋回路接有被測元件或者標準電阻，使其反相端近乎地電位，于是在ZX中的信號電流與流過R的近似相等。實現對被測元件的隔離。
圖3和圖4是本發明等電位隔離的原理。圖3中，被測元件ZX接在運放2的同相端和地之間，基準電阻R接在信號源Vi和運放同相端之間。運放2輸出端接其反相輸入端，成為一個電壓跟隨器。其輸出端的電位始終等于同相端電位，因此在等效阻抗Z1上沒有信號電流，即流過ZX的信號電流與流過R的相等，實現對ZX的等電位隔離。將由ZX、Z1、Z2組成的三角網絡的頂點用字母A、B、C表示，A、B為被測元件的兩端，C為等效阻抗Z1、Z2的交點，稱之為隔離點。在線路板上對于不同的被測元件可能有數量不同的隔離點，需要根據被測元件在電路中的連接情況確定。圖4中ZX和R交換了位置，在等電位隔離的原理上與圖3相同。在隔離一個線路板上的元件時，需要用導線將等電位隔離電路與該線路板連接。有兩種連接導線，一種是兩根測量線，參見圖7，測量線13由運放2的同相端引出，連接線路板上的被測元件的一端，測量線15由等電位隔離電路的地引出，連接線路板上被測元件的另一端；第二種連接導線稱為隔離線，這可能是多根導線，由運放2的輸出端引出，連接線路板上預先確定的所有的隔離點C。為方便起見，將那根不接地的測量線稱為測量線A，將接地的那根測量線稱為測量線B。圖5和圖6所示的電路是隨意選擇的電路，目的是為了說明在實際測量時對線路板上隔離點的確定方法。一般地說，凡是與被測元件接測量線A的一端連接的元件的另一端都是隔離點C。下面舉出在圖5和圖6中測量幾個元件的實例。測量線的連接情況見表4。
表4測量線連接

圖7是本發明在線測量方法和裝置的原理圖和實施例，圖8是測量裝置的實施例。由運放2和基準電阻R組成等電位隔離電路。信號源11提供信號電壓Vi。測量線13連接印刷板上的被測元件RX的一端A，測量線15連接RX的另一端B，隔離線14連接隔離點C。這樣由于C點電位等于A點的電位，在R*上沒有信號電流，實現了對RX的隔離。信號源可以采用直流或者交流信號，通常采用交流信號源。可以用復數表示交流信號電壓，其實部對應電阻部分，虛部對應電容或者電感部分。可以采用一個正弦信號源提供頻率為100Hz-1000Hz的正弦交流信號。可以用集成電路ICL8038構成信號源，也可以采用其他的電路。要求信號電壓的輸出幅度為3-6V，失真度小于0.5％。
采用等電位隔離法將被測元件隔離后，對于信號源11來說，相當于一個由被測元件ZX和基準電阻R組成的串聯電路。只要測量出ZX和R上的信號電壓，就可以求出ZX與R的關系。由于R為已知量，可據此求出ZX的值。因此測量的步驟為分別測量出基準精密電阻R上的信號電壓 的復數值和被測量元件ZX上的信號電壓 的復數值，然后根據公式ZX=R*(V.Z/V.R)]]>計算出被測量元件的值。在實際測量時，只要測量出 和 在一個任意正交坐標系中的兩個電壓分量即可，而不必考慮初相角。實際的測量中采用如下方法測量基準精密電阻R上的信號電壓 和被測量元件Zx上的信號電壓 并確定被測元件的值。
首先、測量某一時刻 上的瞬時電壓V1和同一時刻 上的瞬時電壓V2，延遲信號Vi的四分之一周期再測量該時刻 上的瞬時電壓V3和同一時刻 上的瞬時電壓V4，則V.Z=V1+jV3,V.R=V2+jV4]]>。例如對于1KHz的信號電壓來說，先測出 和 在同一時刻的瞬時電壓，然后延遲250μS再測出 和 的瞬時值。
其次、按下述方法計算ZX的值，解復數方程組 得到ZX＝R(V1＋jV3)/(V2＋jV4)令RX=R(V1.V2+V3.V4)/(V22+V42)]]>X=R(V2.V3-V1.V4)/(V22+V42)]]>則 ZX＝RX＋jX
RX表示ZX的電阻部分，X表示ZX的電抗部分，第三、按下述方法確定被測量元件的值當被測量的元件是電阻時其值為R＝R；當被測量的元件是電容時其值為C＝1/ωx，其中ω為信號電壓Vi的角頻率；當被測量的元件是電感時其值為L＝x/ω，其中ω為信號電壓Vi的角頻率。
在本發明的測量裝置中，上述計算和判斷工作由單片機完成。單片機根據上述關系式求出RX和X之后，根據X的符號以及操作者設置的測量要求即選擇的測量功能，差找出對應的關系式，計算出需要的測量結果送顯示器顯示。
為了分別測量 和 ，需要有一個開關進行切換。使用集成模擬開關3，在單片機控制下完成測量切換。可以使用的集成電路有CD4051、CD4052、CD4066等。模擬開關使差動放大器4的輸入端在不同時刻分別與被測元件和基準電阻的兩端連接，將其上的信號電壓輸入差動放大器4。該放大器是一個減法放大器，完成被測元件和基準電阻上的壓差運算。它由三個運算放大器組成，參見圖8。IC2、IC3、IC4及電阻R1-R9組成差動放大器4。其輸出送程控放大器5。為了使單片機能夠精確測量信號值，應根據信號幅度的大小選擇放大倍數。程控放大器在單片機的控制下可根據信號的大小改變放大倍數以滿足測量要求。
單片機系統是測量裝置的控制和運算單元。在單片機系統(12)中的單片機選用了8098，當然也可以用其他型號。8098帶有A/D轉換器，使電路比較簡潔。由于測試信號是雙極性信號，而8098只能處理單極性信號，因此需要有一個鑒相器和一個反相器。鑒相器6能檢測信號的正負。當鑒相器6檢測出程控放大器的輸出為正時，8098直接對該輸出信號進行A/D轉換，當鑒相器6檢測出程控放大器的輸出為負時，該輸出信號先經反相器7反相后再進行A/D轉換。
在測量不同數值的元件時，為了提高測量精度，需要進行量程轉換。本發明中的基準精密電阻也稱量程電阻。為了擴大測量范圍、提高精度，可以設置多個量程電阻。例如選擇阻值為100Ω、1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ的一組5個可切換的精度為±0.5％以上的金屬膜電阻作為量程電阻，有一個模擬開關，在單片機的控制下自動進行基準精密電阻的切換，完成量程的自動轉換。
圖9是本發明測量裝置的實施例之一。其硬件由單片機系統和模擬電路兩部分組成。
1、8098單片機系統8098單片機系統由12片集成電路和若干電阻、電容、LED元件、5位數碼管和6個功能鍵組成。其中U4為8098，是系統的核心。U5采用8279是專用的接口器件，與U8(74LS138)、U9(74LS245)、U10(7407)一起完成對健盤和顯示器的控制。U1(74LS138)和U2(74LS32)完成8098單片機系統的地址譯碼。U6(74LS373)和U7(2764)組成系統的外接程序存儲器。U11(74LS273)是8D觸發器，其作用是啟動6個發光管，顯示測量項目和量程。U12(74LS273)和U14(74LS07)完成對模擬系統中量程自動轉換、程控放大器放大倍數的選擇以及對VZ、VR測量轉換的控制。
2、模擬電路模擬電路由11個集成電路和若干其他元件組成。信號源由一片8038及外圍元件組成正弦波發生器，可輸出100Hz、1000H-Z和兩種頻率的信號電壓。U15(LF347四運放)完成對正弦信號的放大和等電位隔離電位的生成。U16、U17(CD4051)在單片機系統的控制下完成量程的自動轉換。模擬開關U18(CD4052)完成被測元件和基準電阻上信號電壓VZ、VR的測量選擇。U19(LF356)、U20(LF356)以及U21(CD4052)、U22(OP27)組成程控增益差動放大器。U24(OP27)組成反相器。U23(LM311)組成鑒相器。還有一個由LM336構成的高穩定、高精度的5V基準電壓源，向8098的A/D轉換器供電，保證轉換精度。
上述各集成電路的一種可選擇的型號在其代號后面的括號中給出，也可以選擇其他型號的同類電路。本發明的測量裝置可以根據上述原理圖由集成度更高的芯片所取代。例如可以將上述單片機系統和模擬電路部分做在一塊芯片上，這樣將大大縮小測量裝置的體積并減低其成本。
本發明測量裝置使用了單片機，其軟件部分主要包括主程序、初始化子程序、測試子程序、中斷處理子程序、數據處理子程序、四字節浮點運算子程序、數碼顯示子程序、自檢子程序等。主程序框圖見圖10。初始化子程序完成中斷方式設置、U5(8279)芯片初始化、鍵盤輸入數據處理及測量信號頻率確定。測試子程序與中斷處理子程序一起，完成對 和 實部、虛部電壓的定時測量，并對測量數據進行數字濾波處理。數據處理子程序則按操作者的工作模式和前面所述的計算方法計算出RX和X的值，并進一步求出被測量元件的值。數碼顯示子程序顯示測量結果。自檢子程序完成對8098系統和模擬電路的自檢，以便迅速查出測量裝置自身的故障。
本發明測量裝置的測量過程如下。
信號源輸出的正弦測試信號加在被測元件和基準電阻上，由于等電位隔離電路的屏蔽作用，使流過被測元件和基準電阻的信號電流相等。8098單片機通過改變HS0.0和HS0.1端的狀態來控制雙四模擬開關U18的導通狀態。令HS0.0和HS0.1都為“0”時，U18的X端與X0接通，Y端與Y0接通，此時被測元件兩端的信號電壓經放大器送到8098的A/D轉換器進行A/D轉換，測出 的實部V1和虛部V3。在距 被選通一個周期后，令HS0.0和HS0.1都為“1”，此時U18的X端與X3接通，Y端與Y3接通，基準電阻兩端的信號電壓送8098進行A/D轉換并測量其實部V2和虛部V4。需要注意的是，上述兩組數值是分別選通被測元件和基準電阻在兩個信號周期內的同一時刻，分別相距四分之一信號周期測出的瞬時值。在進行A/D轉換前8098要根據鑒相器的狀態確定輸入信號的正負，當信號為負時先經反相再進行A/D轉換。另外，8098視模擬信號的大小控制程控放大器的增益，以便提高測量精度。由于信號源的頻率精度對測量結果影響較大，可以設置專門的測頻環節，在每次測量前，首先校準信號源的頻率。在8098的控制下，量程轉換是自動完成的。量程轉換時一方面要根據被測元件的阻抗確定合適的量程電阻；另一方面要根據信號的大小選擇程控放大器的增益。
權利要求
1.一種等電位隔離方法，用于對在線的電阻、電容、電感元件實行等電位 隔離，其特征在于，(1)、將一個運算放大器的輸出端與其反相輸入端直接連接，形成一個電壓跟隨器；(2)、將基準精密電阻(R)的一端與被隔離的在線元件(Zx)的一端通過導線連接，基準精密電阻(R)的另一端與信號源(Vi)或者地連接，被隔離的在線元件(Zx)的另一端通過導線與地或者信號源(Vi)連接，基準精密電阻(R)與被隔離的在線元件(Zx)連接的一端同時與運算放大器的同相輸入端連接；(3)、通過導線將運算放大器的輸出端與線路板上所有的隔離點(C)連接，隔離點(C)的確定方法是在線路板上凡是與被隔離的在線元件(Zx)靠近信號源(Vi)的一端(A)相連的電阻、電容、電感元件的另一端均為隔離端(C)。
2.一種使用如權利要求1所述的方法隔離在線電阻、電容、電感元件進行測量的方法，其特征在于，(1)、用等電位隔離法將被測量元件實現等電位隔離，其方法是甲、將一個運算放大器的輸出端與其反相輸入端直接連接，形成一個電壓跟隨器；乙、將基準精密電阻(R)的一端與被測量元件(Zx)的一端通過導線連接，基準精密電阻(R)的另一端與信號源(Vi)或者地連接，被測量元件(Zx)的另一端通過導線與地或者信號源(Vi)連接，基準精密電阻(R)與被測量元件(Zx)連接的一端同時與運算放大器的同相輸入端連接；丙、通過導線將運算放大器的輸出端與線路板上所有的隔離點(C)連接，隔離點(C)的確定方法是在線路板上凡是與被測量元件(Zx)靠近信號源(Vi)的一端(A)相連的電阻、電容、電感元件的另一端均為隔離端(C)；(2)、分別測量出基準精密電阻(R)上的信號電壓 的復數值和被測量元件(Zx)上的信號電壓 的復數值，然后根據公式ZX=R*(V.Z/V.R)]]>計算出被測量元件的值。
3.根據權利要求2所述的測量方法，其特征在于，采用如下方法測量基準精密電阻(R)上的信號電壓 和被測量元件(Zx)上的信號電壓 并確定被測元件的值，(1)、測量某一時刻 的瞬時電壓(V1)和同一時刻 的瞬時電壓(V2)，延遲信號(Vi)的四分之一周期再測量該時刻 的瞬時電壓(V3)和同一時刻 的瞬時電壓(V4)，則V.Z=V1+jV3]]>V.R=V2+jV4,]]>(2)、按下述方法計算(ZX)的值，解復數方程組 得到ZX＝R(V1＋jV3)/(V2＋jV4)令RX=R(V1.V2+V3.V4)/(V22+V42)]]>X=R(V2.V3-V1.V4)/(V22+V42)]]>則 ZX＝RX＋jXRX表示ZX的電阻部分，X表示ZX的電抗部分，(3)、按下述方法確定被測量元件的值當被測量的元件是電阻時其值為R＝R；當被測量的元件是電容時其值為C＝1/ωx，其中ω為信號電壓(Vi)的角頻率；當被測量的元件是電感時其值為L＝x/ω，其中ω為信號電壓(Vi)的角頻率。
4.一種使用如權利要求2所述的測量方法測量在線電阻、電容、電感元件的裝置，包括一個由單片機(8)、顯示器(9)和鍵盤(10)組成的、控制測量過程和計算、顯示測量結果的單片機系統(12)，其特征在于，(1)、有一個等電位隔離電路將在線的被測量元件進行等電位隔離，該電路有一個運算放大器(2)，其輸出端與反相輸入端連接，構成電壓跟隨器，有一個信號電壓源Vi(11)，基準精密電阻R連接在信號電壓源Vi與運算放大器(2)的同相輸入端之間，由運算放大器(2)的同相輸入端引出的測量線(13)在測量時連接被測元件的一端，由測量裝置的地引出的測量線(15)在測量時連接被測元件的另一端，由運算放大器的輸出端引出的多根隔離線在測量時連接被測元件所在的線路板上經確定的所有的隔離點，(2)、有一個集成模擬開關(3)，在單片機系統(12)的控制下，完成測量基準精密電阻R上的電壓 和被測元件上的電壓 時的接點切換，(3)、有一個差動放大器(4)，完成對基準精密電阻R上的電壓 或者被測元件上的電壓 的運算和放大，(4)、有一個程控放大器(5)對差動放大器(4)的輸出值進行放大，其放大倍數可以由單片機系統控制，根據輸入信號幅度的大小選擇適當的放大倍數，其輸出信號經A/D轉換后由單片機系統處理，求出被測元件的值。
5.根據權利要求4所述的測量裝置，其特征在于，所說的單片機系統(12)中的單片機是8098，在8098和程控放大器(5)之間有一個鑒相器(6)和一個反相器(7)，當鑒相器(6)檢測出程控放大器的輸出為正時，8098直接對該輸出信號進行A/D轉換，當鑒相器(6)檢測出程控放大器的輸出為負時，該輸出信號先經反相器(7)反相后再進行A/D轉換。
6.根據權利要求4或5所述的測量裝置，其特征在于，所說的基準精密電阻是一組可切換的精度為±0.5％以上的金屬膜電阻，有一個模擬開關，在單片機的控制下自動進行基準精密電阻的切換，完成量程的自動轉換。
全文摘要
本發明屬于電子器件測量技術，涉及對在線電阻、電容、電感的測量方法及裝置的改進。本發明采用獨特的等電位隔離法對在線的被測元件進行隔離。采用單片機系統控制測量過程和計算、顯示測量結果。本發明的在線測量裝置測量范圍寬、測量精度高。
文檔編號G01R27/02GK1150248SQ95117908
公開日1997年5月21日 申請日期1995年10月30日 優先權日1995年10月30日
發明者潘明海 申請人:中國航空工業總公司第014中心