专利名称：电阻、电容、电感在线测量方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明属于电子器件测量技术，涉及对在线电阻、电容、电感的测量方法及装置的改进。
对线路板上的元器件进行在线测量是一项非常有用的技术。针对一种特定线路板的由计算机控制的专用测量装置已经在电子工业使用，但是这种装置复杂，而且没有通用性。《电测与仪表》1993年第5期第27-30页公开了一种《智能在线万用表》，经试验该表仅能测量2M以内的电阻，不能测量在线的电容、电感，至今该种万用表也未投入工业生产。而且至今国内外也没有能够测量在线的电阻、电容、电感等分立元件的仪表投入实际使用。实现在线测量分立元件参数的关键技术是对被测量的元件进行电隔离。现在国内外都采用传统的电隔离方法，参见《Introduction to In-Circuit Testing》Part2和《电测与仪表》1988.11.“在线测试技术及其原理”等文章。传统的电隔离方法，参见附图1和2，是运用运算放大器的虚地原理实现的。被测元件ZX和与其连接的其他元件总是可以等效为一个由ZX、Z1和Z2组成的三角网络，Z1、Z2为等效阻抗。图1中被测元件接入运算放大器的反馈回路，标准电阻接入反相输入端。由于运算放大器反相输入端电位极接近同相输入端的地电位，使Z1上几乎没有电流，因此可依据下式计算ZX的值ZX=-V.o/V.i]]>在图2中被测元件接入输入回路，标准电阻接入反馈回路，则ZX=-V.i/V.o]]>
上面的 和 表示运算放大器输入、输出信号的复数形式。因为 和R是已知量， 可以测量，因此可以算出ZX，进而求出电阻、电容或者电感的数值。
传统的电隔离方法的缺点是第一、稳定性差。如果被测元件是电容或者电感，它将和标准电阻R一起构成一个相移环节，很容易产生自激振荡。因此传统的电隔离方法很难实现对电容和电感的测量。测电阻时也难以实现高阻值和低阻值的测量。
第二、精度低。测量精度受运算放大器本身性能的影响很难提高。而且图1或2所示的电路对信号源的波形失真和噪声十分敏感，使输出信噪比下降。
由于有上述致命的缺点，传统的电隔离方法不适于直接进行分立元件的在线测量，因此至今尚没有实际产品投放市场。
本发明的目的是提供一种对在线元件进行电隔离的新方法，称为等电位隔离法；提供一种测量在线电阻、电容、电感的方法以及使用上述方法在线测量分立的电阻、电容、电感的测量装置。
本发明的的技术方案是一种等电位隔离方法，用于对在线的电阻、电容、电感元件实行等电位隔离，其特征在于，(1)、将一个运算放大器的输出端与其反相输入端直接连接，形成一个电压跟随器；(2)、将基准精密电阻R的一端与被隔离的在线元件Zx的一端通过导线连接，基准精密电阻R的另一端与信号源Vi或者地连接，被隔离的在线元件Zx的另一端通过导线与地或者信号源Vi连接，基准精密电阻R与被隔离的在线元件Zx连接的一端同时与运算放大器的同相输入端连接；(3)、通过导线将运算放大器的输出端与线路板上所有的隔离点C连接，隔离点C的确定方法是在线路板上凡是与被隔离的在线元件Zx靠近信号源Vi的一端A相连的电阻、电容、电感元件的另一端均为隔离端C。
一种使用如上述的等电位隔离法隔离在线电阻、电容、电感元件进行测量的方法，其特征在于，(1)、用等电位隔离法将被测量元件实现等电位隔离，其方法是甲、将一个运算放大器的输出端与其反相输入端直接连接，形成一个电压跟随器；乙、将基准精密电阻R的一端与被测量元件Zx的一端通过导线连接，基准精密电阻R的另一端与信号源Vi或者地连接，被测量元件Zx的另一端通过导线与地或者信号源Vi连接，基准精密电阻R与被测量元件Zx连接的一端同时与运算放大器的同相输入端连接，丙、通过导线将运算放大器的输出端与线路板上所有的隔离点C连接，隔离点C的确定方法是在线路板上凡是与被测量元件Zx靠近信号源Vi的一端A相连的电阻、电容、电感元件的另一端均为隔离端C。(2)、分别测量出基准精密电阻R上的信号电压 的复数值和被测量元件Zx上的信号电压 的复数值，然后根据公式ZX=R*(V.Z/V.R)]]>计算出被测量元件的值。
一种使用上述的测量方法测量在线电阻、电容、电感元件的装置，包括一个由单片机8、显示器9和键盘10组成的、控制测量过程和计算、显示测量结果的单片机系统12，其特征在于，(1)、有一个等电位隔离电路将在线的被测量元件进行等电位隔离，该电路有一个运算放大器2，其输出端与反相输入端连接，构成电压跟随器，有一个信号电压源Vi11，基准精密电阻R连接在信号电压源Vi与运算放大器2的同相输入端之间，由运算放大器2的同相输入端引出的测量线13在测量时连接被测元件的一端，由测量装置的地引出的测量线15在测量时连接被测元件的另一端，由运算放大器的输出端引出的多根隔离线在测量时连接被测元件所在的线路板上经确定的所有的隔离点，(2)、有一个集成模拟开关3，在单片机系统12的控制下，完成测量基准精密电阻R上的电压 和被测元件上的电压 时的接点切换，(3)、有一个差动放大器4，完成对基准精密电阻R上的电压 或者被测元件上的电压 的运算和放大，(4)、有一个程控放大器5对差动放大器4的输出值进行放大，其放大倍数可以由单片机系统控制，根据输入信号幅度的大小选择适当的放大倍数，其输出信号经A/D转换后由单片机系统处理，求出被测元件的值。
本发明的优点是等电位隔离法没有将被测元件接入运算放大器的回路中，它受运算放大器本身参数的影响极小，因此稳定性好，测试电流电压都可以提高，不会产生自激振荡。本发明的在线电阻、电容、电感测量方法和装置可以准确地测量上述在线元件的数值，测试精度高。表1给出使用本发明测量装置测量在线电阻时与使用数字万用表测量值的对照。使用数字万用表测量时是将被测电阻从线路板上拆下离线测量的数值。表2是使用本装置测量电容的情况。
表1电阻测量值对照表
表2电容测量值
本发明的测量装置测量范围宽、测试精度高、自动转换量程、使用方便。表3给出本发明在线测量装置的测量范围和精度。
表3测量范围和精度
。图1是传统电隔离法测量原理图。图2是另一种接法的传统电隔离法原理。图3是本发明等电位隔离法原理。图4是另一种接法的等电位隔离法原理。图5是确定隔离点示意图。图6也是确定隔离点的示意图。图7是本发明的测量方法和测量装置的示意图。图8是本发明测量装置的原理图。图9是本发明测量装置的原理图。图10是本发明测量装置主程序框图。下面结合附图对本发明进行详细说明。
图1和图2是传统的电隔离法。其中运算放大器1的反馈回路接有被测元件或者标准电阻，使其反相端近乎地电位，于是在ZX中的信号电流与流过R的近似相等。实现对被测元件的隔离。
图3和图4是本发明等电位隔离的原理。图3中，被测元件ZX接在运放2的同相端和地之间，基准电阻R接在信号源Vi和运放同相端之间。运放2输出端接其反相输入端，成为一个电压跟随器。其输出端的电位始终等于同相端电位，因此在等效阻抗Z1上没有信号电流，即流过ZX的信号电流与流过R的相等，实现对ZX的等电位隔离。将由ZX、Z1、Z2组成的三角网络的顶点用字母A、B、C表示，A、B为被测元件的两端，C为等效阻抗Z1、Z2的交点，称之为隔离点。在线路板上对于不同的被测元件可能有数量不同的隔离点，需要根据被测元件在电路中的连接情况确定。图4中ZX和R交换了位置，在等电位隔离的原理上与图3相同。在隔离一个线路板上的元件时，需要用导线将等电位隔离电路与该线路板连接。有两种连接导线，一种是两根测量线，参见图7，测量线13由运放2的同相端引出，连接线路板上的被测元件的一端，测量线15由等电位隔离电路的地引出，连接线路板上被测元件的另一端；第二种连接导线称为隔离线，这可能是多根导线，由运放2的输出端引出，连接线路板上预先确定的所有的隔离点C。为方便起见，将那根不接地的测量线称为测量线A，将接地的那根测量线称为测量线B。图5和图6所示的电路是随意选择的电路，目的是为了说明在实际测量时对线路板上隔离点的确定方法。一般地说，凡是与被测元件接测量线A的一端连接的元件的另一端都是隔离点C。下面举出在图5和图6中测量几个元件的实例。测量线的连接情况见表4。
表4测量线连接
图7是本发明在线测量方法和装置的原理图和实施例，图8是测量装置的实施例。由运放2和基准电阻R组成等电位隔离电路。信号源11提供信号电压Vi。测量线13连接印刷板上的被测元件RX的一端A，测量线15连接RX的另一端B，隔离线14连接隔离点C。这样由于C点电位等于A点的电位，在R*上没有信号电流，实现了对RX的隔离。信号源可以采用直流或者交流信号，通常采用交流信号源。可以用复数表示交流信号电压，其实部对应电阻部分，虚部对应电容或者电感部分。可以采用一个正弦信号源提供频率为100Hz-1000Hz的正弦交流信号。可以用集成电路ICL8038构成信号源，也可以采用其他的电路。要求信号电压的输出幅度为3-6V，失真度小于0.5％。
采用等电位隔离法将被测元件隔离后，对于信号源11来说，相当于一个由被测元件ZX和基准电阻R组成的串联电路。只要测量出ZX和R上的信号电压，就可以求出ZX与R的关系。由于R为已知量，可据此求出ZX的值。因此测量的步骤为分别测量出基准精密电阻R上的信号电压 的复数值和被测量元件ZX上的信号电压 的复数值，然后根据公式ZX=R*(V.Z/V.R)]]>计算出被测量元件的值。在实际测量时，只要测量出 和 在一个任意正交坐标系中的两个电压分量即可，而不必考虑初相角。实际的测量中采用如下方法测量基准精密电阻R上的信号电压 和被测量元件Zx上的信号电压 并确定被测元件的值。
首先、测量某一时刻 上的瞬时电压V1和同一时刻 上的瞬时电压V2，延迟信号Vi的四分之一周期再测量该时刻 上的瞬时电压V3和同一时刻 上的瞬时电压V4，则V.Z=V1+jV3,V.R=V2+jV4]]>。例如对于1KHz的信号电压来说，先测出 和 在同一时刻的瞬时电压，然后延迟250μS再测出 和 的瞬时值。
其次、按下述方法计算ZX的值，解复数方程组 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)]]>则 ZX＝RX＋jX
RX表示ZX的电阻部分，X表示ZX的电抗部分，第三、按下述方法确定被测量元件的值当被测量的元件是电阻时其值为R＝R；当被测量的元件是电容时其值为C＝1/ωx，其中ω为信号电压Vi的角频率；当被测量的元件是电感时其值为L＝x/ω，其中ω为信号电压Vi的角频率。
在本发明的测量装置中，上述计算和判断工作由单片机完成。单片机根据上述关系式求出RX和X之后，根据X的符号以及操作者设置的测量要求即选择的测量功能，差找出对应的关系式，计算出需要的测量结果送显示器显示。
为了分别测量 和 ，需要有一个开关进行切换。使用集成模拟开关3，在单片机控制下完成测量切换。可以使用的集成电路有CD4051、CD4052、CD4066等。模拟开关使差动放大器4的输入端在不同时刻分别与被测元件和基准电阻的两端连接，将其上的信号电压输入差动放大器4。该放大器是一个减法放大器，完成被测元件和基准电阻上的压差运算。它由三个运算放大器组成，参见图8。IC2、IC3、IC4及电阻R1-R9组成差动放大器4。其输出送程控放大器5。为了使单片机能够精确测量信号值，应根据信号幅度的大小选择放大倍数。程控放大器在单片机的控制下可根据信号的大小改变放大倍数以满足测量要求。
单片机系统是测量装置的控制和运算单元。在单片机系统(12)中的单片机选用了8098，当然也可以用其他型号。8098带有A/D转换器，使电路比较简洁。由于测试信号是双极性信号，而8098只能处理单极性信号，因此需要有一个鉴相器和一个反相器。鉴相器6能检测信号的正负。当鉴相器6检测出程控放大器的输出为正时，8098直接对该输出信号进行A/D转换，当鉴相器6检测出程控放大器的输出为负时，该输出信号先经反相器7反相后再进行A/D转换。
在测量不同数值的元件时，为了提高测量精度，需要进行量程转换。本发明中的基准精密电阻也称量程电阻。为了扩大测量范围、提高精度，可以设置多个量程电阻。例如选择阻值为100Ω、1KΩ、10KΩ、100KΩ、1MΩ的一组5个可切换的精度为±0.5％以上的金属膜电阻作为量程电阻，有一个模拟开关，在单片机的控制下自动进行基准精密电阻的切换，完成量程的自动转换。
图9是本发明测量装置的实施例之一。其硬件由单片机系统和模拟电路两部分组成。
1、8098单片机系统8098单片机系统由12片集成电路和若干电阻、电容、LED元件、5位数码管和6个功能键组成。其中U4为8098，是系统的核心。U5采用8279是专用的接口器件，与U8(74LS138)、U9(74LS245)、U10(7407)一起完成对健盘和显示器的控制。U1(74LS138)和U2(74LS32)完成8098单片机系统的地址译码。U6(74LS373)和U7(2764)组成系统的外接程序存储器。U11(74LS273)是8D触发器，其作用是启动6个发光管，显示测量项目和量程。U12(74LS273)和U14(74LS07)完成对模拟系统中量程自动转换、程控放大器放大倍数的选择以及对VZ、VR测量转换的控制。
2、模拟电路模拟电路由11个集成电路和若干其他元件组成。信号源由一片8038及外围元件组成正弦波发生器，可输出100Hz、1000H-Z和两种频率的信号电压。U15(LF347四运放)完成对正弦信号的放大和等电位隔离电位的生成。U16、U17(CD4051)在单片机系统的控制下完成量程的自动转换。模拟开关U18(CD4052)完成被测元件和基准电阻上信号电压VZ、VR的测量选择。U19(LF356)、U20(LF356)以及U21(CD4052)、U22(OP27)组成程控增益差动放大器。U24(OP27)组成反相器。U23(LM311)组成鉴相器。还有一个由LM336构成的高稳定、高精度的5V基准电压源，向8098的A/D转换器供电，保证转换精度。
上述各集成电路的一种可选择的型号在其代号后面的括号中给出，也可以选择其他型号的同类电路。本发明的测量装置可以根据上述原理图由集成度更高的芯片所取代。例如可以将上述单片机系统和模拟电路部分做在一块芯片上，这样将大大缩小测量装置的体积并减低其成本。
本发明测量装置使用了单片机，其软件部分主要包括主程序、初始化子程序、测试子程序、中断处理子程序、数据处理子程序、四字节浮点运算子程序、数码显示子程序、自检子程序等。主程序框图见图10。初始化子程序完成中断方式设置、U5(8279)芯片初始化、键盘输入数据处理及测量信号频率确定。测试子程序与中断处理子程序一起，完成对 和 实部、虚部电压的定时测量，并对测量数据进行数字滤波处理。数据处理子程序则按操作者的工作模式和前面所述的计算方法计算出RX和X的值，并进一步求出被测量元件的值。数码显示子程序显示测量结果。自检子程序完成对8098系统和模拟电路的自检，以便迅速查出测量装置自身的故障。
本发明测量装置的测量过程如下。
信号源输出的正弦测试信号加在被测元件和基准电阻上，由于等电位隔离电路的屏蔽作用，使流过被测元件和基准电阻的信号电流相等。8098单片机通过改变HS0.0和HS0.1端的状态来控制双四模拟开关U18的导通状态。令HS0.0和HS0.1都为“0”时，U18的X端与X0接通，Y端与Y0接通，此时被测元件两端的信号电压经放大器送到8098的A/D转换器进行A/D转换，测出 的实部V1和虚部V3。在距 被选通一个周期后，令HS0.0和HS0.1都为“1”，此时U18的X端与X3接通，Y端与Y3接通，基准电阻两端的信号电压送8098进行A/D转换并测量其实部V2和虚部V4。需要注意的是，上述两组数值是分别选通被测元件和基准电阻在两个信号周期内的同一时刻，分别相距四分之一信号周期测出的瞬时值。在进行A/D转换前8098要根据鉴相器的状态确定输入信号的正负，当信号为负时先经反相再进行A/D转换。另外，8098视模拟信号的大小控制程控放大器的增益，以便提高测量精度。由于信号源的频率精度对测量结果影响较大，可以设置专门的测频环节，在每次测量前，首先校准信号源的频率。在8098的控制下，量程转换是自动完成的。量程转换时一方面要根据被测元件的阻抗确定合适的量程电阻；另一方面要根据信号的大小选择程控放大器的增益。
权利要求
1.一种等电位隔离方法，用于对在线的电阻、电容、电感元件实行等电位 隔离，其特征在于，(1)、将一个运算放大器的输出端与其反相输入端直接连接，形成一个电压跟随器；(2)、将基准精密电阻(R)的一端与被隔离的在线元件(Zx)的一端通过导线连接，基准精密电阻(R)的另一端与信号源(Vi)或者地连接，被隔离的在线元件(Zx)的另一端通过导线与地或者信号源(Vi)连接，基准精密电阻(R)与被隔离的在线元件(Zx)连接的一端同时与运算放大器的同相输入端连接；(3)、通过导线将运算放大器的输出端与线路板上所有的隔离点(C)连接，隔离点(C)的确定方法是在线路板上凡是与被隔离的在线元件(Zx)靠近信号源(Vi)的一端(A)相连的电阻、电容、电感元件的另一端均为隔离端(C)。
2.一种使用如权利要求1所述的方法隔离在线电阻、电容、电感元件进行测量的方法，其特征在于，(1)、用等电位隔离法将被测量元件实现等电位隔离，其方法是甲、将一个运算放大器的输出端与其反相输入端直接连接，形成一个电压跟随器；乙、将基准精密电阻(R)的一端与被测量元件(Zx)的一端通过导线连接，基准精密电阻(R)的另一端与信号源(Vi)或者地连接，被测量元件(Zx)的另一端通过导线与地或者信号源(Vi)连接，基准精密电阻(R)与被测量元件(Zx)连接的一端同时与运算放大器的同相输入端连接；丙、通过导线将运算放大器的输出端与线路板上所有的隔离点(C)连接，隔离点(C)的确定方法是在线路板上凡是与被测量元件(Zx)靠近信号源(Vi)的一端(A)相连的电阻、电容、电感元件的另一端均为隔离端(C)；(2)、分别测量出基准精密电阻(R)上的信号电压 的复数值和被测量元件(Zx)上的信号电压 的复数值，然后根据公式ZX=R*(V.Z/V.R)]]>计算出被测量元件的值。
3.根据权利要求2所述的测量方法，其特征在于，采用如下方法测量基准精密电阻(R)上的信号电压 和被测量元件(Zx)上的信号电压 并确定被测元件的值，(1)、测量某一时刻 的瞬时电压(V1)和同一时刻 的瞬时电压(V2)，延迟信号(Vi)的四分之一周期再测量该时刻 的瞬时电压(V3)和同一时刻 的瞬时电压(V4)，则V.Z=V1+jV3]]>V.R=V2+jV4,]]>(2)、按下述方法计算(ZX)的值，解复数方程组 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)]]>则 ZX＝RX＋jXRX表示ZX的电阻部分，X表示ZX的电抗部分，(3)、按下述方法确定被测量元件的值当被测量的元件是电阻时其值为R＝R；当被测量的元件是电容时其值为C＝1/ωx，其中ω为信号电压(Vi)的角频率；当被测量的元件是电感时其值为L＝x/ω，其中ω为信号电压(Vi)的角频率。
4.一种使用如权利要求2所述的测量方法测量在线电阻、电容、电感元件的装置，包括一个由单片机(8)、显示器(9)和键盘(10)组成的、控制测量过程和计算、显示测量结果的单片机系统(12)，其特征在于，(1)、有一个等电位隔离电路将在线的被测量元件进行等电位隔离，该电路有一个运算放大器(2)，其输出端与反相输入端连接，构成电压跟随器，有一个信号电压源Vi(11)，基准精密电阻R连接在信号电压源Vi与运算放大器(2)的同相输入端之间，由运算放大器(2)的同相输入端引出的测量线(13)在测量时连接被测元件的一端，由测量装置的地引出的测量线(15)在测量时连接被测元件的另一端，由运算放大器的输出端引出的多根隔离线在测量时连接被测元件所在的线路板上经确定的所有的隔离点，(2)、有一个集成模拟开关(3)，在单片机系统(12)的控制下，完成测量基准精密电阻R上的电压 和被测元件上的电压 时的接点切换，(3)、有一个差动放大器(4)，完成对基准精密电阻R上的电压 或者被测元件上的电压 的运算和放大，(4)、有一个程控放大器(5)对差动放大器(4)的输出值进行放大，其放大倍数可以由单片机系统控制，根据输入信号幅度的大小选择适当的放大倍数，其输出信号经A/D转换后由单片机系统处理，求出被测元件的值。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其特征在于，所说的单片机系统(12)中的单片机是8098，在8098和程控放大器(5)之间有一个鉴相器(6)和一个反相器(7)，当鉴相器(6)检测出程控放大器的输出为正时，8098直接对该输出信号进行A/D转换，当鉴相器(6)检测出程控放大器的输出为负时，该输出信号先经反相器(7)反相后再进行A/D转换。
6.根据权利要求4或5所述的测量装置，其特征在于，所说的基准精密电阻是一组可切换的精度为±0.5％以上的金属膜电阻，有一个模拟开关，在单片机的控制下自动进行基准精密电阻的切换，完成量程的自动转换。
全文摘要
本发明属于电子器件测量技术，涉及对在线电阻、电容、电感的测量方法及装置的改进。本发明采用独特的等电位隔离法对在线的被测元件进行隔离。采用单片机系统控制测量过程和计算、显示测量结果。本发明的在线测量装置测量范围宽、测量精度高。
文档编号G01R27/02GK1150248SQ95117908
公开日1997年5月21日 申请日期1995年10月30日 优先权日1995年10月30日
发明者潘明海 申请人:中国航空工业总公司第014中心