摘 要：接觸電阻是用來(lái)表示元器件接觸點(diǎn)之間好壞的標(biāo)準(zhǔn)之一，所以接觸電阻的測(cè)量必不可少，本文對(duì)接觸電阻測(cè)試儀的研制進(jìn)行了闡述，詳細(xì)介紹了系統(tǒng)的各部分組成以及各部分所完成的功能。

關(guān)鍵詞：接觸電阻 四點(diǎn)法 模數(shù)轉(zhuǎn)換 串口通信

1.引言

在電子、通信或電力系統(tǒng)中，不僅元件之間、電路之間、設(shè)備之間乃至元件內(nèi)部都需要可靠的電子連接[1]。但由于導(dǎo)體界面處于不同的大氣環(huán)境中，經(jīng)常覆蓋著不同氣體的氧化層或電化學(xué)腐蝕層，從而使接觸狀態(tài)復(fù)雜化[2]，增加了接觸面間的接觸電阻值，影響了接觸性能，所以，為了研究觸點(diǎn)的可靠性，接觸電阻的測(cè)量必不可少。微動(dòng)電阻測(cè)試儀硬件電路部分主要是采用LM1458、ICL7135等芯片完成接觸電阻的測(cè)量。電阻測(cè)試儀的精度為四位半，量程2V/2Ω,精度0.1mV/ 0.1mΩ。LM1458是雙運(yùn)算放大器，它的作用是將實(shí)際測(cè)量的電壓值進(jìn)行放大，并輸出給ICL7135芯片。ICL7135芯片用來(lái)完成A/D轉(zhuǎn)換，將傳遞過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)由模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，并由五位數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示所測(cè)電阻值。

2. 接觸電阻測(cè)試系統(tǒng)的研究

2.1 測(cè)量原理

貴金屬電觸點(diǎn)材料接觸電阻的測(cè)量方法參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 15078-1994貴金屬電觸點(diǎn)材料接觸電阻的測(cè)量方法[3]，采用四點(diǎn)法測(cè)量，由于四點(diǎn)法測(cè)量接觸電阻采用20mA/100mA的恒流源，故測(cè)量接觸電阻的實(shí)質(zhì)是測(cè)量微動(dòng)接觸電壓。四點(diǎn)法接觸電阻的測(cè)量原理見(jiàn)圖1。

圖1 四點(diǎn)法測(cè)量接觸電阻原理圖

圖1所測(cè)電阻即為觸頭和樣片接觸時(shí)的電阻，其中的恒流源用來(lái)為接觸區(qū)域提供電流IC，電壓表用來(lái)測(cè)量P+和P-之間的電壓VC，由于電壓表內(nèi)阻相對(duì)于所測(cè)接觸電阻來(lái)說(shuō)相當(dāng)大（一般的接觸電阻大于100m?的話(huà)就屬于高阻），所以電壓表上分得的電流可以忽略不計(jì)，可以認(rèn)為電壓表所測(cè)電壓VC即為P+和P-之間的電壓值，從而電壓VC與電流IC的比值即為電阻值。但由于觸點(diǎn)和樣片的接觸區(qū)域非常小，按圖中的接線(xiàn)得到的是P+和P-之間的電阻值。為了使測(cè)得的數(shù)據(jù)盡量接近真實(shí)的接觸電阻值，應(yīng)使得P+接線(xiàn)端盡量靠近觸頭與樣片的接觸區(qū)域。

2.2 硬件結(jié)構(gòu)

2.2.1放大電路：

四點(diǎn)法是用來(lái)測(cè)量接觸電阻的，但實(shí)質(zhì)是測(cè)得的電壓與電流的比值才為電阻值，所以若直接讀電壓表的讀數(shù)，則還需另外計(jì)算電阻值，比較繁瑣。由于電流不變，所以可以通過(guò)找到電壓與電阻之間的關(guān)系，使得所測(cè)電壓的讀數(shù)即為電阻值，減少了計(jì)算的麻煩。恒流源為20mA時(shí)，把輸出電壓放大50倍，則顯示即為電阻值，單位為m?；若恒流源為100mA時(shí)，把輸出電壓放大10倍，則顯示也即為電阻值，單位為m?。

放大電路部分的電路如圖2所示。

圖2 接觸電阻測(cè)量系統(tǒng)放大電路

電路圖中有兩個(gè)LM1458芯片，P+和P-分別接被測(cè)電阻兩端（如圖1），經(jīng)過(guò)圖2放大電路后的輸出電壓為： 由于R1、R2為固定值（R1=2K?，R2 =1K?）,所以要想使輸出電壓放大50倍或10倍，只能改變可調(diào)電阻R3的阻值來(lái)控制放大倍數(shù)。通過(guò)計(jì)算可知，R3?85?時(shí)輸出電壓放大50倍，R3?470?時(shí)輸出電壓放大10倍。

2.2.2 模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

模數(shù)轉(zhuǎn)換部分是核心部分，本系統(tǒng)選用ICL7135芯片進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，將測(cè)得的電壓值經(jīng)過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換后以數(shù)字的形式顯示出來(lái)。ICL7135芯片要求120KHz時(shí)鐘輸入。我們選用3.840M晶體振蕩器，晶振的3.840M頻率通過(guò)HCF4060BE芯片進(jìn)行32分頻后得到120KHz的頻率。

ICL7135芯片實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的接線(xiàn)如圖3所示。

圖3 ICL7135芯片A/D轉(zhuǎn)換接線(xiàn)圖[5]

數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示，可以大幅度地降低硬件成本和電源的功耗。ICL7135芯片的輸出有D1（LSD）～D5（MSD）五位位選信號(hào)輸出和B1、B2、B4、B8四位BCD碼輸出。五位位選信號(hào)輸出與驅(qū)動(dòng)器（MC1413）連接，驅(qū)動(dòng)五個(gè)數(shù)碼管，用來(lái)選中某一位，四位BCD碼輸出與BCD—七段十進(jìn)制鎖存器（MC14513）連接，使數(shù)碼管顯示所選中的某一位的數(shù)據(jù)。

同時(shí)，ICL7135芯片的選通信號(hào)（STROBE）、忙信號(hào)（BUSY）和D1（LSD）～D5（MSD）五位數(shù)字驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及B1、B2、B4、B8四位BCD碼可以送入串行接口，與計(jì)算機(jī)相連，即時(shí)存儲(chǔ)及處理數(shù)據(jù)。

本毫伏毫歐表精度為四位半，因此有五位讀數(shù)，精確到小數(shù)點(diǎn)后一位。采用并行LED數(shù)碼管動(dòng)態(tài)掃描顯示電路（共陰極）驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管。

2.2.3整流與穩(wěn)壓源部分

整流與穩(wěn)壓源部分為A/D轉(zhuǎn)換芯片ICL7135提供+5V和-5V的參考電壓。原理圖如圖4所示。

圖4 整流與穩(wěn)壓源原理圖

通過(guò)變壓器，220V交流電調(diào)整為10V交流電，經(jīng)過(guò)橋式整流，供給穩(wěn)壓源。+10V供給MC7805，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換輸出+5V；-10V供給MC7905，經(jīng)過(guò)電平轉(zhuǎn)換輸出-5V。

3. 硬件系統(tǒng)與PC機(jī)接口

本文采用RS232協(xié)議并通過(guò)uP51C單片機(jī)學(xué)習(xí)板來(lái)實(shí)現(xiàn)串口通信，單片機(jī)核心部分為AT89S51。

計(jì)算機(jī)與計(jì)算機(jī)或計(jì)算機(jī)與終端之間的數(shù)據(jù)傳送可以采用串行通訊和并行通訊二種方式。由于串行通訊方式具有使用線(xiàn)路少、成本低，特別是在遠(yuǎn)程傳輸時(shí)，避免了多條線(xiàn)路特性的不一致而被廣泛采用。在串行通訊時(shí)，要求通訊雙方都采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)接口，使不同 的設(shè)備可以方便地連接起來(lái)進(jìn)行通訊。

RS-232-C接口（又稱(chēng) EIA RS-232-C）是目前最常用的一種串行通訊接口。

AT89S51是一個(gè)低功耗，高性能CMOS8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k Bytes ISP（In-system programmable）的可反復(fù)擦寫(xiě)1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結(jié)構(gòu)，芯片內(nèi)集成了通用8位中央處理器和ISP Flash存儲(chǔ)單元[6]。

3.1 uP51C單片機(jī)介紹

uP51C單片機(jī)的主要特點(diǎn)有：RS232 串行接口；可用下載線(xiàn)對(duì)AT89S5x單片機(jī)編程；采用USB供電；全部資源都引出的多功能擴(kuò)展接口；所有的資源全部都可以使用跳線(xiàn)選擇，方便明了；主芯片安裝位留有足夠位置，既可以安裝芯片插座，也可以安裝ZIF 插座（配合下載線(xiàn)即可將該板作為編程器用）。

uP51C單片機(jī)核心部分AT89S51管腳圖見(jiàn)圖5所示。

圖5 AT89S51管腳圖

ICL7135的STROBE與P3.2口連接，低電平觸發(fā)，BUSY 接到P2.0口，4個(gè)BCD信號(hào)分別接到P1.0 、P1.1、 P1.2、 P1.3，4個(gè)位選信號(hào)分別接到P1.4 、P1.5、 P1.6、P1.7 ，單片機(jī)與毫伏表共地。

3.2 傳輸數(shù)據(jù)的自定義格式

計(jì)算機(jī)一個(gè)字節(jié)只有8位，而我們需要傳輸?shù)挠行皇?位：4個(gè)BCD 碼和5個(gè)位選信號(hào)，為此我們通過(guò)軟件編碼，將5個(gè)位選信號(hào)轉(zhuǎn)化為4個(gè)BCD碼，放在被傳輸字節(jié)的高4位，低4位用來(lái)存放顯示的數(shù)值。

5個(gè)位選信號(hào)轉(zhuǎn)化成4個(gè)BCD碼的真值表見(jiàn)表1。

表1 5個(gè)位選信號(hào)與BCD碼對(duì)應(yīng)關(guān)系

4. PC機(jī)軟件開(kāi)發(fā)

本文采用VB6.0來(lái)實(shí)現(xiàn)PC機(jī)界面的軟件編程。Visual Basic 的串行通信對(duì)象是將RS232 的低級(jí)操作予以封裝，用戶(hù)以高級(jí)的BASIC語(yǔ)法即可以利用232與外界通信[7]。軟件編程流程圖見(jiàn)圖6。

圖6 軟件編程流程圖

5.對(duì)研制的本系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試

對(duì)研制出的本系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)際接觸電阻測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7。（被測(cè)樣片為經(jīng)過(guò)SO2腐蝕后的純銅樣片）

圖7 實(shí)際接觸電阻測(cè)試

根據(jù)圖片分析，腐蝕后的銅片經(jīng)過(guò)一定周期的微動(dòng)過(guò)程將SO2腐蝕膜層磨去，并且一直保持在幾個(gè)毫歐，結(jié)合電接觸理論的一些過(guò)往的結(jié)果[8]，可以認(rèn)為這次的測(cè)試結(jié)果是正確的，測(cè)試系統(tǒng)可以完成一定精度的測(cè)試任務(wù)。

6.結(jié)論

本文主要詳述了接觸電阻測(cè)量系統(tǒng)，包括硬件部分、接口部分和PC機(jī)軟件編程部分。實(shí)現(xiàn)了對(duì)接觸電阻的實(shí)時(shí)測(cè)量以及數(shù)據(jù)的記錄和后期處理，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了其可行性，為研究連接器的接觸性能提供了很好的工具。