如何測(cè)量低阻值器件

在博文 Measuring Resistances Less Than 1Ohm[1] 中介紹了一種簡(jiǎn)便精確測(cè)量低阻器件的方法。通常情況下，一些器件的導(dǎo)通電阻非常小，比如低阻值的測(cè)電流電阻、導(dǎo)線電阻、開關(guān)電阻、保險(xiǎn)絲、繼電器以及點(diǎn)火器等等。下面給出了一些這樣低阻值器件示例。

通常使用的萬用表（無論是指針式還是數(shù)字式）當(dāng)測(cè)量低于一歐姆電阻的時(shí)候就不準(zhǔn)確了，甚至有的萬用表對(duì)于小于 10 歐姆的電阻讀數(shù)都有很大的跳動(dòng)。這種情況，需要借助于四線低阻值歐姆表來精確測(cè)量。實(shí)際上，只要你的萬用表可以精確測(cè)量到毫伏直流電壓，便可以相當(dāng)準(zhǔn)確的測(cè)量低阻值電阻了。

▲ 一些低阻值的器件

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01 測(cè)量方案

測(cè)量低阻器件所需要的設(shè)備：

• 可以測(cè)量 V,mV 和電阻的數(shù)字萬用表；220 歐姆的電阻，或者其它阻值相近的電阻；5V 穩(wěn)壓電源（交流適配器，臺(tái)式電源，或者 7805 穩(wěn)壓電路）0.1uF, 10uF 電容，以及面包板。

5V 電源需要在測(cè)量過程中保持恒定，否則就會(huì)影響測(cè)量的精度。實(shí)際上，大部分帶有穩(wěn)壓功能的電源都可以滿足要求。

• 測(cè)量時(shí)，電路需要保持穩(wěn)定，沒有開關(guān)打開和閉合的動(dòng)作；使用不同尺寸和容量的電容來平滑工作電壓；選擇 22mA 左右的工作電流，不要超過 100mA，也不要小于 5mA。

至于工作電壓本身的準(zhǔn)確性倒是不影響測(cè)量精度，任何在 4.5V~5.5V 范圍內(nèi)，只要保持恒定都能夠得到不錯(cuò)的測(cè)量結(jié)果。

▲ 測(cè)量低阻值器件電路示意圖

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• 電源的+5V 和 GND 連接到面板包的頂部和底部的雙槽內(nèi)；上下各使用 C1(0.1uF), C2(10uF)來對(duì)工作電源濾波；R1（220 歐姆）是已知的電阻，連接在+5V 和 R2 上；R2 是被測(cè)低阻值電阻，連接 R1 至 GND；

實(shí)際上上面的電路是一個(gè)簡(jiǎn)單的電壓分壓電路，流經(jīng) R1，R2 的電流相同。當(dāng)測(cè)量 R1，R2 兩端電壓之后，便可以知道 R2 與 R1 的比值，進(jìn)而可以計(jì)算出 R2 的阻值了。

上面是將被測(cè)電阻 R2 直接插在面包板上進(jìn)行測(cè)量?？梢允褂明{魚嘴夾將 R2 引出面包板，并且可以測(cè)量其他器件（引線、表貼器件、點(diǎn)火器等）。

02 已知電阻

在前面測(cè)量方案中，R1 是已知電阻。最好選用大功率、低溫漂系數(shù)的電阻。通常情況下 5%精度的電阻就可以滿足要求。

根據(jù)歐姆定律，5V 電壓施加在 220 歐姆的電阻上，會(huì)產(chǎn)生 0.114W（1/10W）的功率，形成熱量消耗在 R1 上。當(dāng) R1 溫度升高后，對(duì)于低溫度系數(shù)（小于±50ppm）的阻值變化小于普通電阻（溫度系數(shù)大于±100ppm）。所以，使用大功率（保證其溫度變化?。?，低溫度系數(shù)的穩(wěn)定電阻 R1 是提高測(cè)量精度的關(guān)鍵。

選用 1/2W 的金屬膜 1%精度的 220 歐姆，溫度系數(shù)為 50ppm，或者 3W,20ppm,220 歐姆的繞線電阻都可以滿足測(cè)量的需求。下面的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，采用了及其普通的 5% 1/4W，350ppm，220Ω的碳膜電阻。

在將 R1 插入面包板之前，使用萬用表測(cè)量它的阻值。不要在 R1 插到面包板之后再測(cè)量，這樣會(huì)使得讀數(shù)不準(zhǔn)。

▲ 使用萬用表讀出 R1 的阻值

實(shí)際上，只要讀數(shù)穩(wěn)定，至于具體電阻的數(shù)值是多少并不會(huì)影響最終的測(cè)量結(jié)果。通常保證該阻值在 200~240 之間即可。

將測(cè)量的結(jié)果記錄下來之后，再把 R1 接入面包板。

03 測(cè)量樣品

為了驗(yàn)證測(cè)量電路的原理和測(cè)量過程的正確性，可以先從能夠被萬用表電阻精確測(cè)量的電阻測(cè)試起。比如可以先使用一個(gè) 10 歐姆的電阻作為 R2 進(jìn)行測(cè)量。

打開 5V 電源，測(cè)量 R1 兩端電壓，比如在這里它的讀數(shù)為 4.7696V。

▲ 測(cè)量 R1 兩端電壓：4.7696V

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由于 R1 比 R2 的阻值（10 歐姆）大得多，所以在 R1 上的電壓比較大，應(yīng)該大于 4.5V。

接著，測(cè)量 R2 兩端電壓，這個(gè)電壓通常小于 0.5V。所示選擇萬用表直流電壓的毫伏檔來測(cè)量。如果使用普通的伏特檔位來測(cè)量，可能所獲得電壓數(shù)值精度會(huì)降低。大多數(shù)數(shù)字萬用表都會(huì)包含有毫伏和伏特兩個(gè)檔位。

比如在下面的測(cè)量中，R2 上的電壓為 216.64mV。

▲ 使用毫伏檔位測(cè)量未知電阻 R2 上的直流電壓

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根據(jù)上面測(cè)量結(jié)果可以計(jì)算出 R2 的阻值。

這個(gè)結(jié)果符合實(shí)際情況。剛才測(cè)量的 R2 是一個(gè) 5%精度的電阻，也就是說它的阻值應(yīng)該在 9.5~10.5 歐姆之間。

▲ 直接使用萬用表測(cè)量 R2 的阻值

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如果直接使用萬用表的電阻檔，可以測(cè)量 R2 的阻值為 9.9Ω，這與前面測(cè)量的結(jié)果相當(dāng)?shù)姆稀?/p>

04 測(cè)量一些常見的低阻值器件

使用上述方法對(duì)本文一開始圖中的低阻值器件進(jìn)行測(cè)量。這些低阻值器件中有些已經(jīng)是毫歐級(jí)別的電阻，使用萬用表根本無法讀出有效的阻值。

在測(cè)量的時(shí)候，測(cè)量 R2 電壓的時(shí)候盡可能靠近器件管腳的根部，否則就會(huì)使得測(cè)量得到的電阻包含了器件引腳的電阻了。下面是測(cè)量的一些結(jié)果：

可以看到所有測(cè)量結(jié)果都在實(shí)際期望阻值范圍內(nèi)。

05 改進(jìn)

將 R1 更換成更大功率更加穩(wěn)定的繞線電阻，可以大大提高測(cè)量阻值的數(shù)量。在測(cè)量過程中，保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定性也很重要。比如在白天高溫下，和晚上低溫下測(cè)量器件的阻值會(huì)相差 1%左右。

對(duì)于碳膜電阻，具有較大的溫度系數(shù)。在不同的溫度下阻值相差較大。

為了提高測(cè)量精度，最好：

• 使用更高功率，低溫度系數(shù)的電阻作為 R1；在測(cè)量前，最好等待兩分鐘使得測(cè)量器件達(dá)到熱平衡，組織穩(wěn)定后在進(jìn)行測(cè)量。

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▲ 大功率低溫度系數(shù)的繞線電阻

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對(duì)于大功率、低溫度系數(shù)的電阻在通常室溫范圍內(nèi)，220 歐姆的阻值通常變化不超過十分之一歐姆。

參考資料

[1]Measuring Resistances Less Than 1Ohm: https://www.robotroom.com/Measuring-Low-Resistances.html

這學(xué)期的教學(xué)工作即將結(jié)束了：今天是系里所有的本科畢業(yè)設(shè)計(jì)答辯結(jié)束了。明天將是所帶的信號(hào)與系統(tǒng)課程期末考試。過了明天，他們將會(huì)解放了。