如何构建一个低电阻表

　　您可能已经有了用于测量电阻的 DMM，但它可以用于 1Ω 以下的电阻吗？如果是这样，这些低欧姆读数是否可靠？

　　该项目将向您展示如何制作自己的低电阻表；它仅使用少量组件，可以测量低至 0.1Ω 的电阻。

　　示意图

　　

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　　理论

　　可以使用多种方法（惠斯通电桥、RC 计算）来测量电阻，但在这个项目中，选择的方法是使用电子学中最基本的方程：

　　V=IRV=IR

　　恒流源将通过被测电阻建立电流并测量电阻产生的电压降。然后，该电压降将被放大并馈入标准万用表。电压的大小将等于以欧姆为单位的电阻（例如，1V = 1Ω）。我们需要为恒流级之后的放大器级选择一个产生合理电压的电流，我们可以通过使用上述公式并插入 R 的预期值（即小于几欧姆）来做到这一点。

　　一个重要的考虑因素是运算放大器的输入失调电压，它被建模为与运算放大器的反相或同相输入端子串联的电压源。这个电压乘以运算放大器的同相增益，它是一个误差源，因为它可以使输出电压低于或高于我们对理想电路的预期。所以我们想设计我们的电路，使这个偏移电压的影响很小。如果您的运算放大器具有零偏移功能，您可以使用它来降低偏移电压的幅度，但我们使用的是 LM358，它不包括零偏移引脚。相反，我们可以通过确保感兴趣的信号远大于偏移电压（LM358 为 ±2mV）来轻松降低偏移电压的影响。

　　我们的目标是测量低至 0.1Ω 的电阻。这意味着我们必须选择一个恒流源，当电流通过 0.1Ω 的电阻时，它会产生明显大于 2mV 的电压。这是一种权衡，因为较高的电流有缺点，而较低的电流会降低被测电阻上的电压降。大电流的问题如下：

　　更高的功耗，而更低的功耗有助于便携性。

　　较低的电流导致恒流源电路产生的热量较少。

　　较低的电流会降低功耗，从而降低被测电阻的温度升高；使用较低的电流，我们可以测量更容易受到热损坏的电路元件（例如细线）的电阻。

　　为该电路选择的电流为 100 mA。这个电流量并不太高，但它会在 0.1Ω 电阻上产生 10mV，考虑到我们的 ±2mV 偏移电压，10mV 就足够了。

　　恒流源包括

　　U1A – LM358

　　Q1 – 2N3055（TO-3 封装）

　　RV1 – 用于调整施加到运算放大器同相端的参考电压的电位器

　　R1 & R2 – 分压器（来自 RV1 的 1V 对应于 100mA 的恒定电流）

　　R3 – 检测电阻器（1Ω，1W，金属膜，1% 容差）

　　P2——连接被测电阻的两个端子

　　通过 1Ω 检测电阻的 100mA 恒定电流，功耗为 0.1W（因此选择 1W）。Q1只要接一个电阻到P2就会导通100mA，我选择了TO-3封装来保证晶体管不会过热。用于 Q1 的特定部分并不重要，只要晶体管可以处理 100mA 的集电极电流并且是 NPN。

　　恒流源之后的下一级是增益为 1 和失调电压调整的差分放大器。我们在这里使用“差分”放大器，因为我们想检测被测电阻两端的电压降，即电阻一侧的电压与电阻另一侧的电压之间的差值。

　　差分放大器包括

　　U1B – 运算放大器

　　R4、R5、R6 和 R7——这些电阻器将 U1B 配置为差分放大器

　　R8、R9 和 RV2 – 偏移调整

　　由 R8、R9 和 RV2 组成的电路允许我们在差分放大器的输出端添加一个可调偏移电压。此功能可用于补偿运算放大器的输入失调电压或其他误差源。有关如何实现此补偿电路的详细信息，请参阅校准部分（下文）。

　　最后一级是增益为 10 的放大器。这个附加增益将整体测量比设置为方便的 1:1 值，即 1Ω 的电阻在输出端产生 1V。

　　U2A、RV3 和 R10 – 增益为 10 的同相放大器（RV3 设置为 90K）

　　U2B – 输出缓冲器

　　BOM（材料清单）

　　

　　建造

　　电路的构建方式取决于您，但这里有一些想法：

　　项目盒 - 使用内部 9V 电池和外部连接器将电路保持在一个小盒子中。

　　万用表附件——使用几个香蕉插头，您可以创建一个直接安装在万用表上的电路。

　　一个仪表 - 一路走来，您可以购买一个小型电压表并将整个项目放在自己的包装中，以制作您自己的测量设备！

　　

　　低电阻表作为面包板电路。

　　上图显示了三个电位器：

　　左边的那个控制恒流源

　　中间的那个控制差分放大器偏移

　　右边的那个控制输出级的增益

　　离开面包板的红色、绿色和黑色电线分别用于 +5V、0V 和 -5V。朝向图像顶部的棕色和红色导线用于测试电阻，右侧的绿色导线用于将低电阻表的输出连接到万用表的输入。

　　注意：您需要确保万用表的公共输入端连接到低电阻表的接地端。

　　力量

　　该电路需要一个分离电源来实现全部功能。但是，请注意，负轨仅用于将可调偏移电压添加到差分放大器输出的电路中。如果没有这个补偿电路就可以获得足够的性能，则不需要负轨。如果您不使用 LM358，请记住运算放大器的输入共模电压范围必须几乎一直延伸到 0V，因为我们正在处理接近 100 mV 的输入电压。

　　电源要求相当灵活（但不要超过运算放大器的最大电源电压）。您需要确保电源能够提供足够的电流（至少 200mA，考虑到电流源单独需要 100mA）。此外，请注意 Q1 的功耗与正电源电压成正比，因此保持输入电压尽可能低会降低 Q1 的功耗。

　　我推荐±5V电源；对于负轨，您可以使用负电压发生器。

　　校准

　　校准电路的第一部分是恒流源。最简单的方法是用万用表（接P2）测量恒流。

　　调整 RV1 的值，直到测得的电流为 100mA。从调整到其最小电阻的 RV1 开始。这最大限度地减少了初始恒定电流设置，从而防止潜在的有害电流量通过 Q1 和 R3；此外，由此产生的功率耗散会导致组件温度升高，并且热晶体管会导致严重的触点烧伤。

　　设置恒定电流后，我们需要补偿差分放大器输出中的误差。您可以通过测量已知电阻然后调整 RV2 直到差分放大器的输出对应于已知电阻（例如，1Ω 的电阻应该产生 100mV 的差分输出）来做到这一点，或者您可以测量两端的电压使用精密电压表调整小电阻，然后调整 RV2，使差分放大器的输出等于测得的电压。

　　最后的校准步骤是调整 RV3，使 U2A 放大器的增益等于 10。测量 U2A 的同相输入电压并调整 RV3，直到输出为输入值的 10 倍。

　　概括

　　电路完成后，您现在可以测试电路以查看其是否正常工作。如果一切顺利，您现在应该拥有一个与精确万用表配合使用的低电阻表。

　　那么这个可以用在什么地方呢？就个人而言，我构建了这个电路，以便我可以测量电源线的电阻（当然，当没电时！）用于一些电工练习。无需购买非常昂贵的电气套件（至少花费 500 美元），该电路使我可以以几美元的价格进行练习。

　　该电路可与一对小型弹簧针一起使用，以探测小型 PCB 走线。它还可用于测量接触电阻​​（有时会导致依赖机械接触的电路出现问题）。