168 lines
16 KiB
Markdown
168 lines
16 KiB
Markdown
---
|
||
title: 万 用 表DIY一个五位半电压表——毫欧表的兄弟篇，毫欧表/五位半电压表二合一套件正式发布 - Powered by Discuz!
|
||
updated: 2022-01-13 05:20:54Z
|
||
created: 2022-01-09 03:41:17Z
|
||
source: http://bbs.38hot.net/thread-45486-1-1.html
|
||
tags:
|
||
- adc
|
||
- dac
|
||
- 基准
|
||
---
|
||
|
||
#基准
|
||
#adc
|
||
#dac
|
||
|
||
先来个大头照：
|
||
|
||
|
||
|
||
# **特性汇总：**
|
||
|
||
- 100mV/1000mV/10V/100V四个档位，大概有50%超量程余量
|
||
- 五位半显示，最大150000 count
|
||
- 支持任意值校正，通过面板按钮即可校正。精度保守一点吧，0.01% Reading+4 LSB，后面有测试图
|
||
- Fast/Slow两档速度，Fast：10次/秒，Slow：1次/秒\- 数据从USB UART输出，波特率115200（目前只输出，不能从上位机控制）\- 默认5分钟自动关机，可以关闭该功能\- 使用一节锂电池供电，支持从USB充电\- 支持背光，可以关闭
|
||
|
||
- 工作电流：17mA（背光关闭）；44mA（背光打开）。一节14500（5号）锂电池可以连续工作1.5～2天（背光关闭）
|
||
|
||
# **一、序**
|
||
|
||
现在三位半甚至四位半的电压表（多用表）已经非常廉价，而且随着器件的进步，自己DIY一个五位半甚至六位半的电压表其实也不是什么难事，已经有人做了六位半多用表，本来这个帖子是没有太大必要的。原本设计的是一个毫欧表，为了测试C8051F350的24bit ADC，顺便兼容了一个电压表功能。仅仅在贴子最后附带提了几句，发现大家都对它也感兴趣，因此新开一个帖子讨论一下吧。
|
||
|
||
一个直流电压表最关键的有3个部分：模拟前端、ADC和基准电压，下面分开讨论。
|
||
|
||
# **二、模拟前端**
|
||
|
||
模拟前端肩负了几个重要任务：输入信号的衰减或者放大/低通滤波/阻抗变换/防护。
|
||
|
||
大家都知道一般来说ADC只有一个量程，台式的一般是10/20V，手持的三位半或者四位半是200mV，这个称为基本量程，也是精度最高的量程，其他的量程都要把输入信号放大或者衰减到这个量程再来测量。这个表的基本量程是1V，而且由于MCU内置了PGA，因此模拟前端仅需要考虑衰减。
|
||
|
||
|
||
|
||
10V和100V量程通过Socket\_V端子接入，100mV/1V量程通过Socket\_mV端子接入，这个和常见的不一样，为什么这样？这两个输入信号是有高压的，不能通过模拟开关切换，一般台表使用继电器切换这两个端子，手持表通过刀盘切换，而这个是做毫欧表顺便做的，不想为电压表增加太多东西（现在就加了两个运放、一个模拟开关和几个跳线），加继电器我是不愿意的，做刀盘又没有本事，而且端子有4个，不用白不用J
|
||
|
||
10V和100V量程通过Socket_V端子接入，通过4052模拟开关选择衰减量，9M（实际上是9个1M串联）：1M是10：1分压，用于10V；9M：90.9K（实际上是1M//100K）是100：1分压，用于100V。
|
||
|
||
|
||
|
||
模拟开关接成这样主要是想尽量减小模拟开关对分压的影响。模拟开关的Ron其实无关紧要，如果Ron的恒定的，可以通过软件增益校正回来，麻烦的是Ron的变化。从下图可以看出，在不同的输入电压下，Ron是不一样的，变化大概是20欧姆，如果通过S2把分压结果取出来，那么S1的Ron就可以折合到9M中去，S1的Ron变化20欧姆，相对于9M来说，大概变化了20/9M=2.2ppm；如果不用S2，而是直接从A点把分压结果取出来，那S1的Ron变换就得折合到下面的电阻，20/90.9K=220ppm！
|
||
|
||
|
||
|
||
2.2ppm对于一个五位半的电压表来说，已经小于1LSB的一半了，因此基本上可以忽略。这个便宜的74HC4052还有一个问题leakage current比较大，DS上写在25度下，最大0.1uA，幸好实际测试这个漏电流要少3-4个数量级，对分压和mV档的输入阻抗基本没有影响。
|
||
|
||
当然，选择74HC4052纯粹是出于成本考虑，如果要提高性能，可以选用MAX4782，和74HC4052管脚兼容，可以直接替换。下图是MAX4782的Ron曲线，可以发现在各种共模电压/各种温度下，Ron的变化不会大于0.3欧，相对于9M电阻，0.3/9M=0.03ppm，这个误差就算是六位半都可以忽略了。而且MAX4782的漏电流的典型值是2pA，相当不错。
|
||
|
||
|
||
|
||
这个衰减方案有一个缺点——100V档的输入阻抗不是标准的10M，因为要保证10V档输入阻抗为10M，那100V档输入阻抗只能为9.09M。其实不是使用类似衰减方案的手持表也是如此，例如Fluke 15/17，分压电阻就是10M：1.111M：101.01K
|
||
|
||
台式万用表一般是直接100：1分压，这样完全避免Ron的变化对分压的影响，而且100V/1000V档的输入阻抗都是10M。为什么我不这样做呢？因为我的基本档是1V，如果直接100：1分压，10V档的输入就只能先衰减到1/100再放大10倍，引入更多的噪声，由于10V档是比较重要的档位，噪声导致读数跳动是难以接受的（C8051F350的内置PGA不是很好）。而台式表的基本量程是10/20V，100V档没有这么重要，加上人家的分压电阻/PGA比较好，这样先衰减再放大关系也不大。
|
||
|
||
100mV/1V量程通过Socket_mV端子接入，串接了3个10K电阻，目的是防止mV档误接高压损坏。芯片的管脚上一般会有两个二极管连到电源和地，如果输入电压超过VCC或者VEE，就会导通，钳位到VCC+0.7V或者VEE-0.7V，从而保护芯片。但是这个二极管的通流是有限的，一般是几个mA到几十个mA，例如AD8628是5mA，74HC4052是20mA，如果不加限流电阻，电压略微超过限制，这个二极管就会烧毁，因此前面加了3个10K电阻做限流。为什么要3个10K而不用1个30K呢？主要是因为一个0805电阻的耐压只有150～300V，而且0805的功率只有0.1W，10K电阻的话最大电流只有3.16mA，3.16mA*30K=94.8V，短时间200～300V问题也不大。一般台表这个电阻用的都是1W以上的（例如34401用8个13K 1W的电阻串联），因为它要求耐压1000V。
|
||
|
||
|
||
|
||
那是不是限流电阻越大越好呢？从保护的角度，是的。但是，有两个问题：
|
||
|
||
1、这个电阻会带来噪声——约翰逊噪声。如果这个电阻在百K级以下，而你不是做纳伏计，约翰逊噪声不是很大问题，这里不考虑了。
|
||
|
||
2、误差电压=电阻 x 运放的输入偏置电流，因此要看具体情况来选择。例如，使用AD8628，输入偏置电流为30pA，前端使用3个10K电阻做限流，引入误差30p\*3\*10K=0.9uV。如果偏置电流是固定的，那这个误差电压是可以作为offset校正的，但是偏置电流会随共模电压/温度等变化，从下图可以看出，在25度下，随共模电压变化，偏置电流变化几个pA，也就是说输入会变化0.x uV，总的来说，对于一个五位半的电压表关系不是太大：）
|
||
|
||
|
||
|
||
这里说个题外话，大部分的DIY作品都没有考虑防护的问题，我是非常不认可的。如果一个方案没有任何防护能力，我会推翻重来。
|
||
|
||
一般在串接的限流电阻后并一个小电容，组成的RC时间常数大约是最大测试速率的1/10，起模拟滤波作用。例如100/1000mV档，按照10次每秒的测试速率，RC常数大概是0.01s，因此C=0.01/30K=0.3u，实际选择了0.1u的电容；对于10V/100V档，0.01/10M=1n。有些台表还可加了一个FET控制这个电容或者滤波电路是否接入，这样就可编程是否加模拟滤波，例如Fluke 8840A通过Q304控制是否接入一个3 Pole Filter。
|
||
|
||
模拟开关之后，直接用一个运放AD8628做跟随，实现阻抗变换——对输入来说G级，对ADC来说欧姆级。AD8628通过自稳零和斩波相结合，使得offset的温漂典型值只有0.002uV/度，而且偏置电流只有30pA，开环增益140dB，0.1-10Hz的噪声峰峰值只有0.5uV，这个运放胜任六位半都没有问题，用在这里足够。考虑ADC的开关电容输入级，运放的输出要接比较大的电容，为了防止运放自激，加了相位补偿（R49\*C23=R50\*C7）。
|
||
|
||
|
||
|
||
有些朋友问我这个板子只有一个4.2V的锂电池，还降压到3.3V，没有升压没有负压，怎么能测试负的电压？其实，COM端子不是表的地，而是3.3V的中点电压SGND，这个电压就是有下面的运放产生，也是用了类似的补偿方法。由于是电池供电，这个表的电压都是浮动的，不管输入电压COM端的共模电平是多少，对于表来说都是Vcc/2，输入电压在前面都会衰减到1.6+/-1V这个区间。产生虚地的这个运放要求不是很高，用LMV321/MCP6002/MAX4165之流的就行了。
|
||
|
||
不过这里要注意一点，我的USB接口是没有隔离的，也就是说如果连上电脑采集数据时，电脑的地和表的地是连在一起的，那么输入电压的共模电压会加在电脑上，如果电脑也是接地的话，那就出大问题！！如果笔记本电脑也用电池供电或者电源适配器是隔离的话，那电脑的地上也会出现这个共模电平，例如USB接口的外壳，摸到就会触电的！
|
||
|
||
|
||
|
||
# **三、ADC**
|
||
|
||
使用C8051F350内置的24bit ADC，这个在毫欧表里面已经说的比较多了。这个表再重温一下，在PGA=1，10Hz的条件下，RMS noise是2.38uV，峰峰值 noise为2.38*6.6=15.7uV，也就是1V档的1.5个LSB（五位半），大概看到两个数在跳（极端情况可能3个），在Slow模式下，把10个读数平均，提升log(10)/log(4)=1.66bit，2^1.66=3.16LSB，因此在Slow模式基本上不会跳数了（当然，由于舍入问题导致的最后一位跳是不能避免的）。
|
||
|
||
|
||
|
||
# **四、基准电压**
|
||
|
||
这里可以使用C8051F350的内置基准（最大15ppm温度系数），或者外部基准可以用REF5025（工业级：2.5ppm（典型）/3ppm（最大）温度系数；商业级：3/8ppm）或者MAX6192（A级：2/5ppm；B级：4/10ppm；C级8/25ppm）。
|
||
|
||
使用内置和外置基准的frimware是不一样的，不能搞错。
|
||
|
||
# **五、电池供电的一些特殊考虑**
|
||
|
||
由于锂电池的能用电压范围大概是3.x～4.2V，而我不想使用升压电路，因此有些特殊考虑。
|
||
|
||
1、 模拟开关可以用74HC4052或者MAX4782，不能用74HCT4052，带T的要5V供电
|
||
|
||
2、 运放都采用RRIO的
|
||
|
||
3、 外置电压基准用的是REF5025或者MAX6192，不能用ADR421，因为ADR421的最低输入电压是4.5V。这个也是我没有用更高档的电压基准芯片的原因，目前最好的2.5V基准可能是MAX6325C_A（0.5典型，1ppm最大），不过最低供电要求是8VL这些基准芯片的封装都是兼容的。
|
||
|
||
4、 USB接口由于要给电池充电，因此没有隔离，要注意采集数据时的共地问题
|
||
|
||
# **六、其他辅助功能**
|
||
|
||
1. 数据输出，支持从USB口输出数据。目前仅支持数据简单的从USB输出，不能通过电脑控制。可以使用各种串口终端，例如超级终端、串口助手等，具体COM几看设备管理器，波特率115200。
|
||
|
||
通过Mini-USB连到电脑，应该会发现新硬件，Windows会自己联网找驱动（保证网络畅通，大概1-2分钟就能找到，Win7 64bit都没有问题），或者自己去google搜索CH340的驱动。安装驱动之后，设备管理器会多了一个COM口（COM几就难说了）
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
2. 锂电池充电
|
||
|
||
内置了一个锂电池充电器，默认充电电流为500mA。在Mini-USB接口旁边有两个LED指示充电状态。
|
||
|
||
可以通过更改R25调节充电电流。
|
||
|
||
|
||
|
||
# **七、测试**
|
||
|
||
使用一个10V基准，通过KVD分压，和Fluke 8842A对比测试，测试结果请看图，一般偏差在2-3LSB，最大偏差6LSB
|
||
|
||
10V档
|
||
|
||
 
|
||
|
||
读数稳定性（噪声），Slow模式，5分钟
|
||
|
||
|
||
|
||
100mV档。这个档位8842A数据跳动比较厉害，将就吧
|
||
|
||
 
|
||
|
||
|
||
|
||
1V档
|
||
|
||
 
|
||
|
||
100V档我就没有办法测了
|
||
|
||
# 原理图
|
||
|
||
[OhmMeter_F350_V21.pdf](../../_resources/OhmMeter_F350_V21.pdf#page=3)
|
||
|
||
# 3F
|
||
过来捧个场，乍一看还以为楼主用了啥模拟开关居然不用继电器切换高低压量程，原来是用了两个插孔 
|
||
我用 ADS1232 做的“万用表”（量程有限），还是用了经典的继电器切换 
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
|
||
|