牛人DIY高精度六位半數(shù)字萬用表（圖文）

lili445 2015-09-22

展開全文

　　概述：

　　數(shù)字多用表是常用的測量儀器，目前市場常見的是3.5（三位半）和4.5 手持表，用于一般測量，另外高端的則是6.5位以上的臺式表，價格較高，用于高精度測量。

　　隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，高性能低成本的器件層出不窮，使得制作一部低檔的6.5位數(shù)字多用表成為了可能，這里介紹這款六位版，就是在性能上、功能上和成本上綜合考慮的一種設(shè)計實現(xiàn)方案。

　　設(shè)計思想：

　　選用成品的通用元件：高端DMM采用以恒溫深埋齊納基準(zhǔn)——前端為Dual JFET的混合低噪聲運算放大器——多斜率積分高速高分辨率ADC 為主軸的測量系統(tǒng)，其中每個部分的制作難度都非常高，而且需要昂貴的儀器進(jìn)行調(diào)試、校準(zhǔn)，這樣的要求在業(yè)余條件下是難以滿足的，所以這里采用了相對低成本可靠通用IC 精密帶隙基準(zhǔn)——單片低噪聲斬波穩(wěn)零放大器——24Bits低噪聲ΣΔ ADC來替代，這樣的既可以減少元件采購難度，降低整體成本，最重要的是能得到可靠的性能保證，就是說可以根據(jù)DataSheet上標(biāo)明的最差指標(biāo)可以計算出系統(tǒng)的整體性能。

　　放棄高電壓，大電流量程：首先對這些量程進(jìn)行高精度測量本身難度就非常高，而且對系統(tǒng)的輸入選擇、保護(hù)系統(tǒng)提出了很高的要求，元件質(zhì)量要求高，PCB面積占用大，最重要的是要為用戶人身安全負(fù)責(zé)，為了避免出現(xiàn)安全問題所以沒有設(shè)置危險的測量量程。

　　放棄長期穩(wěn)定性：要靠數(shù)字多用表本身來保證長期穩(wěn)定性意味著整個系統(tǒng)每個部分都要有很高的長期穩(wěn)定性，基準(zhǔn)要用深埋齊納基準(zhǔn)，分壓電阻要用精密電阻網(wǎng)絡(luò)等等，成本會顯著提高，相對而言購買或制作標(biāo)定好的基準(zhǔn)（LYMEX有售）要便宜的多，而且在進(jìn)行對比測量時可以將整體的精度提高到接近外部基準(zhǔn)的水平。

　　放棄交流測量：由于沒有設(shè)計交流測量系統(tǒng)的條件，所以沒有做。

　　采用手持設(shè)備架構(gòu)：由于現(xiàn)代MCU的集成度非常高，開發(fā)工具越來越簡便，加之筆者最近在學(xué)習(xí)STM32(＄18.3200)，所以就做成手持設(shè)備了。

　　總的講設(shè)計要素的優(yōu)先關(guān)系如下低成本〉小巧〉低功耗〉高性能

　　聲明：

　　本文涉及的內(nèi)容涵蓋危及生命的電學(xué)測量，特別提醒實驗者確保人身安全！

　　作者完全出于業(yè)余愛好撰寫該文，由于能力有限疏漏乃至錯誤在所難免，因此作者不對該文章（包括附帶的其他資料）的正確性負(fù)責(zé)，同時也不對因援引該文或使用附帶資料導(dǎo)致的信譽損失、商業(yè)利益損失、財產(chǎn)損失、人身傷亡等（包含上述內(nèi)容，但不見限于上述內(nèi)容）負(fù)任何連帶責(zé)任。

　　作者完全出于學(xué)習(xí)目的撰寫該文，該項目被視為非商業(yè)性的，作為學(xué)習(xí)模擬技術(shù)/ STM32 的驗證平臺而被創(chuàng)建，因此沒有義務(wù)回答非技術(shù)問題。

　　出于互聯(lián)網(wǎng)之 free&open 精神，作者將對項目涉及的硬件，固件，上位機軟件，開發(fā)相關(guān)的心得，技術(shù)參考等會（等待完善后）開源，希望但不要求您在援引該文或使用上述開源資料時提及作者。

　　功能和指標(biāo)：

　　電源：

　　3.0V~6V供電可用單節(jié)磷酸鐵鋰（3.2V），單節(jié)鈷酸鋰（3.7V），單節(jié)錳酸鋰（3.6V），三節(jié)堿性電池（4.5V），三節(jié)鎳鎘或鎳氫電池（3.6V），功耗250mW（開啟數(shù)據(jù)保存），2.9V低電壓關(guān)機（為了保護(hù)鋰電避免過放電），軟件電源開關(guān)，待機電流《5uA.

　　測量：

　　1ppm 分辨率 1ppm 噪聲 5ppm 線性度 1ppm溫度系數(shù)。

　　電流測量 100mA，10mA，1mA 壓降《0.125V ， 500mA 熔斷器。

　　電壓測量100mV ， 1V 》10G高阻抗輸入， 10V ，100V 9M 低阻抗輸入（新版批量采購1.1M的電阻就是標(biāo)準(zhǔn)的10M，后文詳述）。

　　電阻測量 100R 1K 10K 100K 1M 采用恒流方式（對應(yīng)為1mA ，1mA， 100uA，10uA，1uA）開路電壓5V，支持4線模式。

　　溫度測量采用PT100(＄5.8752)傳感器，可處理到 -200攝氏度~850攝氏度，分辨率0.01度。

　　除溫度測量外都有25%的超量程測量（例如1V可測到1.25V）當(dāng)開啟自動量程轉(zhuǎn)換時連續(xù)三個測量讀數(shù)都超量程時向上換檔，連續(xù)三個測量讀數(shù)都欠量程（《 0.11）時向下?lián)Q檔。

　　系統(tǒng)和軟件：

　　支持SD卡數(shù)據(jù)存儲，導(dǎo)入校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從SD卡更新固件（新版功能）。

　　支持實時時鐘，可設(shè)置自動關(guān)機，以及定時喚醒數(shù)據(jù)采集模式。

　　支持自動量程，0位補償，數(shù)字濾波。

　　帶有簡單的幫助。

　　詳細(xì)的測量數(shù)據(jù)可見 lymex 的專題文章

　　http://bbs./read.php？tid=4594#

　　一些測試視頻

　　flash： http://player.youku.com/player.php/sid/XMjEyMDM1MDI0/v.swf

　　flash： http://player.youku.com/player.php/sid/XMjEyMDM1NTg0/v.swf

　　flash： http://player.youku.com/player.php/sid/XMjEyMDM2MTI0/v.swf

　　flash： http://player.youku.com/player.php/sid/XMjEyMDM0Mzg4/v.swf

　　設(shè)計原理：

　　（更詳細(xì)的設(shè)計基礎(chǔ)見 DIY DMM Reference.doc ，這里只是整體大略介紹下）

　　電源系統(tǒng)：

　　電池供電，首先經(jīng)過有Q71構(gòu)成的反接保護(hù)電路，之后分為兩路，一路經(jīng)HT7130穩(wěn)壓到3.0V供MCU，另一受Q72的控制作為外設(shè)的電源，它連接至兩個由LT1372(＄3.7000)構(gòu)成的Boost

　　升壓器，分別升至15V（供歐姆電流源和OLED偏壓）和5V（供模擬部分）

　　這里采用HT7130主要是考慮到其且具有極低的靜態(tài)功耗，特別適合為待機的MCU供電。

　　DCDC變換器采用LT1372是因為其低成本，且該器件具有NFB功能，可以方便的構(gòu)成Cuk 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組成負(fù)電壓輸出的開關(guān)調(diào)節(jié)器（新版要用到+-15V），雖然由于靜態(tài)功耗較大，在小電流輸出下效率較低，但總體上還是不錯的。

　　MCU 系統(tǒng)：

　　MCU 采用STM32F103R6T6(＄2.2680) （其實101系列就行，但是市面上沒有零售）靠內(nèi)部的RC振蕩器工作在20MHz的頻率上（更快沒實際意義，且更費電），后備電池使用0.22F的超級電容，（為了兼容性，又做了個100uF鉭電容的焊盤）RTC晶振使用MC-306(＄0.4185) 6pF 32.768K，注意要接入200K的R66否則容易振壞。

　　MCU使用5線SWD端口進(jìn)行Flash燒寫和調(diào)試。

　　PA0構(gòu)成軟件電源開關(guān)，可以從待機模式喚醒MCU。

　　OLED使用串行模式，4X3矩陣鍵盤，SD卡采用SPI模式。

　　其他端口用來控制模擬板。

　　輸入選擇：

　　先看電壓-電阻部分

　　繼電器K1選擇將HI輸入端子直接接入模擬開關(guān)或者進(jìn)行分壓。

　　繼電器K2選擇將歐姆電流源注入HI或者LOW。

　　上面的兩個繼電器都使用磁保持型的，避免長期通電發(fā)熱導(dǎo)致熱電勢誤差。

　　HS，LS，以及HI的輸入通過R01-R06以及R17-R1A D17-D16 組成的保護(hù)電路被限制在+-2.0V，然后加上從 9串：11并的1.1M分壓陣列99：1分壓后的電壓一起進(jìn)入8選一模擬開關(guān)。

　　電流部分先經(jīng)過500mA熔斷器-全橋的保護(hù)電路，經(jīng)過繼電器選擇接入100R 10R 或1R的分流電阻，其上的壓降取出后也被送入模擬開關(guān)，U01A構(gòu)成的跟隨器將提升二極管橋中點的電位至電流輸入端子電位，從而減小了他們的漏電流。

　　U01B為測量系統(tǒng)提供中點參考電位（也就是LOW端子的電位）。

　　這里需要提下的是分壓電阻采用了50ppm的晶圓電阻構(gòu)成陣列，下面PCB敷銅均溫，從實際效果看還是非常不錯的。

　　U01由于要求不高所以采用了低成本的MCP6002(＄0.2500)。

　　模擬開關(guān)原計劃用MAX328(＄0.6487)的，但由于貨源原因，用ADG508(＄3.0960)代替了。

　　程控放大：

　　這里采用了AD8629(＄1.8120)作為主放大器，該器件為低噪聲斬波穩(wěn)零放大器，U20A根據(jù)U27選擇的反饋信號配置成X1或X10放大器，U20B是一個驅(qū)動驅(qū)動容性負(fù)載的緩沖器，用以驅(qū)動ADC。

　　同樣的這里的分壓電阻采用了3串：3并構(gòu)成的9:1分壓器，由于要求不高模擬開關(guān)采用了采用了高速CMOS的74HC4053(＄0.0944)

　　Ref and ADC：

　　U44是2.5V精密帶隙基準(zhǔn)，采用ADR421B(＄5.4960)他能穩(wěn)定地驅(qū)動1uF的容性負(fù)載，最大3ppm/C的溫度系數(shù)，1.5uV pp 0.1~10Hz 噪聲

　　U43采用24Bit低噪聲ΣΔ ADC LTC2440(＄6.2000) 可提供接近21Bits的有效位。

　　U41為低噪聲LDO調(diào)節(jié)器LP2985(＄0.1875)，為模擬部分提供5V電源。

　　歐姆電流源：

　　U31為低偏置電流精密運放AD706(＄1.9285)，其中U31A和Q31起到參考電壓縮放-轉(zhuǎn)移的作用，將2.5V的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成比標(biāo)準(zhǔn)電阻（RJ31~RJ34）公共端低1V輸入到U31B的正，模擬開關(guān)用于選擇4個標(biāo)準(zhǔn)電阻（開爾文接法），Q32是PJFET受U31B控制保持標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓為1V，Q33~Q35 與 D31 組成保護(hù)電路（Q34，Q35實際為高反壓PNP管2N6520(＄0.0261)，Q33為低漏電流N-JFET PN1117A）。

　　DZ1與R30構(gòu)成降壓電路使得U31B的輸出能足夠的正使Q32截止。

　　外觀介紹：

　　最上方的是OLED顯示屏，藍(lán)綠色128X32點陣，亮度比較高，在室外強光下也可以看清楚，整體感覺比較像VFD，

　　下面是3行4列的鍵盤陣列，在測量模式下他們的意義如下

　?。ㄔ趲椭Ｊ较嘛@示的提示，按下對應(yīng)位置的按鍵就會有更詳細(xì)的英文說明）

　　VLT OHM AMP TMP

　　UP AR NUL NEW

　　LOW DF ZRO STR

　　VLT 電壓測量。

　　OHM 電阻測量，如果已經(jīng)是電阻測量模式了再次按下，就是在4線和2線制之間來回切換。

　　AMP 電流測量。

　　TMP 溫度測量。

　　UP 切換到更高的量程，同時關(guān)閉自動量程切換。

　　AR 切換是否開啟自動量程轉(zhuǎn)換。

　　NUL 捕捉當(dāng)前值作為偏置補償。

　　NEW 備份當(dāng)前的數(shù)據(jù)文件，創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)文件作為當(dāng)前文件。

　　LOW切換到更低的量程，同時關(guān)閉自動量程切換。

　　DF切換是否開啟數(shù)字濾波。

　　ZRO 將偏置補償置零。

　　STR 切換是否開啟數(shù)據(jù)文件保存。

　　再下面是

　　PWD PLED SDLED RST

　　PWD 電源按鈕，待機時按下開機，工作時按下呼出系統(tǒng)菜單（位置對應(yīng)3行4列的鍵盤陣列）

　　Help 1M 30M Time

　　Off 5M 1H Cal

　　Auto 10M 2H Ver

　　這些符號的意義如下：

　　Help顯示幫助菜單

　　Off 關(guān)機

　　Auto 切換是否10分鐘自動關(guān)機

　　Time 設(shè)置系統(tǒng)時間

　?。〞r間菜單的幫助）

　　（時鐘設(shè)置菜單）

　　Cal 呼出校準(zhǔn)菜單，關(guān)于校準(zhǔn)內(nèi)容后面會詳細(xì)介紹

　?。ㄐ?zhǔn)菜單）

　　Ver 顯示固件版本號

　　1M 5M 10M 30M 1H 2H 進(jìn)入 1分鐘到2小時間隔的喚醒采樣模式（該模式下按PWD鍵可以退出喚醒采樣模式）

　　PLED 指示電源良好（工作狀態(tài)）

　　SDLED 指示正在進(jìn)行SD卡的IO操作

　　RST 為復(fù)位鍵，復(fù)位除系統(tǒng)時鐘外的所有狀態(tài)

　　再下面是SD卡座

　　再下面是輸入端子，水平間距是標(biāo)準(zhǔn)的19.05mm（3/4吋）垂直間距時12.7mm（1/2吋）

　　上排兩個從左到右為 LS端子，HS端子

　　下排三個從左到右為 AMP端子，LOW端子 HI端子

　　數(shù)據(jù)文件存儲：

　　當(dāng)用戶安裝了SD卡后即可將采集的數(shù)據(jù)存儲其上，當(dāng)前的存儲文件名位為data.csv（可以用Excel直接打開，由于是純文本格式notepad也可以直接打開，編輯）。

　　在按下New鍵后data. csv就會被命名為data_000. csv data_001. csv等等，并且創(chuàng)建一個新的data. csv用來保存后續(xù)的數(shù)據(jù)，一般情況下，建議用戶完成一組測量后按下先按下Str停止存盤，選擇新的功能或量程，按下New切換文件，并再次按下Str開啟數(shù)據(jù)保存。

　　校準(zhǔn)：

　　DMM 的ADC采樣后轉(zhuǎn)化成滿量程為+-1.0的值，然后經(jīng)過 y=kx+c;的線性校準(zhǔn)作為輸出的讀數(shù)。在DMM內(nèi)存為每個量程維護(hù)了一組kc值構(gòu)成一個校準(zhǔn)表作為當(dāng)前校準(zhǔn)系數(shù)，同時可以將這個校準(zhǔn)表燒錄到Flash中，以便長期保存（開機默認(rèn)加載Flash的內(nèi)容進(jìn)校準(zhǔn)表）。

　　校準(zhǔn)菜單中對應(yīng)如下按鍵

　　Idty：將校準(zhǔn)表歸一化（c=0，k=1.25）。

　　Load：從SD卡讀取cal.txt的文件，填充校準(zhǔn)表。

　　Save：將校準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)回寫進(jìn)cal.txt文件。

　　Write：將校準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)燒寫進(jìn)Flash。

　　Read：加載Flash的內(nèi)容進(jìn)校準(zhǔn)表。

　　用戶的校準(zhǔn)過程是這樣的：

　　準(zhǔn)備對應(yīng)量程的標(biāo)準(zhǔn)源。

　　準(zhǔn)備短路線。

　　為將待校準(zhǔn)的表安裝SD卡。

　　將待校準(zhǔn)的表切換到恰當(dāng)量程，喚出校準(zhǔn)菜單，按下Idty，歸一化校準(zhǔn)表。

　　短路輸入端子，記錄讀數(shù)。（建議開啟DF以便獲得穩(wěn)定的度數(shù)）。