本帖最后由 leejianzhao 于 2013-5-18 17:35 编辑
毫欧表/五位半电压表二合一套件：http://item.taobao.com/item.htm?id=17790993945 编程器：http://item.taobao.com/item.htm?id=19655699042 盒子：http://item.taobao.com/item.htm?id=20501315155，没有开孔 Sony 原装14500（5号），方便装到盒子：http://item.taobao.com/item.htm?id=18218145072 三洋 浅蓝头 18650：http://item.taobao.com/item.htm?id=18218449138
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！
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发表于 2013-5-18 17:23:53
提升卡
置顶卡
变色卡
楼主
发表于 2013-5-19 11:19:48
尽管这个过程可能时间非常短，甚至不存在，就是看着不舒服 
