DIY一个毫欧计，分辨力达到1微欧，套件预订中……

leejianzhao

说明1：原来是发在阿莫那里的，本来准备发套件，惨被删贴，特移到贵地
说明2：之所以发在万用表版，是因为第二版的PCB兼容了个电压表（通过选焊）
说明3：内容可能有些前言不搭后语，因为这是由帖子包括回复整理在一起的，敬请包涵

第二版的最终样子


特性汇总：

- 20Ohm和0.2Ohm两个档位，20Ohm档分辨力0.01mOhm，0.2Ohm档分辨力0.001mOhm，测试电流都约100mA
-（通过焊接不同的基准电阻，可以变成200Ohm和2Ohm两个档位，分辨力分别是0.1Ohm和0.01Ohm，测试电流约10mA）
- 支持面板校正。精度保守一点吧，0.1% Reading+40 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



一、电阻的测量通常有电桥法，恒流法和比例法

1、电桥法




当电桥平衡的时候（即A、B两点的电位差为0），Rx=R2*R3/R1

2、恒流法
R=U/I，如果I恒定，测量电阻上的压降U，就可以算出R。这个方法是大部分台式万用表使用的方法，例如下图是Agilent E1412A里面的恒流源电路，测量电压就行了




3、比例法

这是手持万用表最常见的方法。R0作为基准电阻，用R0上的压降作为ADC的Vref，测量Rx上的压降Vin，即可算出Rx






二、为什么我用比例法？

每种方法都很经典，都可以达到很高的精度。例如高联的  DCC 电桥，分辨率能有 9 位半以上；再如Agilent 34420A纳伏 / 微欧表用的是恒流法，1欧姆档的分辨力是0.1微欧
但是不是每一个方法都适合DIY！DIY最重要的原则就是简单！

电桥法需要3个精确的电阻，而且还有一个是可变的，这个DIY几乎无法实现。
当然电桥也可以变形为有源电桥（下图仅仅是示意，这个有源电桥可不能测量微小的电阻），通过测量Uo算出Rx。不过还是需要3个精确电阻（至少比例精确）




恒流法的复杂性不用我罗嗦，看看Agilent E1412A的图就知道了（知道为什么我挑Agilent E1412A的图，因为这个表的“最简单”）。
恒流法需要的精密元件更多：电压基准，一堆的精密电阻，比较好的模拟开关、FET、运放……
而且要测量微小的电阻，测试电流不可能小，要分辨到1uOhm，至少要100mA的测试电流。除非你有Agilent 34420A那么低的噪声，才有可能用10mA分辨到0.1uOhm

因此，这些方法都排除之后，剩下了最简单的比例法。比例法只有一个精确元件——基准电阻，其他的就靠ADC了。那好办，24bit的ADC也不贵，选个带24bit的MCU，最便宜的是C8051F350，还内置PGA，放大倍数最大到128～～


三、怎么得到1微欧分辨率的？

     很多人对24bit ADC的精度是有误解的，24bit只是说它能输出24bit，有多少bit是有效的？



这个表格是C8051F350的Effective Number of Bits(ENOB)数据，可见在输出10次/秒，PGA=128时，enob只有17.44bit，但是这个还不是故事的全部，这只是说这些bit有效，但是数字在跳的，你不会想看到测试的结果老是在跳吧，如果要求99.99%的概率数字不跳，还要减去log2(6.6)=2.72bit （具体原理请看附件吧），那就不跳了，这个叫做Noise-Free Bits。那么noise-free的就只有17.44-2.72=14.72bit，是不是很恐怖，一个24bit的ADC怎么实际还没有15bit啊？！～
an217 C8051F350 Dela-Sigma ADC用户指南.pdf (325 KB, 下载次数: 844)

2013-3-27 23:16 上传

点击文件名下载附件

AN-615_cn 峰峰值分辨率与有效分辨率 .pdf (245 KB, 下载次数: 755)

2013-3-27 23:16 上传

点击文件名下载附件


表面上看，如果基于33欧的基准电阻，要得到1微欧分辨率，ADC的分辨率要到log2(33/1e-6)=24.98bit，这怎么搞啊？呵呵，PGA来帮忙了，放大了128倍，也就是说多了7bit，14.72+7=21.72<24.98，还是不够。再想想，这个是10次/秒的情况啊，我们不需要这么快，1秒有一个读数就行了（那位要20次/秒的不要喷我）。另外一个原理——过采样来帮忙了（详细的看附件吧，我专门找了个中文的）




an018 用过采样和求均值提高ADC分辨率.pdf (2.4 MB, 下载次数: 10496)

2013-3-27 23:20 上传

点击文件名下载附件



24.98-21.72=3.26，那过采样4^3.26=92倍不就行了？不过，92/10=9.2秒一个读数，会被人骂死的。我们真的要最后一位完全不跳吗？34401的电阻档也跳啊，因此我用12倍，增加了log(12)/log(4)=1.79bit
因此还有3.26-1.79=1.47bit会跳，折合到10进制就是2^1.47=2.94个数在跳，我的实际测试在温度稳定后（唉，金属膜的TCR有点大），测试夹短接时果然只有3-4个数在跳～～[s:34]

有些ADC直接给出的是噪声参数（我更喜欢这个），其实和ENOB这两种方法是等效的。F350也给出了这个表格



可见在输出10次/秒，PGA=128时，noise有0.11uV，我们要测到1uOhm，0.1uV/1uOhm=100mA，知道为什么我的测试电流是100mA了吧，同样还是有Noise-Free的6.6问题，计算同上

四、精度问题

上面一节说的是分辨力，千万不要和精度搞混了，分辨力高是精度高的前提之一，在设计仪表时，分辨力做上去了，同样会把精度提高，分辨力和精度一般是匹配的，分辨力越高的表精度一般也是越高的。
影响精度主要有下面几个因素
1）基准电阻
比例法唯一的一个精密元件就是基准电阻，这个东东90%的精度是由它决定的（ADC/PGA的offset等误差理论上是可以校正的，PGA增益温漂大概是0.5ppm/度），而这个电阻还是有功率的（100mA^2*30欧姆=0.3W），基准电阻的自发热比较明显，我用2W的电阻都会觉得有一点温度。我开始用的是一个2W的金属膜电阻，冷态开机到热稳定，测量值会下降几十微欧（想想为什么是下降？）。因此电阻的温度系数是（短稳）精度的最大敌人。

找了一大圈，发现VHP-4/VPR221Z/VPR221不错，不过价格更加“不错”，最后碰到了它——AE的4线电阻，因此我的第一版用的就是AE这个26欧或者28欧作为基准电阻



2）AD的输入阻抗

C8051F350没有说它的Ain的具体结构，我只能猜测，如有不对，敬请指教

F350的输入有两种情况，一种是有buffer的，一种是无buffer




有buffer时，用输入电流Input Bias Current 表示，而且单位是nA，基本上可以判定是类似双极型运放的输入，而且由于输入电流是+/-的，可能使用了某种内部偏置电流消除电路，大家熟悉的OP07和OP27系列就是如此。DS里没有提到“输入失调电流Input Offset Current ”，是相当不合格的。如果使用了内部偏置电流消除电路，失调电流的幅度与偏置电流相同（请参考OP07的DS）。如果没有偏置电流补偿，则失调电流一般比偏置电流至少低一个量级。

没有buffer时，用输入阻抗表示，因此猜测使用的是开关电容的方式（这是其他类似ADC的输入结构）。DS也仅仅给出PGA=1的时候，输入阻抗为7M，因为Fsample=2. 4576MHz/128，就可以算出C=7.44pF。由于这个输入阻抗仅仅有采样频率和采样电容有关，和输入电压无关，基本上是不变（温度还是有影响的）。从下面这个ADC的情况可以发现不同PGA放大倍数下的输入阻抗和PGA成反比，不知道F350是否有这样的关系，如果有，在PGA=128时的输入阻抗可能等于7M/128=55K
20欧档的时候，输入阻抗是7M，比30欧的基准电阻大了233K倍，几个ppm的影响，完全可以忽略了
0.2欧姆档的时候，由于输入阻抗可能等于7M/128=55K，因此，我担心这个输入阻抗会影响精度，加了一个小电阻在Rx下面，垫高Ain-的电压，满足buffer的输入要求（PGA=128时要求大于0.25V）
实测这个输入阻抗对200毫欧档几乎没有影响，用了内置的buffer好像噪声还大一些，因此在主要的软件版本中没有用buffer，R12是一个磁珠。加上我以后考虑省去磁保持继电器，不做K级量程，这个输入阻抗我就忽略了。
F350这个buffer还有一个问题，就是offset随着共模电压变化比较严重，大概有十几个字，最后使用了类似chop的技巧把它去掉。因此我的使用buffer的软件版本天生有个特性——自动稳零！




3）AD的线性
F350标称的INL是最大15ppm，第二版兼容了个电压表的主要目的就是想测F350的线性（另一个原因是板子还有空间）
简单测试下来，F350的线性比较差，基本上就是指标的最大值，几十个字的误差

综上所述，精度保守一点吧，0.1% Reading + 40 LSB

五、第一版的测试














数据汇总表格




在测试一下读数的稳定性
在200毫欧档位、Fast模式（10次/秒），通过超级终端捕获从上电到自动关机的2969个数据




除了刚开始从141.047一直下降到141.044外，绝大部分时间都是在141.043到141.045之间，最后跳了一个141.046（第2960个）

再展示一下强大的分辨力
这是一个大型电源系统用的铜排，通流能力是几百A的，宽23mm，厚3mm，最外面两个孔之间大概175mm

最外面测试为45微欧，铜在20度下电阻率为 0.0175 Ω · mm2/m，因此这一条大概是0.0175*175mm/23/3=44.4微欧

测试右边里面一个孔，40微欧




再左边里面一个孔，35微欧
虽然还是没有实现1微欧的示值变化，但是我尽力了



六、第二版

第二版主要改动：
1、兼容了4线和2线基准电阻，4线的可以用AE的和VPR221Z/VPR221，两线的可以用800mil长的或者S102塑料块
2、增加了USB串口，原来的USB只能充电
3、直接插4mm香蕉头

背面图




同时，通过选焊兼容了一个电压表，如前所述，F350的线性不行，出六位半太勉强了，目标五位半吧。就是玩一下

背面选焊成这样就是电压表了


测试锂电池电压


上原理图



这页是电压表的模拟前端部分，选焊的。
电压基准用的是REF5025或者MAX6192，注意不能用ADR421，原因是ADR421的最低输入电压是4.5V
跟随的U7用的是AD8628，产生虚地的U9或者U11的要求不高，用LMV321/MCP6002/MAX4165之流的就行了，


由于C8051F350不是很常见，为了大家方便/低成本的玩，顺便山寨了一个EC-x编程器




做了大幅精简，右边是已经精简过的了，后来发现还能精简成左边这样，我会再改一版，力求最小，只支持C2接口（新出的都不会使用又大又笨的JTAG）
我自己调试都是用这个，测试过F320/F340/F350都没有问题，仿真/编程/升级固件也都没有问题。
PS. F320/F340都是支持USB接口

七、关于套件

1）毫欧计：150元
                   全套散件，包括最前面照片里的东东（不含电池），包括PCB/LCD/测试线，电池盒可以选18650或者5号的
                   由于AE的4线电阻只有二十几个，也可以选3个1K S102塑料块并联做基准电阻，不过量程和分辨力有变化
2）编程器：30元
                   这个是成品（散件的话找谁给它编程？）。淘宝价格大概是50-100元，为了不影响人家的财路，这个仅支持C2接口
3）电压表（在毫欧计的基础上）：10元
                   在毫欧计的基础上增加的元器件费用，通过选焊可以变成电压表，花一份的钱玩两样东东。注意，由于我的电压基准用的是TI的Sample，这个价格里面不含电压基准芯片
4）电压表：150
                   全套散件，不含电池和测试线，不含电压基准芯片

提供毫欧表/电压表的PDF版的原理图/PCB图，BOM清单，HEX，以及源码
本设计版权归我本人所有，未经我授权不得用于商业用途

补充内容 (2013-5-10 22:07):
套件基本上是定型了，基准电阻定为黑电阻，见185楼。
价格定为170元，含电压表配件
不过，我的时间精力有限（分拣元器件很累的），每次上架5套左右。先PM完帖子里预订的朋友，再公开淘宝链接吧。

补充内容 (2013-5-14 00:07):
已经有十来个朋友DIY成功，除了由于我个人偏爱贴片元件，要求焊工好一点之外，总的来说是非常简单的，完全免调试，校正通过面板上的4个按键完成。
大家来玩吧，有需要套件的朋友PM我

xjmar

好东西呀，不知道价格如何？

轩尼诗

真正的技术贴，一定要顶的～[s:31]

zoo

欢迎欢迎！

zy_sh_npk

不错的玩意，能测AC毫欧的话，就可以测试电池内阻了，那就更好玩了。

cdpzq

原来被删了，继续预订一个

lllaaa

嘿嘿。不错

iking921

这个好玩，订一套

iking921

有配套的外壳是最好的了[s:31]

majin

定一个.