2×4测量开关 A Simple 2 by 4 Scanner

lymex

开关的话题已经有两个了，比如“测量开关和扫描器”：https://bbs.38hot.net/thread-1016-1-1.html
“Data Proof 160A 开关/扫描器的内部结构与改动”：https://bbs.38hot.net/thread-1082-1-1.html
还有“干脆先做个机械开关 ”： https://bbs.38hot.net/thread-1006-1-1.html

本来，这个话题是在第一个链接里，但篇幅比较大，而且这是个最简单也最常用的开关，正在制作中，为了参考方便，独立出来。


2×4测量开关的基本用途
可以让高位表交替测试两个电压或两个电阻，实现对比。
直接用高位表测试，精度有限，而对比一个基准，可以大大降低测试的不确定度。
同时，多次自动的对比，可以经过处理后（例如排除粗大误差然后取平均），进一步降低对比的不确定度。


这个开关的几大特点：
1、非常小巧。小巧意味着低成本、便于DIY，使用中也不占地方。
2、不用电源。这样就非常方便使用，而且耗电很少，不发热因此热电动势低，也免除电源带来的可能干扰。
3、性能优异。磁保持继电器具有先天的低热特性，再加上其它电路基本不耗电，也没有温升，因此热电动势就更小。

lymex

原理与基本电路

这里描述一个最简单的2×2开关，即两路切换，有如下功能：
1、有一个按钮，按一下就转换
2、同时有个外部触发，低电平脉冲1us就转换，可以由万用表自动控制
3、有个自动挡，延时反复切换，时间可调

别看这个开关简单，也是个开关，可以用于自动对比两个电压基准，或者作为其它双路测试。在增加少许元件的情况下（一个继电器等），就可以实现4路（4线）切换，可以用于对比两个4线电阻。外边可以有1、2个LED指示灯（低耗电的）。

本来，采用双刀继电器的场合下，制作N×2开关需要2N个继电器，比如Dataproof的16×2，就用了32个继电器。按此推算，2×2开关要用到4个继电器才对，但一方面2×2开关不需要A、B两路，而且可以采用切换，因此只使用一个继电器（或者两个同时驱动的继电器）就完全可以了，所以才更加简化。

其中第3个自动档是选项，可以装一个带开关的电位器，关闭时是手动+外部触发，打开时是个可调周期的自动切换的开关，这样不用人去干预，也不用万用表发出测试结束信号，自己就可以转换。尽管有可能在测试中转换而使得测试数据无效，但完全可以把转换周期选得长一些，允许重复测量多次后再转换，不良数据可以剔除。

团购的磁保持继电器是5V额定电压，内阻125欧（40mA）。从指标上得知，最差80%的电压就能动作，即保证4V动作。实际有人测试，2.5V（20mA）就可以动作，这是个优势，使得我们有可能采用74HC系列的数字电路，用5V电源来工作。74HC数字电路的特点，是全静态操作，耗电极微，输出可直接到地或电源而没有饱和电压，和磁保持继电器是绝配。

有人要问，这么小不怕干扰、误动作吗？不用担心，一点都没问题，哪里会有这么大的干扰信号呢？如果20mA就受干扰，那1mA的开关还怎么活呢？

由于继电器有2个绕组，分别实现吸和和释放动作，但实际上两个绕组完全一样，因此可以串联起来，这样尽管电流减少到一半，但匝数增大1倍，因此安匝保持不变，即额定电压、吸和电压仍然保持不变，但驱动电流减少到一半。
驱动部分采用简单的电容电路，两组线圈串联后为250欧。由于典型切换时间2ms，保证<5ms，因此电容 C = 5ms/0.25k = 20uF，选22uF。
  


74HC系列数字电路的输出带动20mA没有任何问题（电压下降1V）。为了能够驱动2组继电器，可以用双门并联驱动。
触发器用一个T门，有负脉冲就反转一下，开关闭合；再有脉冲就再反转一下，开关就释放。
输入部分有三个，一个是外部触发，接收万用表的VM 测试结束信号（1us负脉冲）；一个是手动的按钮；最后一个就是可选的、可关的、可调延时的脉冲发生器，用于自动定时切换。这三个输入用简单的二极管或逻辑即可。平时无信号时，一个500k的上拉电阻（耗电10uA）把输入端拉到高电位，当任何一个输入有负脉冲的时候，就触发有效。



用面包板做了实验，本来应该用HC73+HC00，暂时没找到，用74和02对付的。



功能正常，效果如预期。
HC00多余的3组，可以做个多谐，再来个消颤。

lymex

首次试验

2009-10-22  74HC73到货，同时手画了完整电路
  

与前面的原理图比，有几个扩展和具体说明：
1、用了74HC14而不是其它的门。HC14是六施密特触发器，门的数量多，而且施密特的很好用。
2、HC14的1、2脚门，是一个开关除颤电路，也是个很典型的电路。其输出直接给到后面（而不是增加微分电路）
3、下面的万用表VMC（VotiMeter Complete）输入，通过了一个10k缓冲电阻（防过流、防静电、防损坏）再接到门电路上。为了保持负沿脉冲，也能让在输入开路保持状态，加了一个100k的上拉电阻。阻值取的比较大，目的在于即便外界短路也不至于耗电过大。
4、HC14的13、12脚门，是一个经典的RC阻容多谐振荡器，特点是非常简单、电容接地。后面的470pF和500k是微分电路，只给出脉冲。
5、74HC73是双JK触发器，如图解法能实现每输入一个负跳变，就能改变输出状态（Toggle）。


做了面包板插件测试，功能正常。

lymex

改进电路

这个电路在设计过程中，得到各位群友网友的大力支持，提出不少改进意见，比如直接VMC取电、增加LED显示等功能等。经过试验，均为可行，因此有了这个改进版。



最显著的改进就是VMC取电，这样就既不用外接电源、也不用内部电池了，排除了因为供电而引起的干扰，也避免了因电池而引起的没电、充电的麻烦。

VMC，英文意思是“电压测试完成”，有时也叫MC（测试完成）。这是一个硬件插口，一般输出高电平，每当一次测试完成后，输出一个负脉冲。由于不少万用表的VMC输出是TTL电平，开路电压甚至不到4V，而且一有电流电压还要下降，因此初版没考虑取电的问题。然而，由于这个2×4开关采用了74HC电路，耗电可以忽略，磁保持继电器也是节电能手，使得低压、小电流供电成为可能。

经过试验和权衡，采用了3.5V的电源电压。一方面，即便最差的万用表在提供0.3mA的场合下电压也能达到3.75V的输出，经过肖特基二极管在小电流下压降<0.1V，低压差微功耗3端压降<0.05V，这样还能一定的电源电压余量。另一方面，磁保持继电器采用绕组并联，理论上驱动电压为2.0V，采用4个74HC门并联驱动，每个门只需提供16mA，这样压降为1V，因此还保留有一定的驱动余量。事实上，把电源电压降低到3.05V，仍然工作的很好。当然，低压取电的一个限制，就是工作的时候采样周期不能太快，因为每次开关，消耗电荷是一定的，速度越快电流越大，而太大的电流VMC承受不了，压降就太低了，造成无动作或干脆不工作了。在TTL输出的场合下（比如3458A），最快采样周期为0.8秒。当然在CMOS输出的场合（大部分万用表是）就不受这个限制。由于驱动绕组并联后为62.5欧，按照5ms的驱动周期，电容应选5ms/62.5=80uF，实际选择100uF。

另外一个改进，就是把74HC73的另外一个JK利用了起来，接到多谐振荡器的后面，这样一方面使得波形完全对称，另一方面也把周期加大一倍，可以用小的电容达到相同的延时。

最后一个改动是增加了LED显示电路。为了节约用电，采用脉冲显示的形式。当然，如果采用电源或锂电，可以把串联的47uF电容短路掉，就变成常亮显示了。

lymex

实际制作

外壳选择了体积小巧的蓝色壳，这样就不需要自己的位置安装放置，用引线就可以吊悬，或者挂起来。

这个外壳的尺寸是94×69.3×31mm，内部电路板最大尺寸为90×66mm，只有一个插槽。购买单价13.88，购自TB的江南精品馆。
  

电路板采用我常用的那种长条的环氧洞洞板，150×51mm，裁成两个66×51的
  

VMC、LED、按钮和电位器的4组引线采用网线，硬一些，但取材和焊接方便。采用先穿孔后焊接的方式，只要拆装的时候稍微注意不要在根部经常弯折，是不会断的。




后部信号线自然也采用网线，但要屏蔽的。这网线是超5类屏蔽的的，经过测试，绝缘电阻很高（20米紧密双绞，电阻>3T），对于一般的测试不会有影响，而且热电动势很低。
http://item.taobao.com/auction/i ... b0b8f7d36ab5c58.htm



尾部的网线引线，要套一个塑料套，以免长期拉伸摩擦而破坏外皮。塑料套的外径要比孔径大，这样强行装入后，再装上网线，就不会脱出。
同时，为了避免引线被拉出，要在内部根部压上一个塑料卡扣。



引出线做好，可以压接在万用表和基准的接线柱上，方便、直接而高性能。当然，也可以用U叉来压接。
上面的分叉小，是公用端，一般接高位表。
下面的分成红黑两个大叉，是两个输入端。每个输入端又有4线和一个Guard。



接上Y叉，大的是Zoo的，小的是cc的
  


装壳效果
前面引线比较长，是因为可以在前面板不拆下的情况下，可以把电路板从后面大部分抽出。




为了DIY方便，VMC接口采用BNC（Q9）插座，这也是电压表的VMC最常见的插座，这样用一根BNC射频电缆就可以链接。LED、按钮和电位器也都是圆形的安装孔，便于只用电钻加工。LED故意把头部磨平磨花。这样有散光效果可以实现任意角度观察。现在高亮的LED只有那种透明且照射角度很小的那种。

lymex

测试与应用

首先进行测试。测试很简单，就是把输出短路，输入接万用表，两路切换读数，理想状态下电压都为0，因此差异也应为0。如果两路有差异，那么说明不同继电器本身存在差异，或者因安装制作而产生热电动势。
  

测试结果非常理想，2路交替测试结果，在图上看不出任何区别，实际计算，两路电压平均值的差别只有不到2nV！


应用例子1：电压基准的对比测试
用2×2开关，分别测试标准的10V和被测试的10V，反复测试，就可以得到非常准确的比例系数，用于标定。假若让被测试10V的温度缓慢变化，并采取温度监控，就可以同时得到温度系数。通过长期对比，也自然可以得到老化指标。尤其是这样的测试不受万用表开机特性的影响，开机马上读数就是有效的。如图，蓝色的是直接测试的结果，收开机特性影响很大，而红色的是对比测试。
  


应用例子2：标准电阻对比测试
普通用高位表直接测试，由于万用表本身误差很大，即便是8位半也只能保证几十ppm，因此必须与标准电阻对比测试。
没有开关的情况下，要分别手工接线，分时测试。不仅麻烦，而且对比次数有限，每次接线不同也将引起额外误差。
在有2×4开关的场合下，就可以实现多点、自动、反复对比，这样不仅没有人为误差，而且可以进行多点处理，大大减少对比的不确定度。
同时，可以让电阻慢慢改变温度，这样通过温度监测，就可以得到一系列的与温度相关的电阻数据，可以用曲线拟合（线性回归或2元回归），求得电阻的Alpha和Beta温度系数。

lymex

正规制作
承蒙专业人士mytek2009承担起PCB制作等工作，已见雏形。

PCB板，左边的引脚功能，JP2为电池或外接电源（可选）。JP1从上到下为：
VMC、VMC地
K、K电源
电位器、电位器
LED+、LED地

J1为LED常亮选插Jumper，用电池或有外接电源的时候可以插上。





板子是70×100大小，可以缩小成66×90，以便适合不同的机壳。
引线按照网线设计，采取线穿孔后焊接的办法，不用插座这样可以减少中间环节和热电动势，同时也可以避免因拆装而引起的引线折断。

补充，实际制作效果。
用3458测试下来，正常。
3458的VMC的电压在0.5mA供电时只有3.65V，是见过的高位表中最小的。3458好用了，其它的就更无问题。

   

本来是低矮方式的，原件高出印刷板才10mm，但后来470uF的矮电容没有了，就14mm了

lymex

改成小型的
便于邮寄、传递，效果一点也不会比大体积的差，小体积的反而均温好。

在大板上裁出关键部位：




装好元件：



工作正常（视频）：
http://v.youku.com/v_show/id_XMzAxMzQ2MzU2.html


正面图



背面图。由于板子极端缩小，几个引线被切断，一些元件必须移动过来，难免出现飞线




找到一个盒子，内部空间接近50mm×50mm，正好。




接好引线






装盒，与以前大板的PCB对比






与以前小板盒子大小做对比

lymex

【全文完】

changlu

坐沙发学习。

yjm2000

时刻准备着~~~~~~~~~元件！

csclz

学习

jxno1dg

PCB印板图和3D 效果图是用AD6以上版本生成的吗？

kofxzz

继电器用的什么型号？自保持的吗？

yjm2000

是自保持的！

bg2iax

等PCB 或者套件

逆风草

学习了

bgqjm

期待中

redtony

学习！

bgqjm

实际上我们在使用的时候只用到自动，开关和100K电阻调节可以不用接，只接BNC和LED就可以了

yjm2000

准备动手了，元件一齐就开工！

zy_sh_npk

好东西，才看到，顶了！

chem

期待套件

zsxlh

享受了。

lymex

补充一张电路图

songjiao

老师真是一丝不苟啊！