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
本帖最后由 leejianzhao 于 2013-5-18 17:35 编辑公布淘宝链接:
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，没有开孔配套电池：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
DIY一个五位半电压表——DIY一个毫欧计的兄弟篇LeoLee，2013-05-17
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！
本帖最后由 leejianzhao 于 2013-5-23 23:48 编辑
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
本帖最后由 leejianzhao 于 2013-10-7 21:45 编辑
提供毫欧表/五位半电压表的PDF版的原理图/PCB图，BOM清单，HEX，以及源码
本设计版权归本人所有，未经授权不得用于商业用途
还写了个DIY指南，让大家少走点弯路。前期发的套件，已经有超过十位DIY成功，
个人偏爱贴片器件，给大家添麻烦了，J2、U4和U10有点难焊{:140_301:}
其实DIY还是比较简单的，焊完就能工作，免调试。后续的校准都可以通过面板的几个按钮完成。
配套亚克力外壳+电池：http://item.taobao.com/item.htm?id=21465119764
https://bbs.38hot.net/data/attachment/album/201308/03/103943tiyeeiep2ce0jicr.jpg
CH340的USB驱动在毫欧表帖子的164楼
https://bbs.38hot.net/forum.php?mod=redirect&goto=findpost&ptid=40484&pid=498925&fromuid=17757
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 {:139_281:}
我用 ADS1232 做的“万用表”（量程有限），还是用了经典的继电器切换 {:139_278:}
lilith 发表于 2013-5-18 19:37
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 {:139_281 ...
偷下懒都被你发现{:140_303:}
本来就是顺便做的，不想占太多地方和成本，反正毫欧表本来就有4个洞，不用白不用
我仅仅加了两个运放/一个模拟开关/若干跳线，还有一个可有可无的电压基准，就搞定了电压表，让大家低成本的多一种玩法，何乐而不为？
又有好东西来了，占位帮顶 无米才开发出来郁闷啊。。。坐等更多功能存钱续购！ 这个要顶，特佩服LZ这种硬件软件都精通的 这个要顶，特佩服LZ这种硬件软件都精通的
必须要顶，楼主有才人啊 楼主的设计简单精巧，结构清晰明了，直接使用芯片内置AD成本低廉，锂电管理和开关机电路也非常成熟可靠，用了线性充电IC，和单安建开关机电路，从这个经典电源控制方案上，看到了很多优秀作品的影子，想必楼主常年混迹于各大论坛，吸取其精华，才到今天这地步 tssmcu 发表于 2013-5-19 14:02
楼主的设计简单精巧，结构清晰明了，直接使用芯片内置AD成本低廉，锂电管理和开关机电路也非常成熟可靠，用 ...
我喜欢简单的设计！
类似的充电电路和开关机电路在MP3之类的东西上广泛使用，相当成熟。
USB UART就是串口线电路的copy，不过这里还有一个小细节。CH340T没有通过电池供电（为了省电），在没有插USB的时候，CH340T是没有电的，但是不要忘了还有管脚上的防护二极管，如果MCU的TX输出高电平，就会向CH340T灌入电流（相当于通过TX给CH340T供电）。因此，我的设计中MCU的TX是OC输出的，上拉到CH340T的VCC，这样就避免了灌电流的问题
电压表的电路也是相当的成熟，我也玩不出什么花样。衰减电路就是copy各种自动档手持表的，例如提到的Fluke 15/17B
leejianzhao 发表于 2013-5-19 00:18
偷下懒都被你发现
本来就是顺便做的，不想占太多地方和成本，反正毫欧表本来就有4个洞，不 ...
话说电压表和毫欧表不能共存吧？
另外就是那个输入衰减电路，通过模拟开关切换下电阻改变分压比，模拟开关切换的时候不知道是怎么一个过程，有没有相当于开关两臂都断开的过程呢？有的话意味着模拟开关呈开路状态，当然由于前面的 9M 电阻很大，所以高压经过 9M 电阻之后只形成很小的电流，然后被构成模拟开关的 MOS 的体二极管吸收掉，只是觉得这样不舒服了 {:139_295:} 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 {:139_281:}
lilith 发表于 2013-5-19 19:41
话说电压表和毫欧表不能共存吧？
另外就是那个输入衰减电路，通过模拟开关切换下电阻改变分压比，模拟 ...
是的，电压表和毫欧表不能共存。切换功能的时候需要改变图中的5个跳线，同时刷入相应的firmware
现在校准参数可以通过备份firmware来保存，我感觉也算方便的了。备份方法见 DIY一个毫欧计的175楼https://bbs.38hot.net/forum.php?mod=redirect&goto=findpost&ptid=40484&pid=504119&fromuid=17757
至于模拟开关，你就不要纠结了，34401也没有任何防护器件就直接进芯片了（其实前面还有个空气放电管，不过动作电压1500V，用来防护雷击的）
不仅10M分压没有，8个13K串联的也没有（我的那个BAV99 D12也考虑去掉，因为BAV99的漏电流有点大，BAV199又很难买到，用FET我又不是很舍得）
leejianzhao 发表于 2013-5-19 19:17
我喜欢简单的设计！
类似的充电电路和开关机电路在MP3之类的东西上广泛使用，相当成熟。
卧槽楼主考虑果然非常细致，不过用OC们有小缺陷，需要供电，体积小的又很难找，我自己一直用另一个方案，2N7002DW，是个SC-70-6封装的双2N7002,我用它做I2C或者UART的电平转换，非常方便，串口在115200通信毫不马虎，在转换电平时接法如图：
左边是3.3V电平转换到右边5V电平。
不过我贴出来才发现这个还是不能防电流灌入340，哎算了。。
其实用个1N5819 080封装的穿在MCUTXD 到340RXD就可以了，MCURXD是弱上拉灌入电流应该很小可以不处理
哎。。眼浊。。我明白你的意思了，你是集电极开路，然后上拉电阻到USB5V。看错了。。已近写了那么多删掉怪可惜 tssmcu 发表于 2013-5-19 21:19
卧槽楼主考虑果然非常细致，不过用OC们有小缺陷，需要供电，体积小的又很难找，我自己一直用另一个方案， ...
这个电路我一般用在IIC的电平转换中，这个电路也是IIC规范推荐的Level shifter具体可以参考www.nxp.com/documents/other/39340011.pdf 的Page 43
LZ 能帮我上大忙，以后要好好合作。先记号 上了5位半的东东基本都要经过筛选了，f350实现6位半都可以，但是考虑的要很多 这个要顶，特佩服LZ这种硬件软件都精通的有同感。 100mV档上几张测试图 leejianzhao 发表于 2013-5-19 20:50
是的，电压表和毫欧表不能共存。切换功能的时候需要改变图中的5个跳线，同时刷入相应的firmware
现在校 ...
人家好歹用继电器切换，实际上走进模拟开关的总是 100K 电阻上的电压，9.9M+100K 这一串是不会断开的，而你的是会断开的 {:139_295:} 所以看着不舒服，虽然好像也没啥问题（不确定）。如果你增加一个继电器，不仅解决这个问题而且也可以让毫欧表和电压表共存了吧 {:139_282:}
话说你的单片机没有片内 EEPROM，要用 FW 来保存校准值？
要了5套，以实际行动支持楼主的这种行为！ redtony 发表于 2013-5-20 13:00
要了5套，以实际行动支持楼主的这种行为！
感谢啊～～！！
马上让我的存货只剩下一个，呵呵，昨晚立即备料，明天就好了
希望大家能从这个套件学到什么，我是抱着完全开放的态度，对于原理图/源码，大家有问题尽管提出来，我会尽力回答的
lilith 发表于 2013-5-20 10:57
人家好歹用继电器切换，实际上走进模拟开关的总是 100K 电阻上的电压，9.9M+100K 这一串是不会断开的，而 ...
你看错了吧，如果9.9M+100K不会断开，10V或者以下档位怎么可能实现大于10M的输入阻抗？
你说的这个情况可能是受34401还有一个选项就是10V或者以下档位也可以选择10M输入阻抗的误导，这时候9.9M+100K就不会断开
这个继电器根本和10V或者以下档位的防护无关，举个最简单的例子，你不用auto range，固定是mV档，高阻输入，接到100V，会出现什么情况？根本没事！继电器固定接到8*13K上，断开了9.9M+100K，这样和我从另外一个端子输入有什么区别？
C8051F350内部没有单独的EEPROM区域，因此我划分了一个Flash的Block（512byte）用于保存校正信息，Flash的擦除是以block为单位的
由于Flash的空间有限，我也没有办法再拿多一个Block来存另外一个功能的校正信息，因此两个功能的校正信息存放的地方是一样的，因此出现这个问题
当然，其实可以仅仅保存放着校正信息的这个block，但是出于操作的简单性，让大家把整个flash保存下来，反正很快
liyf 发表于 2013-5-20 07:40
上了5位半的东东基本都要经过筛选了，f350实现6位半都可以，但是考虑的要很多
五位半没有这么夸张，其实就是关键的那几个分压电阻要求高一点而已，如果用5ppm的塑料块，已经足够，完全不用筛选
六位半又没有这么简单，F350做六位半是完全不行的，原因有二：
1、F350的noise太大，参考下图
https://bbs.38hot.net/data/attachment/forum/201305/18/172619uy94y24w4222y35a.png.thumb.jpg
在PGA=1，10Hz的条件下，RMS noise是2.38uV，峰峰值 noise为2.38*6.6=15.7uV，1V档在五位半下是1.5个LSB，六位半就是15个LSB，最后两位都跳的六位半谁要啊？！
就算降低到1Hz，把10个读数平均，提升log(10)/log(4)=1.66bit，log2(15)-1.66=2.25bit，折合到10进制就差不多是5个数在跳。这个还仅仅是ADC noise导致的，还没有算上系统里面其他的噪声
当然，还是可以用强力的滤波算法把读数稳定下来，就象我的毫欧表在20欧姆档其实就是六位半显示的，但是响应比较慢。测电阻大家可以等一下，2-3秒稳定是可以接受的，但是电压表可以吗？
ADS1232的noise就比较低，而且便宜。在10Hz下，只有420nV或者450nV；LTC2440再略好一些，在6.875Hz下，只有200nV。这两个的noise基本上可以做六位半了（我说的仅仅是noise哦）
2、F350的INL最大是15ppm
我实际测试下来也差不多，15ppm相对于2.5V基准来说，就是37.5uV，对于六位半就是37.5个LSB，对于五位半就是3.75个LSB。
用F350做出来的六位半精度指标可能要这样标：0.00x%+40LSB，知道我的毫欧表标称精度后面为什么要+40LSB了吧
五位半的话，就是3.75LSB，因此我标称就是+4LSB
INL是很难校正的，看看lilith校正他的源表就知道
ADS1232的INL典型值是2ppm，最大值是10ppm；LTC2440的INL典型值是3ppm，最大值是15ppm。从典型值来看是勉强可以做六位半，但是最大值也就是五位半的水平
综上，
1、以上两个问题说明F350的ADC其实并不是很好，只能说性价比高：）
2、我认为用sigma-delta ADC不是很适合做高位表，或者说最多做到五位半
这里顺便提一个可能是目前最好的sigma-delta ADC——ADS1281/ADS1282，我手上其实都有样品，不过没空玩:(
ADS1281/1282可是31bit的ADC，不要以为能做七位半甚至八位半（31bit有九位半，呵呵），1282的INL典型值是0.5ppm，最大值是4ppm，这个做六位半就不错，不过价格……
看你用的是外部基准，你试试用内部基准看看，内部的比较稳定的，就是有点偏差，需要修正
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