吹吹牛•我设计的LTC2400电路

tianda_spl

昨天发布了我设计的LTC2400电路和印制板，诚征友情测试，详情见链接。https://bbs.38hot.net/thread-12567-1-1.html
首先我想说的是：对愿意给予帮助的网友表示感谢！但是测试需要你自己购买器件、焊接和写程序，需要资金、时间和认真的态度，特别是买器件需要很多次邮费，不可能在一家买齐的，给你们增加负担不是我的初衷，请仔细斟酌。这里我把自己的设计想法写出来，供大家参考，能使你收益才这是我的初衷，如果大家再能找出设计上的缺陷，使我收益那我这次是没白来。不全心投入一次设计，是不会体会设计者的想法的，现在请跟随我来。

这是输入级电路，就是一个缓冲器。LT1012A这个运放只是一个名义型号而已，你完全可以选择其他型号的，但是我觉得用JFET类型或者CMOS更加合理。首先是阻抗高，达到10G小菜一碟。同时JEFT的电流噪音非常小，如果用双极性的运放，虽然电压噪音比JFET类型小一个量级，但是电流噪音大了两个量级以上，若被测的信号阻抗大的话，那么这个电流噪音流过被测输入电阻产生的电压噪音相当大，远超其电压噪音。
举个例子，按0.1至10Hz来评估，如果使用OPA277，电压噪音0.22uV峰峰值，我曾经测试过其电流噪音24pA峰峰值（手册上没有这个指标），那么流经6.6k电阻产生的噪音就是0.5uV，和LT1012A电压噪音相当。但是LT1012A的电流噪音是20fA/√Hz水平，忽略不计的程度。所以JEFT不仅意味着阻抗高，还意味着电流噪音小，因为我们不能假设每次测量的电压都是从一个buffer而来，很多网友测试的电压都是从基准而来，而不是从一个实际电路而来，值得注意。对了，运放的失调在短期和温度变化不大的情况下，保持不变，可以软件抵消掉，就是NULL这个功能。
2N4393和2.5K电阻是防止测量负电压而损毁LTC2400的一种简单有效措施，2.5k用于限流，万一测量低阻负压，没有2.5k只靠2N4393是不行的。
输入采用了保护环设计，见下图，保护环要练到低阻端，像这个buffer，显然是反向端阻抗低，因为它与输出相接，而运放输入是低阻的，配成buffer结构更低啦。

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但是在这个板子上，并没有R0，Q1也只有两个引脚，为何？因为你有可能使用类似LTC1150这类运放，其对热电势比较敏感，并且手册建议，尽量减少输入通道的连接节点数。热电势来源于不同金属的接触、温度梯度和节点数量，所以尽量使用铜引脚器件，并且我把R0的一端和INHI合在一个焊盘上，另外一端与Q1的漏极合在一起焊接，Q1的源极可以在管子上部与漏极焊接。R0对精度没有要求，但是从降低噪音出发，还是使用线绕或者金属箔，因为金属膜电阻除了热噪声之外还有其他噪声，并且其热电势比金属箔大，可以参看LTC1151手册第6页表一。


使用2N4393那完全是可以在JS那里（广告时间到了）取到货源，而不是从别的商家再花一次邮费。可能注意到在输入端INHI需要飞线，那是无可避免的，板子上下都做了闭合保护环，无法走线。


这是其后的一部分，R2另外一端是地，截图没有表现出来。使用R1和R2分压，这样能做到10V满量程。10k金属箔，JS那里很便宜的特价，不知道你赶上那批咸带鱼没有。并且，在同一时间、同一个表的同一量程，匹配两个相同阻值电阻，或者取得其比例，还能再简单么？如果你有信心的话，可以把R2换成2.5k，使用单电源运放（能够稍微到达负轨的运放），正电源换成25V或者30V，负电源与地短路，这样你能轻而易举到达20V或者25V量程，而无需分压，保持高阻输入。20档位对绝大多数应用来说，足够了吧。把负电源与地短路即可，如下图所示，而且原来负电源端的所有电容都可以省略，但是电源的参考地点不能改变。


说道这里，可能注意到，这个板子没有覆铜。当初我权衡了很长时间，到底是大面积覆铜还是单点接地。其实覆铜，对于走线很简单的，而单点接地就不行了。我觉得单点接地的布线是一种挑战，因为有难度。万一在这次布地失败导致板子不能工作的时候，我可以在喝一杯咖啡的时间里，把板子改成覆铜地，反之不行。我板子布线都比较粗，最细30mil，很少有多次弯弯绕的，仔细体会。我不知道有你没有体会一个设计者的深思熟虑和付出的努力，不是只有FLUKE才值得膜拜。画板子布地线就是一种挑战，网上有很多有益的建议，当然看得你头大而且什么说法都有。我的建议，自己花银子试。李白说的好，千金散尽还复来。电容C5起到带限作用，能降低噪音，确切说是限制噪声带宽，C5大点好，但是必须用薄膜电容，用漏电小的（就是等效并联电阻大的），这样才不至于影响分压。但是C5过大，万一你测量缓慢的交流信号（如0.1Hz以下的），就会有影响。注意3dB带宽是f0=1/2piRC，R是R1和R2并联的值，C就是C5。如果你输入信号频率是f，假定1V幅度，那么由于C5的影响是：


万用表或者LTC2400不就只能测量直流吗？我觉得这种理解似乎有点问题。假设LTC2400的采样频率设定为5Hz，那么两秒钟就有10个数据然后我把他们做平均，这样每两秒读到一次数，只能测直流。但是我完全可以在第11个数据到来时，把第2个数据直到第11个数据做平均，保证10点平均的前提下，达到每秒5Hz读数速率。还有个理论问题：我做10点平均的好处是多少？那么我是想问问，做平均的意义为何？降低噪音对吧，那么噪音从概率上符合高斯分布对吧，噪音就是高斯分布里的参数方差σ对吧，而噪音是独立无关的信号对吧，那么10个高斯噪音样本的平均，其分布的参数方差会降低为根号10分之一，对吧。好处按照点数的平方根反比例下降，请参考概率论书籍。如果想把噪音降低为原先的1/10，那得用100个样本，不值得啊，权衡一下10个不错啦。这里的运放，我选择了双运放，有个网友提出来了。当初我好像有个特别的想法，后来也是想改过来，但是忘了。没办法，同型号双运放比单运放贵40%-60%吧，要不你割掉印制导线，自己飞一下线改成单运放，当然正电源要从8脚改到7脚。把U1和U2分开，我觉得有好处，可以进行更灵活的配置。如果U1和U2合用一个双运放，首先布线很困难。不知道你注意到没有，我要求R1和R2的比例要事先测量好，但是你测量的仅仅是没有焊接到板子上的电阻，一旦焊接，板子走线的电阻不可忽略。有人不是经常吹嘘安捷伦的3458A连走线的电阻都匹配吗，不是只有安捷伦可以做到，我同样可以做，盲目崇拜而不加吸收等于瞎扯。

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上图用绿色框起来的就是走线的长度和宽度进行了决策的结果，使得你总可以忽略走线带来的影响。

这是基准部分，选择什么基准自己定型号。R3和R8用于降噪。是否愿意使用U4，你自己决定。用也可以，不用也可以，板子上留下给你发挥的空间了。


JP1是两个相距很近的焊盘，如果使用U4，用焊锡短路，如果不用U4或者使用外部基准，保持JP1开路，基准电压加在标着“2”的那个焊盘上。焊盘只有顶层有，这是为了保证U6附近有更大的覆铜地的权衡。如果你不使用U4，务必把R3短路，加大电容C8。大的R3虽然降噪好，但是引入额外的积分非线性。参看LTC2400第24页（最好看LTC2410手册，那个讲解得更细，虽然同LTC2400有差别）。

如果基准引脚上的电容超过0.01uF，由于基准输入电阻引起的额外INL是0.15ppm/欧姆。这也是我为何使用U4的原因。不用U4，则R3必须短路，但是降噪效果我觉得不是很好，虽然我没测试，但是理论一下可以吧。使用OPA277也是经过计算的，虽然我不愿意或者肯定将是最优的，但是我站在噪声的角度权衡过很多运放。


在板子上，仔细看，有2个很小的机械孔，可以绑上测温元件，如果你有条件，可软件修正温度漂移。我给你的选择是DS18B20，但是你可以绑上热敏电阻、铂金电阻之类。板子上另有一个大孔，可以把测温元件线走在板子底下，不影响美观。给别人更多的选择空间，是人性化的选择，是优秀设计的一种表现。

这个是给LTC2400的供电，把电压调节到5.2V附近。大多数芯片都有10%的电源冗余，稍微超过5V没问题。好处是，当测量电压在5V附近时，有一些过量程并且不会因为LTC2400内部嵌位二级管的导通而降低精度。

由于板子大小限制，这几个电阻只能竖起来焊接。额外解释一下：我希望大多数元件用直插器件而不是贴片。贴片的优点有目共睹，体积小，并且可以避免30%左右的无用通孔焊盘，降低杂散电容和电磁干扰等，并且利于走线。但是贴片的不好焊接，而且我不能假设你可以便利地买到。直插器件零售几个肯定没问题。

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这个是LTC2400数字部分的隔离缓冲。因为我要求模拟部分和数字部分分开供电，虽然分开，但是他们还是会互相影响，就是通过地和这些交互的接口，使用漏电低的HC器件更加有利。
很奇怪的JP2。我假定LTC2400的SCK是输入引脚，那么在上电时，SCK必须处于低电平才行。但是单片机和LTC那个先上电完成初始化，是你不能随便假定的。所以在上电之前，可以用这个跳线强行接地。如果没有JP2行不行？照样行，软件上跳过第一次转换就可以。这是一种选择，编程序的人注意不到，可能会着急，这是人性化的设计。
关于电路设计，到此结束，剩下的一看就明白。

注意到那个J1没有，你可以通过这个接口，连接到自己的开发板而无需我的单片机，把板子沿着顶层丝印切下来，不会有任何走线损失，只是切下了我的数字电路部分和模拟部分的连接而已，是不画板子的功夫，看似简单，不是一蹴而就的。

这个板子上面有点缺口，你可以找个铝合金盒，把电路装进去，缺口保证了串口J1一定露出来。

这次关于LTC2400板子的讲解胜利闭幕，讲解是在严肃而友好的气氛中进行的，讲解是求真务实的、这是一次激励人心、鼓舞斗志、真抓实干的讲解，讲解者要求全坛网友深刻领会、举一反三。

tianda_spl

这次我做了10块板子，厂家多给了2块，自己留2块，其他免费发放，我将统一邮寄JS，方便配置器件给你省邮费。
我希望不会误导你，板子免费，器件自理，不是想当然简单的。
如果此板对你有所帮助，是一种美德。

a-fly

不错，写得很认真。

zoo

鼓励diy精神和共享精神！

a-fly

如果能做成自动校零，那么输入阻抗就可以更高，放大器可以不考虑 漂移了，
需要考虑的只有Ib和噪声了。

fobyellow

顶一下，写的很好，真的好像又回到了课堂一样

puff

虽然看的不大懂。但感觉到是好东西，而且讲解的非常好。

谢谢了

shj117

LZ辛苦了！  有空学习下。

strive

好文章！学习下~~~

kdtcf

非常好的文章，慢慢学习

liao_43

我觉得模拟地与数字地分开，使用光耦6N137、模拟电路与数字电路使用独立电源，这样比较好一点。

yjm2000

支持原创文章及共享精神！

乐乐很蛋疼

向lz学习！！！

leer

学习一下，刚买了另一款六位半的表头

wuhoo

写得很详细，学习下。

wuwentong

这可不是吹的,学习了

shichen717

有如下问题请楼主考虑：

1. 如果需要别人花钱为你做实验，自己要首先准备好，至少有一套已完成的成品和完整的测量数据。

2. 电路设计中有一些问题，希望修改并完全测量后再做定夺。
（1）输入负压损坏问题尽量不用可能增加漏电降低输入阻抗的方法解决，否则4148可能是更经济的解决方案。
（2）电源输入需配置防反接保护，否则包含2400在内的所有集成电路均可能损毁。
（3）对于20位采样而言，部分细节考虑过于仔细，关键之处描述很少。
（4）接地似乎有问题，数字地未由星形点引出，引出点为基准退耦接地点。
（5）如果单独使用模拟部分，2400数字端口需配置保护电路。
（6）请务必考虑U2损坏可能对2400输入端造成的影响，某些运放损坏后输出可能为正轨或负轨，并且输出能力可达到30mA，因此无论如何+/-15V均可能损坏2400，并且如果输出负轨，U1之前的负压输入保护即无任何意义。有必要于2400输入端进行钳位保护，至少需串联电阻保护2400内部的钳位二极管，如果考虑串联电阻与2400输入阻抗得分压，可将串联电阻设计于U2的反馈回路中。

电路结构和元件选择的依据尚不足够明确，安全性考虑过少。

tianda_spl

引用第19楼shichen717于2011-10-22  18:08发表的  :
有如下问题请楼主考虑：

1. 如果需要别人花钱为你做实验，自己要首先准备好，至少有一套已完成的成品和完整的测量数据。

2. 电路设计中有一些问题，希望修改并完全测量后再做定夺。
.......

感谢楼上的意见。
第一条说得很有道理，我正在制作第一块板子，届时再请人测试。
其他建议带这次测试完后，再次修改板子。
看来保护2400很重要，我立即切断印制线，连上串联电阻。

longquan

作为DEMO板，电源防接反的两个1n4007不能省吧，你这个接头看不出来预防接反的不对称设置

lilith

引用第20楼tianda_spl于2011-10-22  19:35发表的  :

感谢楼上的意见。
第一条说得很有道理，我正在制作第一块板子，届时再请人测试。
其他建议带这次测试完后，再次修改板子。
看来保护2400很重要，我立即切断印制线，连上串联电阻。
.......

我测试 2400 用的输入/保护电路，限流电阻 Rc 和 5.1V 稳压二极管保护 2400 的 Vin，反馈电阻 Rfb 保证合法范围内电压的正确性，楼主认为如何？

tianda_spl

谢谢LS的保护电路接法。我参照一下。

armdsp

图画的真漂亮，请问是用什么软件做的？

leer

学习下下

lxlxl

强帖留名~~~~~~~~~~~

presto

看了一下LTC2400的手册。好像Rref小于100欧的话，不同Cref对非线性的影响不明显。印象中基准源的内阻都不大。还有，运放的负反馈应该加匹配电阻吧，使其直流电阻和输入端一致，这样输入偏执电流的漂移不会转为差模信号。

电路看得还不够仔细，有说错的地方请指正。

li0713

不错！！好东西！！学习一下！！
你用过2440么？好用？

ascetic_wn

请问楼主原理图和PCB是用什么软件画的