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: 1043)

2013-3-27 23:16 上传

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AN-615_cn 峰峰值分辨率与有效分辨率 .pdf (245 KB, 下载次数: 946)

2013-3-27 23:16 上传

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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: 12986)

2013-3-27 23:20 上传

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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.

网龙

漂亮，实用，就是没有外壳

yiheyuan

好玩，预订一套。请楼主PM手机号。

llycom

不错的技术贴，预定一只。

tv88

好呀！！！

clogord

lz这一版去掉了跨接在SENCE+和v+   SENCE-和v-上面的1K电阻 我之前很好奇 这个1K电阻是干嘛的 我看了一些4线测的好像也有这个电阻

leejianzhao

clogord:lz这一版去掉了跨接在SENCE+和v+   SENCE-和v-上面的1K电阻 我之前很好奇 这个1K电阻是干嘛的 我看了一些4线测的好像也有这个电阻 (2013-03-28  08:47) 

为了兼容两线测试，我这个由于没有加跟随，输入阻抗不够大，在两线时误差有点大，干脆去掉

lzqing

预订一套毫欧计，另外也加上10元要套电压表所需的元器件。

zhengrob

请问lz C8051F 使用的什么开发环境？

nick2329

不错，订一套.

yangfei1980

支持DIY

hrg2007

不会单片机能玩得转吗?

foolsp

这个要顶，厉害啊！

keye

优秀文章，支持！n神马都是浮云

裕作

订一套，发售请PM

poseidonstorm

这个好像就是在二姨吵过架的那个毫欧计…

酋长

真不容易啊！精神上支持！

jxjbsd

有理论有实际，有原理有套件，很了不起，现在先精神支持，以后有需要一定联系你

sea123

支持，预定一套，加电压选件和编程版。

da1sha

技术贴 支持

yuan

不错 支持 DIY 订一套