USB-DMM5.5

yyp20034 · 发表于 2024-12-10 22:44:28

在做项目的过程中，我发现大多数的小的测试系统，其实用一个万用表+开关就能完成，因此萌发了做万用表模块的想法，自己动手做一个吧。主要功能如下：
（1）USB接口，支持外供电；
（2）支持SCPI指令，兼容Agilent指令；
（3）基础量程五位半，目标六位半，对标Agilent34401；
（4）支持数据采集功能，也就是说，降低ADC的分辨率可以做普通采集卡使用；

yyp20034 · 发表于 2024-12-10 22:45:05

（1）       直流电压测量功能：
（2）       直流电流测量功能；
（3）       两线电阻测量功能；
（4）       四线电阻测量功能；
（5）       交流电压测量功能；
（6）       交流电流测量功能；
（7）       交流信号频率测量功能；
（8）       脉冲信号占空比测量功能；
（9）       二极管测量功能；
（10）       导通测量功能；
（11）       热电阻测温；
（12）       热电偶测温；

yyp20034 · 发表于 2024-12-10 22:45:54

直流电压档位
序号       档位       第一级增益       第二级增益       输入阻抗
1       200V       X0.01       X1       10MΩ
2       20V       X0.01       X10       10MΩ
3       2V       X1       X1       输入阻抗10MΩ或者>10GΩ可设置
4       0.2V       X1       X10       输入阻抗10MΩ或者>10GΩ可设置
5       0.02       X1       X100       输入阻抗10MΩ或者>10GΩ可设置
直流电流档位
序号       档位       取样电阻Ω       电压档位       增益
1       2A       0.1       0.2V       X10
2       200mA       1       0.2V       X10
3       20mA       10       0.2V       X10
两线电阻档位
序号       档位       激励恒流源       电压档位       增益       备注
1       100Ω       2mA       0.2V       X10       2.5mw
2       1KΩ       2mA       2V       X1       4mw
3       10KΩ       200uA       2V       X1       0.4mw
4       100KΩ       20uA       2V       X1       0.04mw
5       1MΩ       2uA       2V       X1       4uw
6       10MΩ       0.2uA       2V       X1       0.4uw
7       100MΩ       0.2uA       2V       X1       需要继电器动作，并联10MΩ

yyp20034 · 发表于 2024-12-10 22:47:05

最新改版的PCB，亮个相

yyp20034 · 发表于 2024-12-10 22:48:10

今天终于将USB-DMM5.5正式版布线完毕，准备投板了，3D图如下所示，先露个脸：
1、为什么是五位半而不做六位半？
      这个DMM在设计之初的确是按照六位半进行设计的，在实际的测试中在基本档位上实现六位半的分辨率也是毫无压力，这个版本也提供六位半分辨率的数据输出，即便这样，我也依然将这个版本定位为五位半，主要受限于两个因素：
   第一，ADC的积分非线性。
   第二，增益电阻的稳定性。
第一个问题还好解决，当前所采用的ADC芯片对于积分非线性还不满足六位半要求，设计多斜积分ADC，虽然费点功夫，但是肯定能实现，第二个问题就非常的困难。要想增益稳定性达到六位半的水平，增益电阻必须封装在一起，跟随温度系数达到3ppm以下才有可能。要定制这些电阻，受限于国内的电阻制作水平，非常难以达到要求，如果国外定制，目前对于个人而言几乎没有可能实现。
2、会不会出“套件”
   这个产品历经了多次改版，断断续续的在调试修改，最近终于能够全职做这个事情，所以加快了更新的步伐，也算是给自己前期的工作交个答卷。这个版本设计之初就定义为工业应用，并不是实验板和测试板，所以没有所谓“套件”，全部为完整产品。
本版本提供USB接口和RS485接口，可以仅仅用一跟USB线完成供电和通讯，支持仪器通用的SCPI指令，Agilent34401的绝大多数指令都兼容。也可以使用RS485总线，但是必须提供外部供电电源，RS485总线支持modbus协议，方便现场接入SCADA系统。
本版本设计之初就定义为USB 万用表模块，主要应用于系统集成和测试，整版尺寸非常小，160mmX97mm，非常易于系统集成应用。为了考虑更多的用户需求，本次改版增加了外部扩展接口，后续可能有带显示屏和锂电池的手持仪表，我们也会开放接口，方便大家进行DIY，变成手持仪表。
本版本提供外部触发接口，可以根据触发信号实现数据采集。
3、关于成本
既然作为一款工业应用模块，用料确实非常扎实。为了提高采集精度，前端分压电阻、电流采样电阻均定制，也是我能找到国内供应商里面的顶级水平了，成本确实不低。
(1)前端分压电阻，跟踪温度系数为5ppm;
(2)2A档位采样电阻为0.1Ω，温度系数为15ppm;
(3)200ma档位采样电阻为1Ω，温度系数为10ppm;
（4）20mA档位采样电阻为10Ω，温度系数为5ppm;
   工业应用对于4~20mA采集应用广泛，本模块设计之初就保留了20mA档位，电流采样采用全查分采集，将这个档位的性能发挥到极致。

marsyu1991 · 发表于 2024-12-11 19:40:57

好棒！

yyp20034 · 发表于 2024-12-11 20:02:57

对于万用表测试，如果有一台FLUKE5xxxx系列校准源，那是再好不过了，如果没有这个高级设备，自己DIY一个电阻板也是非常好的。
整个测试的拓扑结构如下图所示，使用一台万用表DMM1执行测电阻功能，则DMM1将输出恒流源，使用DMM2执行电流测量功能，监控DMM1输出电流，使用DMM3执行电压测量功能，这样就可以实现“以己之矛攻己之盾”，左右互搏，相互检验稳定性。

yyp20034 · 发表于 2024-12-11 20:05:06

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]如果将上述的电阻换成可以步进的电阻阵列，那就具有非常高的使用和测试价值。例如该DMM测量10MΩ档位时输出200nA恒流源，如果带5Ω负载，则将产生1uV的电压信号，每5Ω步进，则可以实现1uV的电压步进，这对于测试万用的分辨率是极为方便的。

yyp20034 · 发表于 2024-12-11 20:06:57

测试示意图

yyp20034 · 发表于 2024-12-11 20:07:49

[color=rgba(0, 0, 0, 0.9)]电阻板的电路拓扑结构如下图所示：电阻串联结构，使用四线输出方式。电阻从1欧开始步进，最大输出电阻值为999999Ω。

yyp20034 · 发表于 2024-12-11 20:08:49

为了尽可能减小引线电阻以及测试的难度：（1）实际设计中使用了跳线帽作为电阻选择方法，并未使用继电器，主要原因还是为了降低继电器触点热电势的影响以及继电器发热带来的影响。（2）PCB布线为四层布线，总计输出4个信号，每个层将覆铜一个信号，将输出输出引线电阻降到最低。（3）电阻布局紧凑，尽可缩短引线距离。 1欧姆及10欧姆均选择插装的精密电阻，其余均为1206封装的精密电阻。

yyp20034 · 发表于 2024-12-12 08:21:46

有兴趣的可以关注一下我的微信公众：高精度万用表的设计和应用

雪山怪叟 · 发表于 2024-12-12 18:54:12

厉害呀

yyp20034 · 发表于 2024-12-12 21:00:35

我努力做完，不烂尾

yyp20034 · 发表于 2024-12-13 08:00:44

在我的微信公众号里，引用了本论坛的大佬的文章，并未署名作者，在这里表示歉意，后续引用文章，加上文章作者。

lg676041036 · 发表于 2024-12-13 08:35:57

真厉害呀

3609 · 发表于 2024-12-14 12:06:51

精神可嘉，祝你成功！

yyp20034 · 发表于 2024-12-16 19:04:15

印制板到货，开整

leon1314 · 发表于 2024-12-17 16:24:50

牛人，厉害

3609 · 发表于 2024-12-17 18:05:31

yyp20034 发表于 2024-12-16 19:04
印制板到货，开整

期待好消息。

花桥场 · 发表于 2024-12-20 13:46:15

看了你做的板子做的非常不错，用料扎实，测试细腻，希望早点出成品

yyp20034 · 发表于 2024-12-22 17:29:44

感谢大家的支持，我在我的微信公众号“高精度万用表的设计和应用”里更新了测试的过程，这里更新晚了

yyp20034 · 发表于 2024-12-22 17:32:11

2v基准档位，1uV步进，分辨率测试结果。

yyp20034 · 发表于 2024-12-22 17:32:45

1M欧姆档，1欧姆步进，测试结果

yyp20034 · 发表于 2024-12-22 17:33:18

从测试数据来看，这个板子可以实现六位半分辨率，没有压力

雾中花 · 发表于 2024-12-25 11:48:56

围观一下，一眼看上去以为是NI又出新产品了，板子看上去很优秀

yyp20034 · 发表于 2024-12-25 12:20:45

雾中花发表于 2024-12-25 11:48
围观一下，一眼看上去以为是NI又出新产品了，板子看上去很优秀

感谢支持

jimmy_xt · 发表于 2025-1-20 16:14:07

本帖最后由 jimmy_xt 于 2025-1-20 16:40 编辑

要想增益稳定性达到六位半的水平，增益电阻必须封装在一起，跟随温度系数达到3ppm以下才有可能。要定制这些电阻，受限于国内的电阻制作水平，非常难以达到要求，如果国外定制，目前对于个人而言几乎没有可能实现。

只是六位半其实有解，不过也不便宜。分压电阻单独做陶瓷基板，用低温漂的薄膜电阻。实测，通过挑选能实现3ppm的跟随温度系数，不算困难。
当然，如果不是需求特别的分压比，似乎直接买电阻阵列更便宜，也不用折腾挑选了。

laislabo · 发表于 2025-1-20 22:10:27

ADC是用的LTC2440？

yyp20034 · 发表于 2025-2-3 19:58:58

laislabo 发表于 2025-1-20 22:10
ADC是用的LTC2440？

是的，

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