自己制作手持高精度六位半數(shù)字多用表
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概述：
數(shù)字多用表是常用的測(cè)量?jī)x器，目前市場(chǎng)常見(jiàn)的是3.5（三位半）和4.5 手持表，用于一般測(cè)量，另外高端的則是6.5位以上的臺(tái)式表，價(jià)格較高，用于高精度測(cè)量。
隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，高性能低成本的器件層出不窮，使得制作一部低檔的6.5位數(shù)字多用表成為了可能，這里介紹這款六位版，就是在性能上、功能上和成本上綜合考慮的一種設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方案。
設(shè)計(jì)思想：
選用成品的通用元件：高端DMM采用以 恒溫深埋齊納基準(zhǔn)——前端為Dual JFET的混合低噪聲運(yùn)算放大器——多斜率積分高速高分辨率ADC 為主軸的測(cè)量系統(tǒng)，其中每個(gè)部分的制作難度都非常高，而且需要昂貴的儀器進(jìn)行調(diào)試、校準(zhǔn)，這樣的要求在業(yè)余條件下是難以滿足的，所以這里采用了相對(duì)低成本 可靠通用IC 精密帶隙基準(zhǔn)——單片低噪聲斬波穩(wěn)零放大器——24Bits低噪聲ΣΔ ADC來(lái)替代，這樣的既可以減少元件采購(gòu)難度，降低整體成本，最重要的是能得到可靠的性能保證，就是說(shuō)可以根據(jù)DataSheet上標(biāo)明的最差指標(biāo)可以計(jì) 算出系統(tǒng)的整體性能。
放棄高電壓，大電流量程：首先對(duì)這些量程進(jìn)行高精度測(cè)量本身難度就非常高，而且對(duì)系統(tǒng)的輸入選擇、保護(hù)系統(tǒng)提出了很高的要求，元件質(zhì)量要求高，PCB面積占用大，最重要的是要為用戶(hù)人身安全負(fù)責(zé)，為了避免出現(xiàn)安全問(wèn)題所以沒(méi)有設(shè)置危險(xiǎn)的測(cè)量量程。
放棄長(zhǎng)期穩(wěn)定性：要靠數(shù)字多用表本身來(lái)保證長(zhǎng)期穩(wěn)定性意味著整個(gè)系統(tǒng)每個(gè)部分都要有很高的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，基準(zhǔn)要用深埋齊納基準(zhǔn)，分壓電阻要用精密電阻網(wǎng)絡(luò)等 等，成本會(huì)顯著提高，相對(duì)而言購(gòu)買(mǎi)或制作標(biāo)定好的基準(zhǔn)（LYMEX有售）要便宜的多，而且在進(jìn)行對(duì)比測(cè)量時(shí)可以將整體的精度提高到接近外部基準(zhǔn)的水平。
放棄交流測(cè)量:由于沒(méi)有設(shè)計(jì)交流測(cè)量系統(tǒng)的條件,所以沒(méi)有做.
采用手持設(shè)備架構(gòu)：由于現(xiàn)代MCU的集成度非常高,開(kāi)發(fā)工具越來(lái)越簡(jiǎn)便,加之筆者最近在學(xué)習(xí)STM32,所以就做成手持設(shè)備了.
總的講設(shè)計(jì)要素的優(yōu)先關(guān)系如下 低成本〉小巧〉低功耗〉高性能
聲明：
本文涉及的電學(xué)測(cè)量，特別提醒實(shí)驗(yàn)者確保人身安全!
作者完全出于業(yè)余愛(ài)好撰寫(xiě)該文，由于能力有限疏漏乃至錯(cuò)誤在所難免，因此作者不對(duì)該文章(包括附帶的其他資料)的正確性負(fù)責(zé),同時(shí)也不對(duì)因援引該文或使 用附帶資料導(dǎo)致的信譽(yù)損失、商業(yè)利益損失、財(cái)產(chǎn)損失、人身傷亡等(包含上述內(nèi)容,但不見(jiàn)限于上述內(nèi)容)負(fù)任何連帶責(zé)任。
作者完全出于學(xué)習(xí)目的撰寫(xiě)該文, 該項(xiàng)目被視為非商業(yè)性的,作為學(xué)習(xí)模擬技術(shù)/ STM32 的驗(yàn)證平臺(tái)而被創(chuàng)建,因此沒(méi)有義務(wù)回答非技術(shù)問(wèn)題.
出于互聯(lián)網(wǎng)之 free&open 精神，作者將對(duì)項(xiàng)目涉及的硬件,固件,上位機(jī)軟件,開(kāi)發(fā)相關(guān)的心得,技術(shù)參考等會(huì)(等待完善后)開(kāi)源，希望但不要求您在援引該文或使用上述開(kāi)源資料時(shí)提及作者。 功能和指標(biāo):
電源:
3.0V~6V供電可用單節(jié)磷酸鐵鋰(3.2V), 單節(jié)鈷酸鋰(3.7V) , 單節(jié)錳酸鋰(3.6V),三節(jié)堿性電池(4.5V),三節(jié)鎳鎘或鎳氫電池(3.6V),功耗250mW（開(kāi)啟數(shù)據(jù)保存）,2.9V低電壓關(guān)機(jī)（為了保護(hù)鋰 電避免過(guò)放電），軟件電源開(kāi)關(guān)，待機(jī)電流<5uA.
測(cè)量：
1ppm 分辨率 1ppm 噪聲 5ppm 線性度 1ppm溫度系數(shù)。
電流測(cè)量 100mA,10mA,1mA 壓降<0.125V ， 500mA 熔斷器。
電壓測(cè)量100mV , 1V >10G高阻抗輸入， 10V ，100V 9M 低阻抗輸入（新版批量采購(gòu)1.1M的電阻就是標(biāo)準(zhǔn)的10M，后文詳述）。
電阻測(cè)量 100R 1K 10K 100K 1M 采用恒流方式（對(duì)應(yīng)為1mA ,1mA, 100uA,10uA,1uA）開(kāi)路電壓5V，支持4線模式。
溫度測(cè)量 采用PT100傳感器，可處理到 -200攝氏度~850攝氏度，分辨率0.01度。
除溫度測(cè)量外都有25%的超量程測(cè)量（例如1V可測(cè)到1.25V）當(dāng)開(kāi)啟自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換時(shí)連續(xù)三個(gè)測(cè)量讀數(shù)都超量程時(shí)向上換檔，連續(xù)三個(gè)測(cè)量讀數(shù)都欠量程（< 0.11）時(shí)向下?lián)Q檔.
系統(tǒng)和軟件：
支持SD卡數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，導(dǎo)入校準(zhǔn)數(shù)據(jù)，從SD卡更新固件（新版功能）。
支持實(shí)時(shí)時(shí)鐘，可設(shè)置自動(dòng)關(guān)機(jī)，以及定時(shí)喚醒數(shù)據(jù)采集模式。
支持自動(dòng)量程，0位補(bǔ)償，數(shù)字濾波。
帶有簡(jiǎn)單的幫助。 一些測(cè)試視頻
http://v.youku.com/v_show/id_XMjEyMDM1MDI0.html http://v.youku.com/v_show/id_XMjEyMDM1NTg0.html http://v.youku.com/v_show/id_XMjEyMDM2MTI0.html http://v.youku.com/v_show/id_XMjEyMDM0Mzg4.html
設(shè)計(jì)原理：
（更詳細(xì)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)見(jiàn) DIY DMM Reference.doc ，這里只是整體大略介紹下）
電源系統(tǒng)：
電池供電，首先經(jīng)過(guò)有Q71構(gòu)成的反接保護(hù)電路，之后分為兩路，一路經(jīng)HT7130穩(wěn)壓到3.0V供MCU，另一受Q72的控制作為外設(shè)的電源，它連接至兩個(gè)由LT1372構(gòu)成的Boost
升壓器，分別升至15V（供歐姆電流源和OLED偏壓）和5V（供模擬部分）
這里采用HT7130主要是考慮到其且具有極低的靜態(tài)功耗,特別適合為待機(jī)的MCU供電。
DCDC變換器采用LT1372是因?yàn)槠涞统杀荆以撈骷哂蠳FB功能，可以方便的構(gòu)成Cuk 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，組成負(fù)電壓輸出的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器（新版要用到+-15V），雖然由于靜態(tài)功耗較大，在小電流輸出下效率較低，但總體上還是不錯(cuò)的。 MCU 系統(tǒng)：
MCU 采用STM32F103R6T6 （其實(shí)101系列就行，但是市面上沒(méi)有零售）靠?jī)?nèi)部的RC振蕩器工作在20MHz的頻率上（更快沒(méi)實(shí)際意義，且更費(fèi)電），后備電池使用0.22F的超級(jí)電 容，（為了兼容性，又做了個(gè)100uF鉭電容的焊盤(pán)）RTC晶振使用MC-306 6pF 32.768K,注意要接入200K的R66否則容易振壞。
MCU使用5線SWD端口進(jìn)行Flash燒寫(xiě)和調(diào)試。
PA0構(gòu)成軟件電源開(kāi)關(guān)，可以從待機(jī)模式喚醒MCU。
OLED使用串行模式，4X3矩陣鍵盤(pán)，SD卡采用SPI模式。
其他端口用來(lái)控制模擬板。 輸入選擇：
先看電壓-電阻部分
繼電器K1選擇將HI輸入端子直接接入模擬開(kāi)關(guān)或者進(jìn)行分壓。
繼電器K2選擇將歐姆電流源注入HI或者LOW。
上面的兩個(gè)繼電器都使用磁保持型的，避免長(zhǎng)期通電發(fā)熱導(dǎo)致熱電勢(shì)誤差。
HS，LS，以及HI的輸入通過(guò)R01-R06以及R17-R1A D17-D16 組成的保護(hù)電路被限制在+-2.0V，然后加上從 9串：11并的1.1M分壓陣列99：1分壓后的電壓一起進(jìn)入8選一模擬開(kāi)關(guān)。
電流部分先經(jīng)過(guò)500mA熔斷器-全橋的保護(hù)電路，經(jīng)過(guò)繼電器選擇接入100R 10R 或1R的分流電阻，其上的壓降取出后也被送入模擬開(kāi)關(guān)，U01A構(gòu)成的跟隨器將提升二極管橋中點(diǎn)的電位至電流輸入端子電位，從而減小了他們的漏電流。
U01B為測(cè)量系統(tǒng)提供中點(diǎn)參考電位(也就是LOW端子的電位)。
這里需要提下的是分壓電阻采用了50ppm的晶圓電阻構(gòu)成陣列，下面PCB敷銅均溫，從實(shí)際效果看還是非常不錯(cuò)的。
U01由于要求不高所以采用了低成本的MCP6002。
模擬開(kāi)關(guān)原計(jì)劃用MAX328的，但由于貨源原因，用ADG508代替了。 程控放大：
這里采用了AD8629作為主放大器，該器件為低噪聲斬波穩(wěn)零放大器，U20A根據(jù)U27選擇的反饋信號(hào)配置成X1或X10放大器，U20B是一個(gè)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)容性負(fù)載的緩沖器，用以驅(qū)動(dòng)ADC。
同樣的這里的分壓電阻采用了3串：3并構(gòu)成的9:1分壓器，由于要求不高模擬開(kāi)關(guān)采用了采用了高速CMOS的74HC4053 Ref and ADC:
U44是2.5V精密帶隙基準(zhǔn)，采用ADR421B他能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)1uF的容性負(fù)載，最大3ppm/C的溫度系數(shù)，1.5uV pp 0.1~10Hz 噪聲
U43采用24Bit低噪聲ΣΔ ADC LTC2440 可提供接近21Bits的有效位。
U41為低噪聲LDO調(diào)節(jié)器LP2985，為模擬部分提供5V電源。 歐姆電流源：
U31為低偏置電流精密運(yùn)放AD706，其中U31A和Q31起到參考電壓縮放-轉(zhuǎn)移的作用，將2.5V的基準(zhǔn)轉(zhuǎn)換成比標(biāo)準(zhǔn)電阻（RJ31~RJ34）公 共端低1V輸入到U31B的正，模擬開(kāi)關(guān)用于選擇4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電阻（開(kāi)爾文接法），Q32是PJFET受U31B控制保持標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端的電壓為 1V，Q33~Q35 與 D31 組成保護(hù)電路（Q34,Q35實(shí)際為高反壓PNP管2N6520，Q33為低漏電流N-JFET PN1117A）。
DZ1與R30構(gòu)成降壓電路使得U31B的輸出能足夠的正使Q32截止。 外觀介紹:
最上方的是OLED顯示屏,藍(lán)綠色128X32點(diǎn)陣,亮度比較高,在室外強(qiáng)光下也可以看清楚,整體感覺(jué)比較像VFD,
下面是3行4列的鍵盤(pán)陣列,在測(cè)量模式下他們的意義如下
（在幫助模式下顯示的提示，按下對(duì)應(yīng)位置的按鍵就會(huì)有更詳細(xì)的英文說(shuō)明）
VLT OHM AMP TMP
UP AR NUL NEW
LOW DF ZRO STR
VLT 電壓測(cè)量。
OHM 電阻測(cè)量,如果已經(jīng)是電阻測(cè)量模式了再次按下,就是在4線和2線制之間來(lái)回切換。
AMP 電流測(cè)量。
TMP 溫度測(cè)量。
UP 切換到更高的量程,同時(shí)關(guān)閉自動(dòng)量程切換。
AR 切換是否開(kāi)啟自動(dòng)量程轉(zhuǎn)換。
NUL 捕捉當(dāng)前值作為偏置補(bǔ)償。
NEW 備份當(dāng)前的數(shù)據(jù)文件,創(chuàng)建新的數(shù)據(jù)文件作為當(dāng)前文件。
LOW切換到更低的量程,同時(shí)關(guān)閉自動(dòng)量程切換。
DF切換是否開(kāi)啟數(shù)字濾波。
ZRO 將偏置補(bǔ)償置零。
STR 切換是否開(kāi)啟數(shù)據(jù)文件保存。
再下面是
PWD PLED SDLED RST
PWD 電源按鈕,待機(jī)時(shí)按下開(kāi)機(jī),工作時(shí)按下呼出系統(tǒng)菜單(位置對(duì)應(yīng)3行4列的鍵盤(pán)陣列)
Help 1M 30M Time
Off 5M 1H Cal
Auto 10M 2H Ver
這些符號(hào)的意義如下:
Help顯示幫助菜單
Off 關(guān)機(jī)
Auto 切換是否10分鐘自動(dòng)關(guān)機(jī)
Time 設(shè)置系統(tǒng)時(shí)間
（時(shí)間菜單的幫助）
 （時(shí)鐘設(shè)置菜單）
Cal 呼出校準(zhǔn)菜單，關(guān)于校準(zhǔn)內(nèi)容后面會(huì)詳細(xì)介紹
（校準(zhǔn)菜單）
Ver 顯示固件版本號(hào)
1M 5M 10M 30M 1H 2H 進(jìn)入 1分鐘到2小時(shí)間隔的喚醒采樣模式(該模式下按PWD鍵可以退出喚醒采樣模式)
PLED 指示電源良好(工作狀態(tài))
SDLED 指示正在進(jìn)行SD卡的IO操作
RST 為復(fù)位鍵，復(fù)位除系統(tǒng)時(shí)鐘外的所有狀態(tài)
再下面是SD卡座
再下面是輸入端子，水平間距是標(biāo)準(zhǔn)的19.05mm（3/4吋）垂直間距時(shí)12.7mm（1/2吋）
上排兩個(gè)從左到右為 LS端子 ，HS端子
下排三個(gè)從左到右為 AMP端子 ，LOW端子 HI端子 數(shù)據(jù)文件存儲(chǔ)：
當(dāng)用戶(hù)安裝了SD卡后即可將采集的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)其上，當(dāng)前的存儲(chǔ)文件名位為data.csv（可以用Excel直接打開(kāi)，由于是純文本格式notepad也可以直接打開(kāi)，編輯）。
在按下New鍵后data. csv就會(huì)被命名為data_000. csv data_001. csv等等，并且創(chuàng)建一個(gè)新的data. csv用來(lái)保存后續(xù)的數(shù)據(jù)，一般情況下，建議用戶(hù)完成一組測(cè)量后按下先按下Str停止存盤(pán)，選擇新的功能或量程，按下New切換文件，并再次按下Str開(kāi) 啟數(shù)據(jù)保存。
 校準(zhǔn)：
DMM 的ADC采樣后轉(zhuǎn)化成滿量程為+-1.0的值，然后經(jīng)過(guò) y=kx+c;的線性校準(zhǔn)作為輸出的讀數(shù)。在DMM內(nèi)存為每個(gè)量程維護(hù)了一組kc值構(gòu)成一個(gè)校準(zhǔn)表作為當(dāng)前校準(zhǔn)系數(shù)，同時(shí)可以將這個(gè)校準(zhǔn)表燒錄到 Flash中，以便長(zhǎng)期保存（開(kāi)機(jī)默認(rèn)加載Flash的內(nèi)容進(jìn)校準(zhǔn)表）。
校準(zhǔn)菜單中對(duì)應(yīng)如下按鍵
Idty：將校準(zhǔn)表歸一化（c=0，k=1.25）。
Load:從SD卡讀取cal.txt的文件，填充校準(zhǔn)表。
Save：將校準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)回寫(xiě)進(jìn)cal.txt文件。
Write: 將校準(zhǔn)表的數(shù)據(jù)燒寫(xiě)進(jìn)Flash。
Read：加載Flash的內(nèi)容進(jìn)校準(zhǔn)表。
用戶(hù)的校準(zhǔn)過(guò)程是這樣的：
準(zhǔn)備對(duì)應(yīng)量程的標(biāo)準(zhǔn)源。
準(zhǔn)備短路線。
為將待校準(zhǔn)的表安裝SD卡。
將待校準(zhǔn)的表切換到恰當(dāng)量程，喚出校準(zhǔn)菜單，按下Idty，歸一化校準(zhǔn)表。
短路輸入端子，記錄讀數(shù)。（建議開(kāi)啟DF以便獲得穩(wěn)定的度數(shù)）。
將源接入輸入端子，記錄讀數(shù)。（建議開(kāi)啟DF以便獲得穩(wěn)定的度數(shù)）。
將數(shù)據(jù)輸入makecal.exe生成kc值。
修改cal.txt對(duì)應(yīng)量程的kc值。（沒(méi)有的話可以在校準(zhǔn)菜單按下Save生成一個(gè)）
為每一個(gè)量程重復(fù)上述過(guò)程。
重啟DMM，喚出校準(zhǔn)菜單，按下Load，按下Write。
再次重啟DMM。
（校準(zhǔn)文件）
（校準(zhǔn)軟件）
非常好的嘗試，測(cè)試了樣機(jī)，感覺(jué)最突出的特點(diǎn)有：
-----良好的性能，例如短穩(wěn)、噪音，都達(dá)到了相當(dāng)高的水平
-----豐富的功能，比如4線電阻、Pt100測(cè)溫，這主要得益于軟件設(shè)計(jì)
-----具有SD卡接口，這個(gè)非常好，便于獨(dú)自高精度采集
-----成本并不高。 |
[復(fù)制鏈接]
