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標題: 牛人diy高精度六位半數字萬用表(圖文) [打印本頁]

作者: lht200591 時間: 2017-12-10 14:31
標題: 牛人diy高精度六位半數字萬用表(圖文)

自己制作手持高精度六位半數字多用表
索引:制作,手持,六位半,高精度,數字多用表,DIY,6.5Digs ,HandHold,DMM,LTC2440,AD8629,ADR421
概述：

數字多用表是常用的測量儀器，目前市場常見的是3.5（三位半）和4.5 手持表，用于一般測量，另外高端的則是6.5位以上的臺式表，價格較高，用于高精度測量。
隨著電子技術的進步，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計實現方案。
設計思想：
選用成品的通用元件：高端DMM采用以恒溫深埋齊納基準——前端為Dual JFET的混合低噪聲運算放大器——多斜率積分高速高分辨率ADC 為主軸的測量系統，其中每個部分的制作難度都非常高，而且需要昂貴的儀器進行調試、校準，這樣的要求在業余條件下是難以滿足的，所以這里采用了相對低成本可靠通用IC 精密帶隙基準——單片低噪聲斬波穩零放大器——24Bits低噪聲ΣΔ ADC來替代，這樣的既可以減少元件采購難度，降低整體成本，最重要的是能得到可靠的性能保證，就是說可以根據DataSheet上標明的最差指標可以計算出系統的整體性能。
放棄高電壓，大電流量程：首先對這些量程進行高精度測量本身難度就非常高，而且對系統的輸入選擇、保護系統提出了很高的要求，元件質量要求高，PCB面積占用大，最重要的是要為用戶人身安全負責，為了避免出現安全問題所以沒有設置危險的測量量程。
放棄長期穩定性：要靠數字多用表本身來保證長期穩定性意味著整個系統每個部分都要有很高的長期穩定性，基準要用深埋齊納基準，分壓電阻要用精密電阻網絡等等，成本會顯著提高，相對而言購買或制作標定好的基準（LYMEX有售）要便宜的多，而且在進行對比測量時可以將整體的精度提高到接近外部基準的水平。
放棄交流測量:由于沒有設計交流測量系統的條件,所以沒有做.
采用手持設備架構：由于現代MCU的集成度非常高,開發工具越來越簡便,加之筆者最近在學習STM32,所以就做成手持設備了.
總的講設計要素的優先關系如下低成本〉小巧〉低功耗〉高性能

聲明：

本文涉及的電學測量，特別提醒實驗者確保人身安全!

作者完全出于業余愛好撰寫該文，由于能力有限疏漏乃至錯誤在所難免，因此作者不對該文章(包括附帶的其他資料)的正確性負責,同時也不對因援引該文或使用附帶資料導致的信譽損失、商業利益損失、財產損失、人身傷亡等(包含上述內容,但不見限于上述內容)負任何連帶責任。
作者完全出于學習目的撰寫該文, 該項目被視為非商業性的,作為學習模擬技術/ STM32 的驗證平臺而被創建,因此沒有義務回答非技術問題.
出于互聯網之 free&open 精神，作者將對項目涉及的硬件,固件,上位機軟件,開發相關的心得,技術參考等會(等待完善后)開源，希望但不要求您在援引該文或使用上述開源資料時提及作者。

功能和指標:

電源:
3.0V~6V供電可用單節磷酸鐵鋰(3.2V), 單節鈷酸鋰(3.7V) , 單節錳酸鋰(3.6V),三節堿性電池(4.5V),三節鎳鎘或鎳氫電池(3.6V),功耗250mW（開啟數據保存）,2.9V低電壓關機（為了保護鋰電避免過放電），軟件電源開關，待機電流<5uA.

測量：
1ppm 分辨率 1ppm 噪聲 5ppm 線性度 1ppm溫度系數。
電流測量 100mA,10mA,1mA 壓降<0.125V ， 500mA 熔斷器。
電壓測量100mV , 1V >10G高阻抗輸入， 10V ，100V 9M 低阻抗輸入（新版批量采購1.1M的電阻就是標準的10M，后文詳述）。
電阻測量 100R 1K 10K 100K 1M 采用恒流方式（對應為1mA ,1mA, 100uA,10uA,1uA）開路電壓5V，支持4線模式。
溫度測量采用PT100傳感器，可處理到 -200攝氏度~850攝氏度，分辨率0.01度。
除溫度測量外都有25%的超量程測量（例如1V可測到1.25V）當開啟自動量程轉換時連續三個測量讀數都超量程時向上換檔，連續三個測量讀數都欠量程（< 0.11）時向下換檔.

系統和軟件：
支持SD卡數據存儲，導入校準數據，從SD卡更新固件（新版功能）。
支持實時時鐘，可設置自動關機，以及定時喚醒數據采集模式。
支持自動量程，0位補償，數字濾波。
帶有簡單的幫助。

一些測試視頻

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

設計原理：
（更詳細的設計基礎見 DIY DMM Reference.doc ，這里只是整體大略介紹下）
電源系統：

電池供電，首先經過有Q71構成的反接保護電路，之后分為兩路，一路經HT7130穩壓到3.0V供MCU，另一受Q72的控制作為外設的電源，它連接至兩個由LT1372構成的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功耗,特別適合為待機的MCU供電。
DCDC變換器采用LT1372是因為其低成本，且該器件具有NFB功能，可以方便的構成Cuk 拓撲結構，組成負電壓輸出的開關調節器（新版要用到+-15V），雖然由于靜態功耗較大，在小電流輸出下效率較低，但總體上還是不錯的。

MCU 系統：

MCU 采用STM32F103R6T6 （其實101系列就行，但是市面上沒有零售）靠內部的RC振蕩器工作在20MHz的頻率上（更快沒實際意義，且更費電），后備電池使用0.22F的超級電容，（為了兼容性，又做了個100uF鉭電容的焊盤）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端口進行Flash燒寫和調試。
PA0構成軟件電源開關，可以從待機模式喚醒MCU。
OLED使用串行模式，4X3矩陣鍵盤，SD卡采用SPI模式。
其他端口用來控制模擬板。

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關或者進行分壓。
繼電器K2選擇將歐姆電流源注入HI或者LOW。
上面的兩個繼電器都使用磁保持型的，避免長期通電發熱導致熱電勢誤差。
HS，LS，以及HI的輸入通過R01-R06以及R17-R1A D17-D16 組成的保護電路被限制在+-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入8選一模擬開關。
電流部分先經過500mA熔斷器-全橋的保護電路，經過繼電器選擇接入100R 10R 或1R的分流電阻，其上的壓降取出后也被送入模擬開關，U01A構成的跟隨器將提升二極管橋中點的電位至電流輸入端子電位，從而減小了他們的漏電流。
U01B為測量系統提供中點參考電位(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的晶圓電阻構成陣列，下面PCB敷銅均溫，從實際效果看還是非常不錯的。
U01由于要求不高所以采用了低成本的MCP6002。
模擬開關原計劃用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零放大器，U20A根據U27選擇的反饋信號配置成X1或X10放大器，U20B是一個驅動驅動容性負載的緩沖器，用以驅動ADC。
同樣的這里的分壓電阻采用了3串：3并構成的9:1分壓器，由于要求不高模擬開關采用了采用了高速CMOS的74HC4053

Ref and ADC:

U44是2.5V精密帶隙基準，采用ADR421B他能穩定地驅動1uF的容性負載，最大3ppm/C的溫度系數，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調節器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放AD706，其中U31A和Q31起到參考電壓縮放-轉移的作用，將2.5V的基準轉換成比標準電阻（RJ31~RJ34）公共端低1V輸入到U31B的正，模擬開關用于選擇4個標準電阻（開爾文接法），Q32是PJFET受U31B控制保持標準電阻兩端的電壓為 1V，Q33~Q35 與 D31 組成保護電路（Q34,Q35實際為高反壓PNP管2N6520，Q33為低漏電流N-JFET PN1117A）。
DZ1與R30構成降壓電路使得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,藍綠色128X32點陣,亮度比較高,在室外強光下也可以看清楚,整體感覺比較像VFD,
下面是3行4列的鍵盤陣列,在測量模式下他們的意義如下

（在幫助模式下顯示的提示，按下對應位置的按鍵就會有更詳細的英文說明）

VLT OHM  AMP TMP
      UP AR NUL NEW
      LOW  DF ZRO STR
VLT 電壓測量。
OHM 電阻測量,如果已經是電阻測量模式了再次按下,就是在4線和2線制之間來回切換。
AMP 電流測量。
TMP 溫度測量。
UP 切換到更高的量程,同時關閉自動量程切換。
AR 切換是否開啟自動量程轉換。
NUL 捕捉當前值作為偏置補償。
NEW 備份當前的數據文件,創建新的數據文件作為當前文件。
LOW切換到更低的量程,同時關閉自動量程切換。
DF切換是否開啟數字濾波。
ZRO 將偏置補償置零。
STR  切換是否開啟數據文件保存。
再下面是
PWD    PLED    SDLED    RST
PWD 電源按鈕,待機時按下開機,工作時按下呼出系統菜單(位置對應3行4列的鍵盤陣列)

Help    1M       30M       Time
Off       5M       1H       Cal
Auto 10M       2H       Ver
這些符號的意義如下:
Help顯示幫助菜單
Off 關機
Auto 切換是否10分鐘自動關機
Time 設置系統時間

（時間菜單的幫助）

（時鐘設置菜單）
Cal 呼出校準菜單，關于校準內容后面會詳細介紹

（校準菜單）
Ver 顯示固件版本號

1M 5M 10M 30M 1H 2H 進入 1分鐘到2小時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)
SDLED 指示正在進行SD卡的IO操作
RST 為復位鍵，復位除系統時鐘外的所有狀態
再下面是SD卡座

再下面是輸入端子，水平間距是標準的19.05mm（3/4吋）垂直間距時12.7mm（1/2吋）
上排兩個從左到右為 LS端子，HS端子
下排三個從左到右為 AMP端子，LOW端子 HI端子

數據文件存儲：

當用戶安裝了SD卡后即可將采集的數據存儲其上，當前的存儲文件名位為data.csv（可以用Excel直接打開，由于是純文本格式notepad也可以直接打開，編輯）。
在按下New鍵后data. csv就會被命名為data_000. csv data_001. csv等等，并且創建一個新的data. csv用來保存后續的數據，一般情況下，建議用戶完成一組測量后按下先按下Str停止存盤，選擇新的功能或量程，按下New切換文件，并再次按下Str開啟數據保存。

校準：
DMM 的ADC采樣后轉化成滿量程為+-1.0的值，然后經過 y=kx+c;的線性校準作為輸出的讀數。在DMM內存為每個量程維護了一組kc值構成一個校準表作為當前校準系數，同時可以將這個校準表燒錄到 Flash中，以便長期保存（開機默認加載Flash的內容進校準表）。
校準菜單中對應如下按鍵
Idty：將校準表歸一化（c=0，k=1.25）。
Load:從SD卡讀取cal.txt的文件，填充校準表。
Save：將校準表的數據回寫進cal.txt文件。
Write: 將校準表的數據燒寫進Flash。
Read：加載Flash的內容進校準表。
用戶的校準過程是這樣的：
準備對應量程的標準源。
準備短路線。
為將待校準的表安裝SD卡。
將待校準的表切換到恰當量程，喚出校準菜單，按下Idty，歸一化校準表。
短路輸入端子，記錄讀數。（建議開啟DF以便獲得穩定的度數）。
將源接入輸入端子，記錄讀數。（建議開啟DF以便獲得穩定的度數）。
將數據輸入makecal.exe生成kc值。
修改cal.txt對應量程的kc值。（沒有的話可以在校準菜單按下Save生成一個）
為每一個量程重復上述過程。
重啟DMM，喚出校準菜單，按下Load，按下Write。
再次重啟DMM。

（校準文件）

（校準軟件）

非常好的嘗試，測試了樣機，感覺最突出的特點有：
-----良好的性能，例如短穩、噪音，都達到了相當高的水平
-----豐富的功能，比如4線電阻、Pt100測溫，這主要得益于軟件設計
-----具有SD卡接口，這個非常好，便于獨自高精度采集
-----成本并不高。

作者: nsj21n 時間: 2017-12-12 08:22
沙發，真的非常好，我先頂了

作者: zddnet 時間: 2017-12-21 20:38
扣了黑幣，出錯了下載不了。

作者: zddnet 時間: 2017-12-21 20:47
尋求已久的好文章，感謝分享。

作者: Su_xin 時間: 2018-2-2 22:02
好文章，感謝分享

作者: yys1990 時間: 2018-3-16 17:10
謝謝分享！看著很不錯

作者: ziyueboy 時間: 2018-3-16 19:00
這個不錯，臺表的基準，技術牛人

作者: GUOXUAN 時間: 2018-4-17 11:37
老師作品強大,感謝老師貢獻!
測量顯示是6位半是對的,但是真實值可能是4位半,我看了安捷倫的 34401型6位半表(1992年面世),很多參數~,這個電源供電,信號處理沒屏蔽,沒有進行EC,MC處理的電路,真實值不可能是6位半,只是顯示6位半而已.

作者: maker1234 時間: 2018-5-14 07:53
感謝分享!

作者: 網易音樂 時間: 2018-6-20 11:13
謝謝老師

作者: tt2233 時間: 2018-6-20 11:46
真厲害,六位半的數字做出來了

作者: 永恒耕耘 時間: 2018-7-23 15:15
學習學習

作者: 永恒耕耘 時間: 2018-7-23 15:17
學習學習

作者: wwdragonfly 時間: 2018-8-4 21:14
好文章，感謝分享。

作者: jcsasm 時間: 2018-9-18 15:12
謝謝謝謝，好文章，感謝分享

作者: 水陸草木之花 時間: 2018-10-9 15:53
參考學習啦，感謝樓主分享。

作者: 晚楓 時間: 2018-10-21 22:04
牛人啊，真的可以做到6位半？

作者: 晚楓 時間: 2018-10-21 22:06
怎么厲害啊，6位半。

作者: Qsansakura 時間: 2018-11-4 16:28
怎么要這么多黑筆啊

作者: xlyuan 時間: 2018-11-15 16:05
很好，學習了

作者: tq3101955 時間: 2018-11-16 15:27

很好，學習了

作者: xlyuan 時間: 2018-11-23 11:32
你好，可以給個高清圖嗎？

作者: lb688 時間: 2018-11-23 15:59
樓主厲害。

作者: qwtjhtjh 時間: 2018-12-5 20:42
學習學習感謝樓主分享!

作者: 杰夫卡 時間: 2018-12-23 11:13
好厲害！！！也想做一個，但是手把不行啊！！！！

作者: 電子手 時間: 2019-1-2 10:13
不錯不錯，中國大有希望

作者: lls5201 時間: 2019-1-5 08:56
看起來不錯，可以參考一下

作者: lls5201 時間: 2019-1-5 09:13
這個很不錯

作者: 2006hds 時間: 2019-1-6 11:13
長見識了

作者: 586486 時間: 2019-1-6 20:15
非常值得學習，謝謝分享。

作者: mq5571 時間: 2019-1-9 16:45
非常好的資料

作者: 無name小卒 時間: 2019-1-11 11:31
好牛逼

作者: 無name小卒 時間: 2019-1-11 13:43
有詳細的原理圖嗎

作者: wsytjwps 時間: 2019-1-11 19:40
厲害！自己做個試試~

作者: 祝云章 時間: 2019-1-19 13:18
謝謝分享！

作者: 15172255457 時間: 2019-3-1 13:46
感謝樓主分享，學習下

作者: 艱難018jin 時間: 2019-3-28 12:59
真的非常好，我先頂了

作者: humingwei 時間: 2019-4-8 14:40
牛人。這是我見過的第一個單片機六位半

作者: 508612189 時間: 2019-4-23 11:49
很厲害，能做出這么高精度，看視頻穩定度也很好。

作者: shancjb 時間: 2019-5-17 04:50
下載資料怎么還要那么多的黑幣呀？

作者: shancjb 時間: 2019-5-21 01:28
終于下載了，真好謝謝了！

作者: ystz001 時間: 2019-5-27 11:15
好文章，感謝分享可惜黑幣不夠

作者: li96261 時間: 2019-6-7 21:42
學習學習!!謝謝分享！！

作者: yy800119 時間: 2019-6-12 15:50
看完了說明，有時間可以嘗試制作一個

作者: 撼地神牛雨 時間: 2019-6-12 22:18
非常強大，值得學習

作者: yyhhgg 時間: 2019-6-27 18:52
有做好的成品沒有，自己做就算了，

作者: xiaod1122 時間: 2019-7-1 15:10
感謝樓主分享，學習一下

作者: wps10025 時間: 2019-7-6 10:50
真是牛人，感覺這可以進一步優化

作者: luoyua 時間: 2019-7-28 11:06
尋求已久的好文章，感謝分享。

作者: lqb7733 時間: 2019-8-1 11:25
這個不錯！！！！！！！！！！！！

作者: m182892 時間: 2019-8-5 18:37
下載了，謝謝分享，如果放程序出來更好。

作者: 遷就 時間: 2019-8-5 20:00
謝謝大神分享

作者: bogejiayou 時間: 2019-9-11 17:08
這個東西佩服，厲害了，就是不知道自己制做一套下來成本多少？

作者: zaqxswedc 時間: 2019-9-25 17:39
有沒有完整的原理圖

作者: 51小智慧 時間: 2019-10-16 15:46
不管墳不墳先挖為敬

作者: sZhou 時間: 2019-10-16 21:56
對于長效電池供電系統的開發很有用

作者: quhong0411 時間: 2019-10-26 10:57
做的真好。感謝分享。

作者: 15892651635 時間: 2019-10-29 11:52
感謝分享

作者: iou2183 時間: 2019-11-1 13:01

xlyuan 發表于 2018-11-15 16:05
很好，學習了

好東西要學習

作者: 1481714970 時間: 2019-11-3 20:10
太贊了

作者: 1481714970 時間: 2019-11-3 20:11
感謝樓主太強了優點多

作者: zjqzwangdong 時間: 2019-11-6 07:50
厲害，只能觀摩的份，太難

作者: 魚娃娃 時間: 2019-11-6 09:29
這個挺好看的，網上有套件買么

作者: ymxfx520 時間: 2019-11-17 19:30
感謝樓主分享，學習下

作者: czheizc 時間: 2019-11-26 16:24
真是大神級的作品呀

作者: huangye-008 時間: 2019-11-30 22:45
收藏！！謝謝分享！這個6666！

作者: liuguonianhua 時間: 2019-12-17 17:23
想問樓主，能測量多大范圍頻寬的電壓？

作者: kmdyc 時間: 2020-1-4 13:39
這個不錯~收藏下

作者: 盛世游龍 時間: 2020-1-6 19:40
下載了也沒啥用，里面內容和外面一樣。

作者: ox000008 時間: 2020-1-17 10:21
打包就一個word文檔

作者: hu12138 時間: 2020-1-17 17:27
打包了一個WPRD文檔？？？

作者: virtuestrong 時間: 2020-2-3 20:16
技術牛人

作者: yhgwork 時間: 2020-2-4 12:14
不錯的DIY萬用表

作者: ZRJ8951 時間: 2020-2-10 12:41
牛人diy高精度六位半數字萬用表
值得學習.我也想做個高精度數字表.

作者: cdong58 時間: 2020-2-10 21:23
謝謝分享，下來學習學習

作者: a321456 時間: 2020-2-15 09:20
學習學習，可以用的調試設備中

作者: tian_000 時間: 2020-3-1 15:05

a321456 發表于 2020-2-15 09:20
學習學習，可以用的調試設備中

已經做成了？結果怎樣，能曬曬么？

作者: qfg138 時間: 2020-3-5 19:00
有詳細資料就好了

作者: 太陽的心 時間: 2020-3-6 08:38
非常好，電子愛好者都希望有一塊好表，要是能自己做一塊好表更好

作者: zhoulehui 時間: 2020-3-6 10:32
真的非常好，學習

作者: yuri_su 時間: 2020-4-16 17:41
應該算是6位半的分辨率,很高了

作者: 2372991500 時間: 2020-4-28 16:28
DIY的萬用表，能不能發個程序給我啊，多謝大佬了

作者: ltachi 時間: 2020-4-29 10:38
牛～學習學習

作者: 534354201hgyu 時間: 2020-4-29 16:36
牛人。這是我見過的第一個單片機六位半

作者: zv1185 時間: 2020-4-30 08:05
有套件沒有買來試裝玩玩。

作者: jwh520 時間: 2020-5-15 11:46
很不錯，值得學習

作者: yupoli 時間: 2020-6-5 12:10
高人實在大厲害了

作者: 清風一醉 時間: 2020-9-29 18:57
技術大咖

作者: 13473156912 時間: 2020-10-16 16:52
感謝樓主共享資料！學習了

作者: cencankun 時間: 2020-11-22 20:52
有套件嗎

作者: mouse_ox 時間: 2021-2-28 10:15
好文章，感謝分享

作者: yygdzjs 時間: 2021-8-13 06:54
還是挺不錯，產品是硬件與軟件結合。只能參考一下硬件。謝謝！

作者: calvin-kim 時間: 2021-9-24 15:29
感謝樓主，無私奉獻。我下載學習下。

作者: 龍小白 時間: 2022-9-16 14:20
沒有程序，可惜了

作者: 無人深空 時間: 2024-3-31 18:15
怎么沒看到可以下載的文件呢？

作者: jnlylrabbit 時間: 2024-4-17 12:07
好文章，感謝分享

作者: 流浪的魚 時間: 2024-5-26 14:49
很好的電路，

歡迎光臨 (http://m.zg4o1577.cn/bbs/)