200元成本做六位半之心得分享

只看该作者 · 2020-9-17 09:38

一、前言
200元成本做六位半，好像是一种不可思议的事情。但是随着24位ADC的价格不断下降，实现六位半分辨率已经变得非常平民化了。只要放弃长期稳定性的要求，200元完全可以做出一台完整的六位半电压、电流表。
在开始实施前，先解释一下六位半的概念。六位半指的是分辨率达到100万以上，一般都是作为高档表出现的，与之相匹配的就是较高的绝对精度，主要就是长稳特性。但要实现长稳，必须采用LM399以上的电压基准，金属箔电阻等昂贵且不易购买的器件，所以低成本必须放弃长稳。
放弃了绝对精度后，高分辨率还有没有意义呢？我觉得是有的。比如有时候需要测试一个uV级或者uA级的小信号，比较两个信号的大小，或者观察一个信号短时间的变化情况等等，这些只要高分辨率就可以了,不需要太高的绝对精度。所以就有了决心去做这样一个产品。
由于本人水平和精力有限，**肯定会存在疏漏、不全面甚至错误，本人不对由此**的内容引起的直接的、间接的损害承担责任，不提供任何技术指导。

二、设计目标
1、设计一个六位半分辨率的台式电压电流表
2、全部采用容易购买的全新器件，BOM成本控制在200元以内
3、出色的短稳性能，噪声低于百万分之一，整体温漂5ppm/℃（典型值）
4、希望年漂移控制在300ppm以下（是德34461A的基础档年漂移为30ppm）
5、电压档可以测试24V分辨到10uV，测量3.3V电压分辨到1uV
6、电流档可以测试300mA分辨到100nA，30mA分辨到10nA
7、配备有通讯接口，可以连接上位机显示波形、采集并导出数据
8、有外壳、面贴等可以作为一个完整的产品

只看该作者 · 2020-9-17 09:39

三、关键器件选型
1、ADC选型
ADC准备选用24bit∑-∆型ADC，候选有TI的ADS1232、ADI的AD7192主要技术指标如下：

型号	峰峰值分辨率@10Hz	采样速率（次/秒）	积分非线性（典型值）	信号输入电流	增益漂移（典型值）	价格 @10片
ADS1232	21.4bit	10~80	2ppm	3~6nA典型值	2.5ppm/℃	12.94元
AD7192	21.5bit	5~4800	2ppm	2~3nA最大值	1ppm/℃	28.51元

一开始选择的是ADS1232，主要原因是价格比较低，看着性能也不差。
实际测试发现信号输入电流，对电压通道影响非常大。因为电压通道的分压电阻是MΩ级别的，信号输入电流会产生比较大的影响，非线性和噪声超标。
ADS1232给的是差分输入电流的典型值而AD7192给的绝对输入电流的最大值，没法直接对比。通过实测AD7192比ADS1232好一个数量级以上。所以最终就选择了AD7192。
选择了AD7192，其他性能也更好，特别是他有更高的采样速率，拓宽了产品的应用场合，也算是值这个价钱了。

2、基准选型
AD7192要求基准电压小于5V，LM399、LTZ1000这种长稳型的电压基准都是输出7V的，还要配长稳的分压电阻，这一套下来就要200元以上了，所以只能排除在外了。剩下的就是TI的REF5045，ADI的ADR4540、ADR423。主要技术指标如下：

型号	温漂 (典型值）	温漂 (最大值）	长期漂移	噪声	基准电压	价格 @10片
REF5040	3ppm/℃	8ppm/℃	45ppm@第二个1000小时	3 μVPP/V	4.096V	11.4元
ADR4540	无指标	8ppm/℃	25ppm@第一个1000小时	2.7 μVpp	4.096V	46.2元
ADR423	3ppm/℃	10ppm/℃	50ppm@第一个1000小时	2 μVpp	3V	26.03元

基准的取舍最难了，ADR4540性能最好，一般认为第一个1000小时的漂移是第二个1000小时的3倍，那么REF5040差不多是135ppm@第一个1000小时。这样看在长稳特性上，ADR4540比REF5040要好5倍以上。
但是ADR4540价格非常高，而且不容易购买，所以这次就选择了REF5040。好在REF5040和ADR4540完全兼容，用户可以根据需要进行选配。
补充一点：系统的长期稳定性，取决于多个方面，如采样电阻、放大器的放大倍数、ADC等都会有影响。由于这些器件的长期稳定性没有那么高，所以更换ADR4540后系统的长期稳定性相比于REF5040提高不了5倍。

3、采样电阻选型
采样电阻分两种：一种是电流采样电阻、另一种是电压分压电阻。能方便买到的主要有2种选择：EE系列金属膜电阻器、RJ711系列金属箔电阻。主要技术指标如下：

型号	温漂	长期漂移	最大阻值	最大功率	价格 @10片
EE系列	5ppm/℃	无指标（估计在200ppm/年左右）	1.5MΩ	1W	约5元
RJ711	5ppm/℃	50ppm/年	800kΩ	1W（定制）	约35元

RJ711有长期稳定性指标，但是没有大阻值，所以不适合用于电压通道的分压电阻。大阻值的长稳分压电阻只能买到“1776-c6815网络分压电阻”，但是价格要150元，而且不易采购，只能放弃了。
考虑到我们的长稳目标是300ppm/年，所以我们电压通道的分压电阻和电流通道的采样电阻，都选用了EE系列金属膜电阻。它的长稳参数也和上面选的REF5040的基准相互配套，不浪费。
顺便说一下，经过实测EE系列的精密电阻的长期稳定性要稍要好于REF5040，所以更换基准能够稍微提升一下系统的长期稳定性。

4、其他器件的选型
理论上说上面三个器件选择好了，就能做出六位半分辨率的电压电流表了。其他器件可以按自己熟悉的选择性价比合适的。
根据本人的喜好，MCU选择了瑞萨的R7F0C902，感觉抗干扰能力比较出色且不易**。显示采用了HT16K33和2×4位LED数码管。为了保证精度使用了线性电源。
可能有的读者会奇怪为什么没有放大电路的选型。那是因为AD7192内部的“赠送”的PGA已经完全可以满足需求了，可以省去外部放大电路，降低了成本和系统的复杂性。

只看该作者 · 2020-9-17 09:39

本帖最后由 ehengio 于 2020-9-17 09:44 编辑

四、模拟部分原理图

系统采用5V单电源，通过U1（OP07）组成的跟随器产生2.5V的模拟零。
电压通道使用三个EE0.1的精密电阻（PR2、PR8、PR3）分压，通过继电器切换分压倍数，1.72M/3.22M用于测试4V量程的信号，0.22M/3.22M用于测试30V量程的信号。
电流通道，采用一个1Ω的EE0.5的精密电阻（PR1）采样，300mA档和30mA档不切换电阻，使用ADC内部的PGA来调整。
利用了AD7192的多通道，电压和电流分别使用不同的通道，省略了通道切换电路。
关于保护电路，因为成本的关系做了简化。电压通道因为输入阻抗非常高，天生就可以承受比较高的电压，接到220VAC不会损坏，不需要额外的保护电路。电流通道只加了一个320mA的快熔型保险丝，用于过流保护。为了安全，本产品不能用于测量高于36V的系统，以免发生人身伤害。

五、通讯接口
通讯接口是六位半对外的窗口，所以本产品花了二十几元的成本，做了一个带隔离的RS232串口（可选配RS485），采用Modbus-RTU协议。
通过这个串口，就可以连接电脑、PLC、组态屏等，组成自己的测量系统。我们还开发了一个示波器软件《EH-ME PC Tool》（见下图），显示测量波形，采集并导出测量数据（EXCEL格式），扩展了产品的应用范围。

只看该作者 · 2020-9-17 09:40

本帖最后由 ehengio 于 2020-9-17 09:47 编辑

六、主要参数

档位	分辨率	初始精度（%+%）	温漂（%+%/℃）	输入阻抗	转换速率
30.00000VDC	10uV	0.01+0.005	0.001+0.001	3.2MΩ	5~600次/秒
4.000000VDC	1uV	0.01+0.005	0.001+0.001	3.2MΩ	5~600次/秒
300.0000mADC	100nA	0.05+0.005	0.001+0.001	1Ω	5~600次/秒
30.00000mADC	10nA	0.02+0.005	0.001+0.001	1Ω	5~600次/秒

七、效果演示视频

30V档测量_1.zip (4.51 MB)

4V档测量_1.zip (9.71 MB)

300mA档测量_2.zip (8.94 MB)

30mA档测量_1.zip (8.01 MB)

只看该作者 · 2020-9-17 09:41

占位待编辑

只看该作者 · 2020-9-17 10:19

牛13.

1万 · 2020-9-17 11:12

本帖最后由 zyj9490 于 2020-9-17 11:14 编辑

没有意义，没有从糸统层面考量，一味地从分辨率提升不足取，要从精度入手，3个标准差的置信度去评估仪器的精度。输出数据速率与精度有关。

1万 · 2020-9-17 11:45

适合自己的就是最好的，如果是做成产品卖，只要说清楚指标，价格合理的话，也无妨啊。

只看该作者 · 2020-9-17 13:48

zyj9490 发表于 2020-9-17 11:12
没有意义，没有从糸统层面考量，一味地从分辨率提升不足取，要从精度入手，3个标准差的置信度去评估仪器的 ...

你好，首先感谢关注。怎么说呢，还是要看使用的场景。
我在主楼前言里也说了，如果要得到较高的绝对精度，主要就是长稳特性。但要实现长稳，必须采用LM399以上的电压基准，金属箔电阻等昂贵且不易购买的器件，所以低成本必须放弃长稳。
放弃了绝对精度后，高分辨率还有没有意义呢？我觉得是有的。比如有时候需要测试一个uV级或者uA级的小信号，比较两个信号的大小，或者观察一个信号短时间的变化情况等等，这些只要高分辨率就可以了,不需要太高的绝对精度。