（续）玩具级高位万用表 DIY 之误差分析与测试（更新至信号调理，第 11 楼）
本帖最后由 washu 于 2013-5-28 20:20 编辑更新至信号调理，第 11 楼
本帖是我去年底：http://www.crystalradio.cn/thread-346347-1-1.html
“一步一步试探：玩具级 6 位半万用表 DIY 探讨@只有分辨率的 6 位半是可以的吗？ ”
的第一个后续，主要是：
1、常见万用表的 ADC 类型与特征
2、常见万用表的输入调理电路<<< 已更新此部分，在第 11、12 楼
3、由 1 和 2 分析万用表电路产生的误差
4、将去年底那个 DIY 的 6.5 位玩具“万用表”进行有限的测试
5、总结上述内容
我会一点一点完成这个帖子，但可能不是按照上述顺序，并且也可能做出一些修改。
此外还有第 6：根据坛友在我那个帖子中的反响，是否有必要普及：
1、以某些廉价 Sigma-Delta ADC 为核心的高位（一定程度免校准）表头？
2、以 1 为核心的“玩具万用表”DIY？
jdsuchen 发表于 2015-3-8 11:02 static/image/common/back.gif
实在受不了万用表里面的可调电位器和高精度分压电阻，想参考楼主的电路自己弄个4位半的多量程的电压表，
支 ...
输入保护是万用表模型到商品万用表（具有实用价值的万用表）之间很大的一个阶梯，所以我本来是打算专门做一个章节的，但因为我本来业余时间就不多，这个又是优先级很低的项目，所以一直没写 :L
如果是高位表，输入保护部分要求很特殊（要求对测试的影响小到不影响分辨率），但低位表的输入保护可以轻松一些，上面我那个图可以这样分析，
1、基本量程和微小电压量程下，开关 SW1 闭合（严格说其实应该还有一个 SW2 断开 Rin 但在模型中懒得画了），此时输入电压经过保护电阻 Rs（100K）直接进入 ADC 或前置放大器（输入前端在此示意图中没有画），是不经过 Rin（10 兆）的，所以如果误接高电压，那么 Rs 后面必须有保护，假设我们设计的最高输入电压为 1000V，那么在 100K 电阻上产生电流高达 10mA，这个电流会：
a、通过运放或 ADC 的输入钳位二极管倒灌到 Vcc
b、如果没有 a 可能直接损坏器件，或者内部输入钳位二极管不足以流过 10mA 电流而损坏*
*我因类似原因弄坏过数片 LTC2400，该输入钳位二极管损坏后输入偏流将变大，但依然可以正确工作
因此，必须针对性做出解决方案，
a、倒灌的电流会抬升 Vcc 电压，因此必须予以吸收：
1)、在运放或 ADC 的 Vcc 引脚接一个稳压二极管，齐纳击穿电压略高于 Vcc，使得遇到倒灌的时候可以吸收倒灌电流防止 Vcc 过高损坏器件
2)、在 Vcc 的稳压器上反接一个二极管到电源，让倒灌的电流有电源予以吸收
从 HP 的台式万用表上看，这两种方法均有采用，保护很严格。
b、自己加输入钳位二极管，使得 b = a 再用 a 的后续解决方案。输入钳位二极管要求漏电流极小，HP 台式万用表中使用一些低漏电流的三极管或结型场效应管的 PN 结代替二极管以满足要求。
2、解决问题 1 之后，那么在高电压量程下，输入电压经过了 Rin（10 兆），假设最大输入电压为 1000V，此时模拟开关处于 1V 量程下（1.111M），总输入电流为 1000V/11.111M= 90uA，当然此时 R1 上的电压高达百伏，将击穿模拟开关内部的输入钳位二极管（实际上不一定具有这个二极管，而是集成电路工艺在构成模拟开关内部的场效应管上产生了这个二极管），所以最后还是可以认为输入电流为大概 100uA，那么 100uA 的电流，对这种体二极管来说问题是不大的，只需要具有 1 的吸收能力就可以解决了。
这里先扯一下，一些坛友对分辩率较高，校准和使用容易的表头是有兴趣的，以 ICL7135 为核心的表头，以及以 7129 为核心的表头，在坛里也是经常被提起的话题。但是前者（需要的部分元件）体积较大，后者需要特定 LCD 屏，使用上都不是很方便。随着 IC 产业的发展，现在一些高位 Sigma-Delta ADC IC 已经很廉价，那么是否可以用它们来构成一个高分辨率、高准确度表头呢？
我认为是可以的，并且在业余 DIY 条件下，通过一些方式，可以以较低成本获得较高准确度，甚至一定程度上实现免校准，这是有很大意义的，业余 DIY 受限于坛友各自条件，很多人未必有校准条件。
我在淘宝上买了几片廉价的 ADS1232 型 ADC（大约 12 元一片），并买了几片拆机的电压基准 AD586（2 元一片），做了 6 个表头进行测试（实际上就是一个 6 路相互电气上隔离的多路电压表），发现依靠拆机电压基准 AD586 自身的准确度，起码能实现 4 位半的免校准指标。
下面是我的辅助上位机程序上的校准数据，校准数据从一个侧面反映了未校准情况下的准确度，可见在 4 位半分辨率下，也只是末位几个字的误差而已，对于 4 位半来说这个指标是合格的（3 位半完全一个字不差）。而如果有条件校准，实现 5 位半准确度也不是问题。
相对于使用 ICL7135，ADS1232 具有体积非常小、分辨率非常高、使用简便等优点，而且价格上，两者可以说也是相当的，考虑到要实现 7135 的线性度需要的优秀积分电容，1232 在体积和简单程度上占了很大优势。但是它也是有缺点的，毕竟它不是为万用表设计的 ADC，自身无法驱动显示器（实际上 7135 也需要译码器和驱动器才能在 LED 数码管上显示结果），需要一个单片机操作它。其次，它的输入阻抗可能令人不满意，这些我会在后面陆续解释。
又看到这套精美的设备了。{:2_42:} :lol这个要顶，尽快出套件啊。 这个要顶，继续等下文. 要顶，尽快出套件等下文! 想要楼主的模拟电阻仪:lol DIY乐趣无穷，所以什么都不怕。 恩，，，，就是diy精神 支持DIY:victory: 本帖最后由 washu 于 2013-5-28 19:54 编辑
第二章 常见万用表的输入调理电路
第一节 电压信号调理电路
从第一章中我们知道，万用表常用的 ADC 其基本输入电压范围，手持表通常是 （正负）0.2V 或者 2V（以 2000 字满度计算，4000 字满度则为 0.4V 或 4V），台式万用表通常是 （正负）12V。为了测量更宽范围的电压，需要对输入电压信号进行调理，使其在 ADC 输入基本电压范围内且尽可能利用 ADC 的动态范围。
和手持表不同，台表的 ADC 输入基本电压范围在（正负）12V，因此如果要设置 1V 或 0.1V 量程，为尽可能利用 ADC 的动态范围，提高分辨率，需要对输入信号进行放大。而本身电压输入的范围在 200mV 的手持表 ADC 一般没有这个前置放大器。下面用典型的台表 34401A 输入前置放大器作为例子：
这个放大器左大半部分用于获得一个低噪声高输入阻抗的输入缓冲器，它的作用后面误差分析的时候会提到；右部分紫色圈中就是这里提到对输入小信号进行放大的程控放大器：通过切换模拟开关，选择电压增益 =1、10 或 100，从而给基本电压输入范围为 （正负）12V 的台表 ADC 提供 1V 或 0.1V 量程。下面把它单独提取出来：
在解决上述问题之后，下一个问题就是更高的电压怎么办，一般来说这个问题都是用分压电阻解决的。通常的，手动挡手持表的输入电压调理电路（仅衰减）如下，输入电压经过 1K、9K、90K、900K、9M 的一串电阻构成的 1/10、1/100、1/1000、1/10000 分压器，从 100mV 基本量程扩展到 1V、10V、100V、1KV 几个量程。分压点用波段开关选择。
在通常的自动挡万用表上，上面的电路变形为下面的样子，总输入电阻固定为 10M，通过程控模拟开关选择只跟一个电阻形成分压对，所以要构成 1/10、1/100、1/1000、1/10000 分压器，这几个电阻分别应该是 10M 电阻的 1/9（1.111M）、1/90（101.01K）、1/900（10K）、1/9000（1K），这就是为什么大家看到自动挡万用表的这几个电阻的阻值很奇怪的缘故。
本帖最后由 washu 于 2013-5-28 20:18 编辑
第二章 第二节 电阻测试电路
在数字万用表中常用的电阻测试电路有两类，比例法和电流源法。
前者常见于手持万用表中，将标准电阻和待测电阻串联后接到一个稳定电压源上，并将 ADC 的差分电压基准输入端接到标准电阻两端，将 ADC 差分信号输入端接到待测电阻两端，如下图：
根据串联电路中电流处处相等可知流过标准电阻 Rref 的电流和流过待测电阻 Rx 的电流一致，且根据欧姆定律 I=U/R 可知为
Ix = Uref/(Rref+Rx)
那么同样根据欧姆定律可知 U=IR，所以标准电阻两端电压，也就是差分 ADC 的基准电压 Ur 为
Ur = Rref * Uref/(Rref+Rx)
而 ADC 输入电压也就是待测电阻两端电压为
Ux = Rx * Uref/(Rref+Rx)
ADC 的转换结果 f(x) 可表示为 f=k* (Ux/Ur)，k 为一个固定的系数，把上面的 Ur、Ux 带入，结果为
Rx * Uref (Rref+Rx)
k * ———— * ————
(Rref+Rx) Rref * Uref
= k * Rx/Rref，
一般使用 ICL7106 为核心的万用表比如 830/890，k = 1000，假设用 100 欧姆电阻作为 Rref，待测电阻为 0.1 欧姆，表将显示 0001，如果是 100 欧姆就显示 1000。把小数点设置在右数第一个和第二个数字之间，就是一个 100 欧姆电阻表，如果需要更多量程，只需要更换标准电阻为 1K、10K、100K、1M、10M，即得 2K、20K、200K、2M、20M 量程的电阻表，通常的，这一系列标准电阻和第一节中电压调理部分使用的分压电阻共用。
而电流源法很少用于手持表，通常在台表中使用，其电路略复杂，下面还使用典型的 34401A 来说明，这是 34401A 电阻测试功能的电流源部分电路图：
这个电路图中右半部分是电流源的保护电路，用于测试电阻的时候误接高压电的保护，左边提取出来为下图：
通过改变参考电阻 R_ref 可以很方便大范围内改变电流源的输出电流，此电流流过待测电阻 R_Load，ADC 只需要测量其两端电压，它因为流过的电流恒定而使得电压正比于电阻值，因此得到待测电阻值。 第三章 误差分析
第一节 电压测试的误差分析
第一章阐述了 ADC 自身的误差特性，这里分析的主要是输入信号调理电路导致的测量误差。这个误差主要由下面几个方面导致的。
1、输入信号调理电路的增益（衰减）由比例电阻决定，温度的变化和老化会改变这个比例。为此，万用表对这部分电阻提出了相当要求，不同类型的表用了不同的方法解决这个问题。
常见的廉价手持表中，通常使用便宜的五色环精密金属膜电阻器，它们的精度可以达到 0.5%（绿），甚至 0.1%（紫） 以上，温度系数 50ppm 或更小，三位半廉价表普遍使用这样的电阻。独立电阻器有一个很大的不好就是跟踪系数可能不好，因此更高级一点的手持表，可能采用陶瓷网络电阻，比如有名的 Coddock 1776，它具有更高的精度、稳定度和跟踪系数。
以 34401A 为代表的台表使用一片特定的 ASIC 内的网络电阻完成这个功能，一些更高级的表甚至可能使用相当昂贵的金属箔网络电阻或线绕电阻。
由电阻变化导致的误差是确定的，一些台表通过检查电阻误差的方式，可以将这个影响纠正，典型的有 HP 3458A 和 Advantest 6581。
2、ADC 的输入偏置电流，它可能会对输入信号调理电路产生一些影响，和上面的影响不同，这个影响有很大的不确定因素，输入信号的大小、当前温度等，都会在很大程度上影响测量结果，所以 ADC 的输入偏置电流应该尽可能小。
第一章中分析了，一些商品万用表用单片 ADC，具有极低，典型值为 1pA 的输入偏置电流，而这些 IC 普遍用于 3 位半或 4 位半万用表中，因此 1pA 的电流在这个分辨率尺度上，几乎是可以忽略的：对于 9M 或 10M 的输入衰减电阻来说，1V 电压可以产生的电流有 100nA，是 1pA 的 100,000 倍，远高于表的分辨率。
但是，Sigma-Delta 式 ADC 本身普遍没有那么高的输入阻抗，比如 ADS1232 的输入偏置电流典型值达到 3nA，（考虑到其基本输入电压范围是正负 2.5V）10V 电压在 10M 电阻上产生的电流只有 1000nA，对于 3nA 来说不过 300 多倍，显然这个影响大概有 0.3%，而 ADS1232 的噪声足够低，能达到 6 位半分辨率；即使不考虑噪声而考虑非线性误差更大，那么 ADS1232 也可以具有 5 位半，0.001% 的分辨率。因此，一个 10M 的输入衰减电阻对测试结果的影响就太大了。
实际上，如果用一个 10K 的电阻将 ADS1232 的模拟输入端短路，能读到大约 50uV 的电压，这就是输入偏置电流在这个 10K 电阻上产生的电压降，大约有 5nA，比典型值还大一些。
而高位表使用的分立器件构成的多斜积分器输入阻抗更低一些，所以它们需要一个额外的输入前端电路抬升输入阻抗。典型的 34401A 的这个电路（和输入程控放大器一体）在上一章提到了，但没有把输入阻抗提升的部分拿出来，现在把它单独拿出来，这是一个共栅自举的 JFET 输入低噪声放大器，它的输入偏置电流取决于使用的 JFET 输入级的元件特性，用一个 1uf 薄膜电容充满 10V 电压接到 34401A 输入端实测，这个电流大概有几十 pA。
竟然是矿坛首发。。。。 puff 发表于 2013-5-28 22:13 static/image/common/back.gif
竟然是矿坛首发。。。。
38 慢死了，半天才回了一个帖子，图根本发不上去，只能先这边首发了:funk: