关禁闭做了个交流毫欧计

wanwenhao1

最近因武汉冠状病毒，被关禁闭在家中，想起早就寻思应该有台毫欧计，所需元器件都有，于是终于动手做了出来。

既然测量毫欧参数，当然也完全可能用它测量电池的内阻，所以决定做成交流的毫欧计。本来正弦波应该更好，无奈电路略显复杂，于是照抄了“人艰不拆了”网友于2018-09-07，在数码论坛发布的作品电路图，方案为555加317做成的，比较简单，这里要先感谢原帖的作者“人艰不拆了”！

原帖作者在发帖中，一直强调要精确测定恒流值。我认为其实恒流值并不重要，重要的是测量电阻时示值误差应该最小，因此思路为“不管恒流为何值，也用不着管测量波形怎么样，只要数字表测量出的毫欧示值误差最小，则为最好的方案，所以整个调试过程中，完全没有调整过那50mA的恒流值，只调整W，让示值误差最小即可。

为了毫欧计便携，自己手里又有若干18650锂电池，4056充电板，2A的DC-DC升压板，所以采用的电路图如下：

电路中的D2是防止关闭电源时，1000uf的电容器储存的电压反向损坏升压板，因此有大约0.3V的电压降，不知是否一定需要。


电路将原电路中的R1有意分成了两个电阻，板子安装这些两个电阻的位置时，留下了还能并联和串联电阻以便调整毫欧示值的余地。实际上最后串联上了第三个电阻，还并联了一个电阻和电位器串联而成的微调单元。

LED灯采用的插座方案，以便于调整LED的高低，满足指示灯刚刚在盖板的指示灯孔露头的高度。元件板上的电源插座和测量输出端插座，均为将元件板能彻底分离而设置的。


成品做成之后，发现我储备的五块4056充电保护二合一板，竟然连续三块都有个奇怪的现象，那就是输出一瞬间电流后（LED指示灯亮了，然后慢慢熄灭），保护板保护了，不再输出电流。插上充电USB插头再打开开关，可以保证输出正常。再拔除充电USB，输出不会停止。既然前三块试验都是这样，那就只能认为这批板子可能都有这个问题，只好放弃，用4056充电板加上旧手机电池取下来的保护板组合，得到了正常的锂电池充电加上保护功能。分析了那批板子的电路图与标准电路一模一样，就没有试验其余两块，实在是想不出问题出在何处。如果有朋友也遇到此问题，且有解决的办法，请给予指教。

其二合一板子的照片及整理出来的电路如下图：




电路弄成之后，适当地调整了R1的阻值，成为了当时最理想的状态，用ZT 219de mV档测量示值，其测试数据如下表：



这里发现一个有趣的现象，当电源调低后，测试值严重误差。




根据以上数据分析，应该电压低于12V后，317的工作电压不够，造成基准电压无法建立，影响恒流输出。推导如下：  

317的in端和out端的最低压降一般应采用3V，基准电压1.25V，这样in端和G端（这里是实际输出端）的压差至少要3+1.25=4.25V。555的工作电压如果要求（本例测量较大阻值的电阻时的工作电压）8.23V才能稳定的话，则317前端的输入电压应该大于8.23+4.25≈12.5V，所以决定调高毫欧仪的供电电压至13.5V。实测当输入电压等于13.5V时，空载时（未接测试电阻），555的工作电压12V，未大于555工作电压的极限值16V。



测试结果出现几个疑问：
1、为什么空载与测试（带载）时，555的输出方波频率差异这么大？
2、为什么方波占空比也会跟着负载大小变化？
3、为什么555的工作电压需要那么高（至少7.7V）？
4、为什么测量越大阻值的电阻时，误差会朝着正方向发展，以至于完全无法保证测量精度。


下表为555充放电电阻接在3脚的方波频率计算表。本例空载时基本正常，带载降低得实在太多。




用示波表测量555的3脚波形，发现方波很不理想，方波顶部和谷部都完全不平，叠加了电容充放电的波形（忘记拍照存档了），叠加大小约为1/2峰值高度。分析是不是555的驱动能力有限，因此影响了毫欧计的测量精度，即打算在555输出端增加一个功率放大级。这个缓冲级最好的方案无疑是采用MOS管做成，不用驱动电流，饱和后的压降又很小。但是发现我储备的小功率MOS管中，没有P沟道的管子，只好采用三极管来作，改进的电路如下图：




缓冲用的两个贴片三极管安装在一块小板上，竖直安装于原板的空档处，随后测试的结果如下表：



没有精度高于1%的小阻值电阻，只能暂时这样了

注意表中的数据与后面的照片中的数据不相同，因为测量过程中示值会缓慢下降。


数据显示，不同阻值的电阻，测量的精度变化范围比先前大大缩小。估计电阻自身有1%的误差，加上测量表的误差，毫欧计的不稳定，精度等级应在2%-3%之间，业余估计一般电阻的阻值应该可以用了。

调试中的照片：
接上510mΩ的电阻

方波占空比虽然不是50%，但是波峰和波谷还算比较平，与未采用缓冲放大时完全两样。


接上100mΩ的照片：



实际测试中，发现随着测量时间的延长，毫伏表的示值会缓慢下降，会影响最后两位数值，还暂时未肯定是什么原因导致，估计为被测元件发热的关系吧。因为毫欧计未断电，每次测试一个电阻都会重复这个现象。譬如1/2W的100mΩ的毫伏示值从9.996，缓慢（几分钟）降为9.962等。测量了其它电阻，回过头来再测量它，又是这样从高阻值慢慢降下来一些。



洞洞板元件布置图：



毫欧计外形照片：


四线夹是借鉴网友的方法，用衣夹改制的，还是很管用。


毫欧计内部照片：


内部不少东西是后来加装的，所以内部看起来比较乱。


谢谢观赏！

IRF540

我感觉，输出端可以接一个OP07之类的运放，10倍同比例放大。不仅阻抗高，而且可以更方便的微调。输出电压换个单位既可。还可以VI变换，降低线阻影响。

hc061218

感觉比基准+运放的恒流源方案还复杂，其实运放加基准的恒流源方案，对电流的精度要求也不高，100mA恒流源，误差几个mA以内都能接受。通常情况下误差也就零点几毫安，测量的精度还是不错的

顽童50

交流毫欧表、不错，有机会也试试仿制一个。这个表可以测点解电容ESR、还能测电池内阻，用途比较大。

wanwenhao1

hc061218 发表于 2020-2-2 22:29
感觉比基准+运放的恒流源方案还复杂，其实运放加基准的恒流源方案，对电流的精度要求也不高，100mA恒流源， ...

感谢参与讨论！

基准+运放的恒流源方案，这里实际上就用了317替代，从元件的数量上看，317似乎还简单些。

555时基IC，两种方案都少不了，所以朋友说的方案不会比555+317的方案更为简单。

因为两种方案最终的精度都是需要用标准电阻校准示值，所以恒流的精度不必在乎，反而稳定性才是主要的问题，特别是温度稳定性。恒流用的电阻（本例为25Ω）的温度系数，317自身基准电压的温度系数，都是影响温度的主要元素。朋友所言基准+运放中的“基准”，可能比317的基准更加稳定倒是有可能。

wiisir

不错,支持DIY.有时间多做一些有用的工具

hc061218

wanwenhao1 发表于 2020-2-3 10:56
感谢参与讨论！

基准+运放的恒流源方案，这里实际上就用了317替代，从元件的数量上看，317似乎还简单 ...

只是水平有限，对这个方案一时半会儿还不理解，基准+运放的，对我来说比较好理解，就是个比较器，只要基准电压芯片用个好点的，检流电阻温漂低点的，我觉得稳定性应该还可以。我用的是LM385基准+LM358运放+1Ω普通金属膜，精度还可以，如果这几个原件选用更好的，估计效果应该不错。

wanwenhao1

hc061218 发表于 2020-2-3 14:14
只是水平有限，对这个方案一时半会儿还不理解，基准+运放的，对我来说比较好理解，就是个比较器，只要基 ...

查LM358基准的热稳定性为80ppm/℃，317的热稳定性为200ppm/℃，朋友采用的电路热稳定肯定更高。

317的out脚和G（控制）脚被内部的电路控制，电压恒为1.25V（基准电压），所以在两脚之间接入一个25Ω的电阻，从G脚输出电流，就得到一个1.25/25=50mA的恒定电流，原理还是很简单的。

555作方波输出的原理较复杂，不容易说清楚，只能朋友自己查查网上的资料。缺少它，就只是一个直流的毫欧计的了。

相比较，交流毫欧计恒流值为50mA，直流毫欧计的恒流值为100mA，如果基准电压相同，则直流毫欧计的恒流电阻发热会大2倍，发热不好处理，所以作成交流毫欧计还是比较合理的。

wanwenhao1

IRF540 发表于 2020-2-3 21:42
我感觉，输出端可以接一个OP07之类的运放，10倍同比例放大。不仅阻抗高，而且可以更方便的微调。输出电压换 ...

理论上这个主意不错，但是环节越多，引入的误差就越大，不知是福是祸，不敢试验。

washu

wanwenhao1 发表于 2020-2-3 10:56
感谢参与讨论！

基准+运放的恒流源方案，这里实际上就用了317替代，从元件的数量上看，317似乎还简单 ...

1、317 构成的“恒流源”是非受控恒流源，运放 + 基准是受控恒流源，它受激励控制，确保流过负载的电流是“恒”流

2、你的 317 后面接了一个 220u 电容，实质上破坏了动态负载响应，这是你的负载对 555 振荡频率改变和精度改变的主要原因

结论：

应用稳定激励接到受控恒流源上产生交流激励，而不是反过来！！！！！！！

washu

hc061218 发表于 2020-2-3 14:14
只是水平有限，对这个方案一时半会儿还不理解，基准+运放的，对我来说比较好理解，就是个比较器，只要基 ...

他那个方案，是先产生“恒流”再激励，但

1、这个恒流是 317 自己的基准，对自己的参考（50Ω）电阻产生的，和你的负载（待测阻抗），和激励变化（振荡器）无关

2、还在 317 后边接了个电容，还超级大（220u），这还是电流源吗？


所以这个方案基本原理错误

wanwenhao1

washu 发表于 2020-2-4 12:16
1、317 构成的“恒流源”是非受控恒流源，运放 + 基准是受控恒流源，它受激励控制，确保流过负载的电流是 ...

首先谢谢“washu”大师给予指教！

关于第一点，我还不太理解，317 构成的恒流源为何是“非受控恒流源”，它的基准电压不是受内部电路控制的吗？  如果这个1.25V基准电压是317能保证的（先撇开它的温度系数太高的问题，本例的317的基准电压，开机从1.252V起，长达2小时时间后，缓慢升高为1.254V且不再上升），那么在25Ω的电阻上就必然会流过50mA的直流电流无误。50mA的直流电流供给555的振荡电路，如果555没有工作电流（当然这是不可能的），那么理论上交流方波就会有100mA的交流电流流过负载。至于555实际上需要工作电流，已经通过修正25Ω的电阻值进行补偿。该毫欧计的测试中，我曾用ZT219测试过555输出的方波交流电流值，大约为101mA，接近理想值且较为稳定，可以理解为“流过负载的电流是恒流”。其实这里的恒流大小并不重要了，只要稳定即可，因为这个毫欧计的校准是看毫伏表的示值而非恒流值是否精准。

第二， 方波输出为交流电，正半周需要电源提供工作电流，通过负载，给两个串联的100uf电容器充电，负半周则是由这两个串联的100uf电容器，通过负载放电形成输出电流，负半周并不消耗电源电流。为了方波电路能输出100mA的交流电流，317 后面，也就是555的工作电源就必须要接一个较大的电容器，保证555的工作电压稳定，或者说是将317过来的50mA的电荷在负半周“储存”起来，使正半周能提供100mA的电荷输出。动态分析这个电路，方波电路的交流电流，必然会等于供给的直流电流的一倍。也就是100mA。这个电容器上的波纹电压，在测量100mΩ的电阻时，如下面的照片所示。个人认为，如果要求555的电源电压更加稳定，这个电容器甚至可以更大。


第二点的后半段，说这个电容器，是电路的负载对 555 振荡频率改变和精度改变的主要原因。我暂时没有其它见解，也许很正确。

真心感谢大师能赐教，在这样的讨论中，我个人将受益匪浅。

wanwenhao1

hc061218 发表于 2020-2-3 14:14
只是水平有限，对这个方案一时半会儿还不理解，基准+运放的，对我来说比较好理解，就是个比较器，只要基 ...

朋友，我学习了“washu”大师对我和对你的回帖，很有感慨，也很有兴趣看看你说的那个电路，希望朋友看见这个回帖后，将你那个电路在本帖贴上来让我学习学习。

先谢过了！

washu

wanwenhao1 发表于 2020-2-4 17:04
首先谢谢“washu”大师给予指教！

关于第一点，我还不太理解，317 构成的恒流源为何是“非受控恒流源 ...

不敢当

这里说的受控、非受控，是指激励（振荡器）对恒流源的控制，hc061218 坛友的意思，应该就是通用方案，用振荡器产生稳定的振荡，然后去控制一个压控恒流源（如果振荡器是正弦波则得到的电流也是正弦波）的意思，所以从原理上讲，它是在 电压 ---> 电流这个步骤产生交流恒流。

而 317 是内部恒定基准电压，对参考电阻产生恒定的直流电流，所以是“非受控”。从这个角度看，就存在基本原理上的错误问题。

当然，你会说为什么我用万用表测量好像差不多呢？因为电容足够大啊

wanwenhao1

washu 发表于 2020-2-4 18:46
不敢当  

这里说的受控、非受控，是指激励（振荡器）对恒流源的控制，hc061218 坛友的意思，应 ...

明白了，谢谢指教！这个可能涉及到稳定和精准的问题。