使用ADS1115的A/D转换芯片DIY了两路电压、电流采集PCB电路

changwanren

      电压电流电阻三用表是电子业余爱好者必备的测量工具，一般不必自制，但是与单片机、电脑结合的DIY，有着普通的万用表难以实现的功能，如数据的连续采集，自动记录，作图等。自编的软件，桌面设计可根据某些实验需要来设计，很灵活。
      此电压电流电阻的采集，是我DIY的多功能测量工具其中的一部分功能。此功能中有两路电流和电压表，一路电阻表。多功能测量工具前面板见图片
采用ADS1115芯片DIY的电流、电压、电阻表虽分辨率很高，但是内部的基准电压的误差，温漂，外部干扰等因素，若抗干扰做得好一点，测量精度，误差可做到小于1%
   
    1、ADS1115简介：
     ADS1115为16bit位分辨率的高精度A/D转换芯片，内部有低漂移基准电压，具有4路输入或两路差分输入。
内部设置6个量程，由软件去切换
    ±6.144V   
    ±4.096V  
    ±2.048V   
    ±1.024V     
    ±0.512V   
    ±0.256V   
    可编程数据速率：8SPS 至 860SPS，采集率较低，但精度高。若记录音频采集，用单片机自身的12bit的A/D转换，采集率可达800KHz
串口通信协议为I2C，容易掌握

    2、设计要点：
  （1）DIY的测量工具中有两路电流电压表同时使用，由于ADS1115的四路输入具有共同的接“地”点，当路同时使用时需要不受共同的接“地”点的限制，如同时测量两个串联电阻的电压。解决方案是给两路表的电路单独供电（将“地”分开），这样电源变压器要有三个次级绕组，分别给两块表和单片机单独供电单独。测量时通过模拟开关CD4066将两块表的“地”与ADS1115的“地”分别连接。（A连接时，B断开）
  （2）ADS1115具有16bit的高分辨率，当使用256mV量程时，输入给OP-07芯片的电压是25.6毫伏，为了使4位读数稳定，输入电压分辨率在微伏级，所以输入引线均采用屏蔽线，以减小干扰，输入电阻尽量的采用低阻。表笔线也采用屏蔽线
    采用单片机和A/D转换，解决干扰问题是个较难的问题，试用过高分辨率的芯片，没能得到高稳定度，采用过HX711的电子秤专用的242bit的A/D转换芯片，输入电压20毫伏，但是稳定度也只能做到16bit，后8bit在不停的变动。
  3、电路图：
（1）ADS1115自身的最小量程为256毫伏，在电流采集时，还觉得电压太高，所以采用OP-07进行十倍放大，最小量程变为25.6毫伏，有利于对电流的采集。
（2）电阻的测量采用两只OP-07组成恒流源，采用一只OP-07进行十倍放大，采用MC1403做基准电压
   
  4、测电压电流电阻的PCB电路板

  5、采用屏蔽线连接及表笔图片：

  6、测量电阻照片：

changwanren

   为了证实采用ADS1115芯片采集数据的精度和示数的稳定度，录了一段数据采集视频，但是不知为什么优酷审核通不过，此多功能测量教具在2019年参加过全国科技辅导员创新大赛，怀疑可能是这个原因，但是把红字标版遮挡再发视频还是审核不通过，具体什么原因，不得而知。

daye520

用的什么单片机啊？有没有相应的程序？能不能仿制？

changwanren

daye520 发表于 2020-8-18 13:40
用的什么单片机啊？有没有相应的程序？能不能仿制？

   单片机我用的是STC8A8K64S4A12，因此单片机运行速度快，采用统一晶体，是89C51的12倍，内部有12位的A/D转换，采集率可达800KHz。采用8位的单片机都能读取ADS1115，两线串口连接，I2C通信协议，代码很简单的。

jysl

很好的制作。

daye520

changwanren 发表于 2020-8-18 13:54
单片机我用的是STC8A8K64S4A12，因此单片机运行速度快，采用统一晶体，是89C51的12倍，内部有12位的A/ ...

谢谢分享，STC的单片机我现在学的是15W系列的，看看他们有什么区别

ycuusky

需要搭配电脑显示结果，比较麻烦；搞个大数码管或者12864 LCD显示更方便。

changwanren

ycuusky 发表于 2020-8-18 17:45
需要搭配电脑显示结果，比较麻烦；搞个大数码管或者12864 LCD显示更方便。

     此件作品是我工作时担任课外辅导员时的自制的一件“教具”。所以他的测量结果不是给一个人看，电脑显示可见度大，采用电脑制作软件容易，尤其是作图显示图像。自己用的DIY测量工具不应功能太多，使制作变得复杂，并且体积越小越好。

ycuusky

也是，教学用途考虑点不一样，赞！

changwanren

上传的一段采用ADS1115数据采集测量电阻的一段小视频，审核已通过，视频网址：
https://v.youku.com/v_show/id_XNDgwNTI5NzM4OA==.html
变阻箱为老式变阻箱，标盘标有误差0.2%，旋钮用手旋不动。

locky_z

如果是两路电压(电流表),建议做成是隔离的(非共地),
否则使用者以为是两个单独万用表般,导致被测电路短路就不好了.
其次电压电流表做成允许正负都行的,就像数字表那样两个表笔对调测量也没问题,只不过测出来多了个符号,还可以判断正负.
反正就是设计成使用习惯就像往常万用表那样子.

changwanren

locky_z 发表于 2020-8-19 11:33
如果是两路电压(电流表),建议做成是隔离的(非共地),
否则使用者以为是两个单独万用表般,导致被测电路短路 ...

     朋友建议的这个问题已经考虑进去了。关于读数正负问题，ADS1115是有正负读数的，16bit的最高位为符号位。两路电表是非共地的，为此自绕了电源变压器的3组低压线圈，ADS1115的两路读数是共地的，解决方法是采用了模拟电子开关CD4066，读取A表时，将A表的地与ADS1115的地接通，与B表地断开。

locky_z

模拟开关不算隔离吧,模拟开关最多耐压15V而已.
建议用数字隔离那种芯片,SPI的就比较多.也不算很贵,而I2C是双向的,要专门找I2C隔离的,

changwanren

locky_z 发表于 2020-8-19 12:17
模拟开关不算隔离吧,模拟开关最多耐压15V而已.
建议用数字隔离那种芯片,SPI的就比较多.也不算很贵,而I2C是 ...

     5V就够用，两路表放大电路的独立电源供电是正负5伏，输出最大是正负2伏，输入最大电压是200毫伏，测量高压时，已经通过分压电阻分压了。实际使用效果已经很好。模拟开关断开时电阻也达到兆欧姆级，只是耐压低。

locky_z

假如有两个万用表,就能一个串进被测电路测电流,一个并进被测电路测电压,因为这两个万用表之间是隔离的.
LZ现在是两路电流电压,,例如一路当电流表,串进被测电路,一路当电压表,并进被测电路.假如这两路没有隔离,串进被测电路那一路的公共点就会和并进电路的公共点短路了.
假如是隔离,但仅仅是4066模拟开关做隔离,模拟开关两个端子,其实还是和4066的Vee以及Vdd有相关的.还是通过模拟开关的衬底干扰甚至短路到被测电路.