合作设计基于mcu的数字式电容ESR表

scoopydoo

washu 发表于 2023-4-6 17:20
还是你之前用 5532 的问题，运放模型的 VSW，MS 的三端运放默认 VSW 是正负 12V（显然和 5532 一样...） ...

老师啊，早点弃暗投明改投我主LTSpice吧，保你荣华富贵妻妾成群吃香的喝辣的！

washu

小鬼头 发表于 2023-4-6 17:27
MS的理想运放还得有电压摆幅的条件限制，这可真够坑的。

搞得我这两天都不安心。

这个，人家没说那个是理想（ideal）运放啊，那个是 Virtual 运放（可编辑的运放），同样二极管你用的肯定是 Virtual Diode 虽然它没显示，但它叫做 D1、D2 我猜肯定是 你应该是在 Diode > Virtual Diode 里找到的，它的描述是“Fully configurable diode.” 而不是 ideal diode，你试试看它正向压降挺大的，比 4148 都大


MS 里没有理想二极管和理想运放，后者没办法，前者有变通的方法不过它默认不是 D1 D2 这样的名字，是 S1 S2 这样的名字（在开关电源分类里）

washu

scoopydoo 发表于 2023-4-6 17:38
老师啊，早点弃暗投明改投我主LTSpice吧，保你荣华富贵妻妾成群吃香的喝辣的！

这个和 Basic 一样，习惯的力量是强大的

什么 GCC？风有点大 而且人家是 Visual Studio Shell 好不

washu

小鬼头 发表于 2023-4-6 16:59
就是单位里的破电脑，应该早淘汰了。不过，应付文档处理还是够用的。

而我本来想多装一个LTspice，但 ...

LTspice 据说收敛比 MS 快，记得以前看过开发者访谈，是轮胎的一个攻城狮，觉得市面上的 SPICE 软件又大又慢，所以自己开发了一个

我用 MS 纯粹是上学的时候学校教就只教了这个，...


btw. 前段时间在对面论坛看到有人说用十年前的电脑简直是浪费生命，有感

小鬼头

小鬼头 发表于 2023-4-6 12:07
现在说一说，我是如何推导得到增益计算公式的。如下图。

1、在正半周期间，D1截止，D2导通。

现在来研究一下，整流电路输出端接一个负载电阻RL的情形（即AD芯片输入阻抗不够高的情形），推导此情形下的整流电路增益计算公式。

因为由前面的推导可知，这个不是无穷大的负载电阻RL，正半周时，将会分走一部分充电电流，负半周时，又额外增加一条放电通道。而且，更关键的是，正负半周他参与充放电的比例不一致。因此，不能按通常的办法来计算这个负载得到的输出电压（指通过衰减比例计算得到结果）。

1、正半周

由于他的加入，Vout电压不能全部提供给电容充电。此时的电路，可运用戴维南定理作等效变换。也就是，原来的充电电压源Vout，被R3、RL分压后，变成只有这个分压关系的电压源，即Vout变成Vout*RL/（R3+RL），充电限流电阻R3，则变成R3与RL的并联，即R3变成R3*RL/（R3+RL）。

这样，充电电流变成Ic=[RL*Vout-(R3+RL)Vc]/(R3*RL)

2、负半周

RL的存在，不影响原来的放电关系，但新增加了一条电容两端的放电途径，这个途径的放电电流是Vc/RL。

这样，放电电流变成Id=[(Vc+Vin)/(R1+R3)]+Vc/RL

3、平衡稳定状态

像前面一样，用Ic=Id联立方程式，求解化简后可得到接RL负载时的整流电路增益计算公式为：

Gain=[R1*RL*(R1+R2+R3)]/{R2*[R1*RL+2*R3*(R1+R3+RL)]}

由这个式子可看到，如果RL>>（R1+R3），那么，分子分母同除以RL，将得到前面推导出来的增益计算公式（简化公式）。

小鬼头

washu 发表于 2023-4-6 18:03
这个，人家没说那个是理想（ideal）运放啊，那个是 Virtual 运放（可编辑的运放），同样二极管你用的肯定 ...

Virtual是“虚拟”的意思。没想到，这个虚拟的东西，还不直接提供理想化的器件，得要设置一番，才能取得较为理想的效果。

小鬼头

xjw01 发表于 2023-4-6 15:29
经过若干个信号周期后，电容电压会进入一个稳定/充放平衡的状态。这个状态是电容充进的能量/电量，等于 ...

你习惯用积分的方法，而我的微积分知识都丢光了。上次设计好指针esr表，好长时间之后想计算出该表自动关机的定时时间关系，还得上网查找一番，重新学习如何计算电容放电时间。

你这里的计算方法，实质上跟我的一样。你用电荷守恒，我用能量守恒。都是要从平衡状态出发来找电压电流关系。

你说到的那个导通角的问题，应该是跟输入信号电平有关。大信号输入时，二极管迅速进入导通。小信号输入时，一个周期里大部分时间不导通或微导通。

我这个电路方案有一个特殊的地方，也是他的优点：整流电路输入的信号，最小也是基准电阻上的交流压降，而这个是大信号。也就是说，无论被测电阻多小，测量时，整流电路的输入信号都是大信号。

这与普通拓扑/方案的测量电路不同。普通电路里，没有基准电阻交流压降这个“ac固定偏置”，测很小的电阻时，整流电路输入的信号也是很小的，小到不能令二极管开启。所以，线性方面不如我这个方案。

xjw01

小鬼头 发表于 2023-4-7 00:12
你习惯用积分的方法，而我的微积分知识都丢光了。上次设计好指针esr表，好长时间之后想计算出该表自动关 ...

电路使用正弦波做ESR，所以检波时还是要考虑导通角的问题。
PWM生成正弦波或可调直流源，本质上是对直流电源进行斩波。在做可调基准源时，非线性度误差可以做到达到50ppm甚至5ppm。
反之，对交流进行斩波，可以得到直流输出，同样是高线性的。二极管检波，就有些困难了。
而且，你现在对仿真感兴趣，斩波电路正好可以仿真。

关于微积分，大多数内容我也忘了。但微积分思想是反复要用的。比如说，方波换成正弦波，用微积分的思想去解决就可以了，要具体值，编程计算即可。当然，也可以用仿真软件。仿真结果要精确，也要耗费不少心思。所以，多数情况下，我宁可自己算。

编程的语言、平台很多种。单片机的语言平台，如果只用几次，学了也没什么用，很快就会忘了。如果只是为了计算方便，建议用python。多年来，我发现你对准确一点的计算(误差细节计算)比较感兴趣，所以建议学一种编程语言，否则的话，在计算方面我们将花费更多的时间。

python是最易上手的语言之一，大学计算机系的入门课程就是它。语法方面，几天时间就可以上手。算法方面，当然需要很长时间，但这并不是语言的问题。只须学习我们关心的算法就可以了。

我举个例子，你就明白python上手的速度：
    我儿子读6年级时，国庆节7天，每天教1节课python，练习1节，合计14节课。这之后，做一些简单算法练习以及图形编程练习，大约又花费了20几节课。之后的两年多，他很少使用python，但偶尔会把一些不易解决的数学问题，拿到python中验证。

    前几天，他问我全错位排列的概率问题，我看了之后，建议读高中后再解决这个问题。但没想到，他不好好自习，一整个晚上在草搞纸上枚举所有的全错排列，并找到递推式：f(n) = (n-1) * [ f(n-1) + f(n-2) ]

    最后要计算通项公式f(n)，按他的数学知识是无法解决的。于是他用python，先用递归法列出所有的全错排列及个数，再用递推公式法计算错误个数，相互验证。
    我想，能解决这样的问题，与成年人的相差不多。
    然而，如果要教他欧姆定律，却相当困难。我几次试图教他，均以失败告终。反正，他一使用物理公式就要出错。所以，我多次感概，模拟电路真难学。
    所以我认为，学习使用python计算，比学习欧姆定律容易得多。

abbey_tom

关于激励信号源的问题，
用SPWM和DAC都可以考虑，
不过，对于单片机来说，
100kHz的模拟信号还是比较高的，
无论何种方法，
都是需要滤波的，
按照许老师的计算，
16点以上的采样，
SPWM用RC简单滤波就可以了。
即使DAC，出来的也是阶梯方波。
另外，并不是所有的MCU都有DAC
如果要用的话，
可以考虑使用国产的AIR32，
这个芯片我还没有用过，
据说有不少坑。
这几天我摸索一下。
闻太师用此片子有经验，
有问题我可以请教他。

abbey_tom

xjw01 发表于 2023-4-7 08:17
电路使用正弦波做ESR，所以检波时还是要考虑导通角的问题。
PWM生成正弦波或可调直流源，本质上是对直流 ...

许老师说得极是，
我也觉得模拟电路要难学多了。
建议小鬼头老师趁此机会，
学习一下单片机编程，
其实是非常简单，
同时也比捣腾模拟电路更有乐趣（至少我现在的体会是这样）。

小鬼头

更新后的设计草图（草图6）




相关说明：

1、为了令FS输出的dc电压幅度最大化，以提升AD分辨力性能的利用率，重新核实了U1B输出端电压的摆动情况，并调整了相关参数。

将3.3V时U1B的DC偏置电压降为0.64V。经计算，此电压已足够负半周波形的摆动之用。

将AC增益设定为7倍，在保证正半周不出现削波的同时，又能尽量利用上电源电压所提供的上动态空间。

据此得到了U1B周边元件的参数。

2、按照推导出来的AC/DC转换增益，计算得到整个电路的FS输出dc电压。以方便MCU选型之用。

3、在图上加上标注。其中，考虑到5V的电源电压较少机会用上，故删除这个5V。

图中U1B的电路没有做过全面的仿真复核。但AC/DC转换增益这一块，曾做过理想化情况的仿真。


补充：草图中标注的“2.18倍（正弦波）”，应为“1.54倍（SPWM/正弦波）“

小鬼头

小鬼头 发表于 2023-4-6 22:35
现在来研究一下，整流电路输出端接一个负载电阻RL的情形（即AD芯片输入阻抗不够高的情形），推导此情形 ...

采用washu的方法，修改了虚拟运放的参数，对这个推导出来的AC/DC转换增益计算公式进行了验核。

仿真结果与计算结果相当接近，具有一致性。从仿真情况看，这个公式具有可信性。

下图可看到，AC/DC转换增益约为2.43倍（输入1Vpk方波，输出2.43Vdc)。

PS： 将图中R4改为1欧姆，仿真结果仍是下图的样子。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2023-3-30 19:41
因为要简单低成本，
这次拟直接使用MCU内置的ADC，
据说这个ADC常有人诟病，

我不了解单片机。但看了你给的参数，觉得你准备使用的这种，不适合与现在的模拟电路搭配。

1、模拟电路的输出dc电平低。fs值只有0.72V，这是方波输入时才有，还是我挖掘了电源利用率之后才得到的。如果是正弦波，则要乘以0.707。

即使9V电池供电，情况也没什么好转。我今天算了一下，fs电压输出最多也就是上述数据约1.5倍。

这样一来，你的12bit实际变为不足10bit。

2、你这个型号的单片机强项，似乎在这里发挥不了。模拟电路已作了ac/dc转换工作，不需mcu有很强的数据处理能力。正如washu暗示说的，没有这个必要用你打算采用的这类mcu。

3、我刚才看了一下washu提到的avr单片机，以及同公司的pic16单片机。立创商城里只卖3块钱的，就有12bit的adc，Vref可选1.024V。我倒是觉得这样的单片机与现在电路搭配，更有性价比。

4、虽然你曾说不熟悉avr（washu熟悉），但如果确认avr/pic的更合适，你还可以趁这次合作设计的机会，掌握多一大类的mcu。

5、mcu选型，不宜光看自己手头有什么就选什么。最好是多看看，不限于你自己熟悉的种类。

以上供参考。

yjmwxwx

小鬼头 发表于 2023-4-7 22:51
我不了解单片机。但看了你给的参数，觉得你准备使用的这种，不适合与现在的模拟电路搭配。

1、模拟 ...

感觉必要为了保留二极管整流电路换单片机，以前看传感器的电路都不用二极管整流









abbey_tom擅长编程，您擅长模拟电路，现在单片机方面很容易就能输出正弦波和用ADC采样正弦波，需要您设计恒流部分和放大部分，就这两个部分对于我们这些只会单片机的也搞不好，比如我搞的测电池的100毫安恒流时候波形很差就是不知道怎么解决，再就是放大电路搞的也不好，只能靠程序方面弥补这些缺陷。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2023-4-7 22:51
我不了解单片机。但看了你给的参数，觉得你准备使用的这种，不适合与现在的模拟电路搭配。

1、模拟 ...

您可能误会wash老师的意思了。




他的意思是按照您的这个要求，
我经常用的单片机可能不满足，
确实如此，原想用C8T6的，
它没有DAC，出不了比SPWM要求还要纯正理想的正弦波。

但是，他并没有说AVR就行，
AVR也没有DAC，一样达不到要求。
并且以其性能，
恐怕要输出100kHz的SPWM都困难。

因为您的要求，
我这几天专门看了国产的AIR32，
它是有DAC的，
并且价格只有3.8元，
容量稍高一些的AVR，
价格也不便宜，
这也是washu老师承认的。