数字闭环自校准的 6 位半电压源 Voltgen V1 版终结贴

washu · 发表于 2023-12-1 18:44:57

本帖最后由 washu 于 2023-12-1 19:51 编辑

由于家庭原因（要照顾小孩），我的数字闭环自校准电压源新版始终难产，不少坛友还希望玩一下这个电压源，所以再开一贴，汇总一些资料并在有空的时候答复坛友们的相关问题。
微信图片_20231201195052.jpg

使用说明：
上电后，电压源将检查硬件（ADC、基准电压、DAC），然后读取 EEPROM 中的校准数据，并将输出设置为 10.00000V

若需更改输出电压，按 Set 键，用数字键输入电压值和小数点，然后按 V/mV/uV 按钮设置电压，提供三个倍率选项是为了方便，比如要设置输出 40uV 不需要输入 0.00004，而只需要输入 40 然后按 uV 即可。

更改设置电压后，程序会在数秒钟时间里将输出值逼近设置值到数百 uV 误差级别，然后需要多个周期将其尽可能校准到 10~20uV 误差级别。可接受的设置和灰度值是 7 位半（以 10V 计），范围是 0~11.999999V，但设计的指标是 6 位半，多出来的位数属于内部设计。

关于电压源的指标、测试和相关电路、原理的讨论可看以前的帖子：
http://www.crystalradio.cn/forum ... d=367703&extra=

不再赘述，本贴主要汇总最终版的有关资料，包括硬件（电路、PCB）、软件（单片机固件、上位机、校准程序）等。

本设计尤其是单片机部分是十几年前开始的项目，当时我还在用一个很老的编译器，如今这个编译器已不合时宜（主要是显示器问题），用流行的编译器比如 GCC 重写又显得多余，所以我不会再更新这个设计。V2 版至少也要等小孩大了有空才有下一步的计划，也就不要问了

MF35_ · 发表于 2023-12-13 09:28:42

5free 发表于 2023-12-12 22:12
我请教一下：为啥采用二次三项式非线性校准方式？是不是四次五次也行？这个怎么考虑的？

理论上非线性方程通过泰勒级数展开后，多项式的项可以达到无穷个之多，但是大多数项的系数很小，所以近似的情况下只取几个主项就可以了，否则无法进行工程计算，具体取几次，取决于曲线的形态，如果曲线具有两个单调区间（即U型曲线），那么其展开多项式中，以二次和一次为主，其他更高次的系数都比较小，适合用二次多项式近似，如果曲线具有三个单调区间（即S型曲线），则三次系数也会比较大，适合三次多项式近似，至于更复杂的曲线，会用到更高次，但更高次一来计算复杂度，二来做修正算法运算量会几何倍增长，所以一般会把它进行分段，然后使每段符合U型或S型，实际上S型也可以分段成几个U型，因此曲线拟合方程大多使用二次多项式，少数会使用三次多项式。

LT2400的INL曲线，基本上是一个U型曲线，所以用二次多项式即可，个别器件差异导致U型不理想时，可以加入三次项，再多就没必要了，因为INL曲线本身也是温度相关的，手册给出的曲线，是25度时的样子，温度变化后曲线会不同，甚至变化很大（可以参考其他24位ADC的手册，基本都会给出不同温度下的INL曲线），所以这个非线性校准的目的只是把非线性误差尽可能降低（在校准温度下降低最多，能超过一个数量级），而不是完全消除，所以没必要搞得太复杂。

washu · 发表于 2023-12-1 18:54:02

本帖最后由 washu 于 2023-12-1 19:32 编辑

2、主板固件（含源代码）

vg_cd2400fb3.zip (87.66 KB, 下载次数: 102)

其中，
vg_cd2400fb3 是液晶显示屏的固件和源代码
vg_cd24fb3_oled 是 OLED 屏的固件和源代码

前面板固件（含源代码）

Frontboard.zip (2.47 KB, 下载次数: 83)

程序是用 FastAVR（一个 Basic 语言的编译器）写的，该编译器早已停止支持，只能用于 XP 环境，现提供该编译器，若坛友有自己的想法和察觉有错误以及不足之处，可自行修改，无须经过我同意。

fastavr430.part1.rar (745 KB, 下载次数: 78)

fastavr430.part2.rar (745 KB, 下载次数: 79)

fastavr430.part3.rar (745 KB, 下载次数: 68)

fastavr430.part4.rar (737.27 KB, 下载次数: 74)

河蟹器，不解释

FastAVRkeygen.rar (22.51 KB, 下载次数: 90)

washu · 发表于 2023-12-1 18:55:37

3、有关说明

3.1、主板和前面板连接参考
MB FB
1 GND 1 GND
2 PB5 | MOSI >to3> 2 PD2 | INT0
3 PD2 | INT0 >to2> 3 PB3 | MOSI
4 PB7 | SCK >to5> 4 PB4 | MISO
5 PB6 | MISO >to4> 5 PB5 | SCK
6 VCC 6 VCC

MB FB
PD2 PD2
PB5 PB3
PB6 PB4
PB7 PB5

$Def IO_KEY_INT = PORTD.2
$Def IO_KEY_CST = PINB.3
$Def IO_KEY_CLK = PINB.5
$Def IO_KEY_DAT = PORTB.4
$Def DR_KEY_DAT = DDRB.4
now 2020-04-12

3.2 EEPROM 说明
地址功能

Address(byte)
0 3 主校准值（7V）
4 7 主电压（10V）
8 11 DAC 增益（输出放大器。通常，主电压 10V 时该放大器增益 1.25，使得满度电压能达到 12.5V，校准后能达到 12V 设计值）
12 15 主和成电阻值（默认 249 欧姆）
16 19 副合成电阻值（默认 1 兆欧姆）
20 23 二次三项式非线性校准的二次项
24 27 二次三项式非线性校准的一次项
28 31 二次三项式非线性校准的常数项
32 35 默认输出电压值
36 37 36：滤波器长度(0~64)；37：调整设置，最高二位调整方式(00)，其余位调整阈值(0~63)
38 39 保留
40 60 多点校准数据

3.3 上位机指令
STV 设置输出的电压值
STV;10,000,000;0
10 表示电压值的伏特位，最大值为 10
000 毫伏位，当伏特位 <10 时为 000-999，当伏特位 =10 时为 000-009
000 微伏位，000-999

STS 设置状态 Setting Status

STS;0,00,00,00,0;0
最后一个 n 表示（ADC）运行状态，0 停止，1 运行（默认）

第一个 n=环路状态，1 闭环（默认），0 开环

++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
history
++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
CAL068807650 <--废弃？
CAL068807310
7033075
STV100000000
STV065432190

STS100000000

STR00,000000

CAL 设置校准值 <--废弃？
CAL;06,880,765;2
最后一个 n 表示校准值类型，0=ADC失调，1=DAC失调，2=内部参考（ADC 满度校准），3=DAC 增益，4-6=非线性校准值的三个项系数(y=ax^2+bx+c)

STV 设置输出的电压值
STV;10,000,000;0
10 表示电压值的伏特位，最大值为 10
000 毫伏位，当伏特位 <10 时为 000-999，当伏特位 =10 时为 000-009
000 微伏位，000-999
0 状态位，暂定为量程（10mV-10KV?）

STS 设置状态 Setting Status

STS;0,00,00,00,0;0
最后一个 n 表示（ADC）运行状态，0 停止，1 运行（默认）

第一个 n=环路状态，1 闭环（默认），0 开环
第二三个 n=输入滤波设置，最小为 08 最大为 64
第四五个 n=输出滤波设置，最小为 00（无滤波直接输出）最大 64

第六七个 n=调整阈值，单位为 uV，最小 0 即不对比即调整，最大 99uV

washu · 发表于 2023-12-1 18:47:22

本帖最后由 washu 于 2023-12-1 19:55 编辑

1、硬件电路

这是主机电路，有关信息可参考以前的帖子，这里只是作为汇总资料

电路图

前面板

前面板电路图

补充内容 (2023-12-1 21:16):
主电路图部分器件和最终版有所差异，稍后就此问题在“器件选择”章节说明并给出电路图

老郑小烧 · 发表于 2023-12-1 19:04:37

本帖最后由老郑小烧于 2023-12-1 19:06 编辑

总结得好！与人方便，于己方便

。

润吉地 · 发表于 2023-12-1 19:12:25

谢谢！希望能有朋友主持套件，可以多人协作，有力的出力，有时间的作分选，有钱的做些前期采购资金垫付

slsdz · 发表于 2023-12-1 19:17:30

有些原件不好找，价格也高。学习下思路还是很好的。

washu · 发表于 2023-12-1 19:24:58

4、上位机

上位机程序包括

4.1 操纵程序，设置电压值、滤波器长度、数字闭环状态等
无标题vg1.png

源代码，使用 Visual Studio 2010（VB）编写

Voltgen.zip (285.06 KB, 下载次数: 75)

若不需要源代码，可单独下载程序

Voltgen_exe.zip (15.88 KB, 下载次数: 80)

说明：

将 Voltgen 连接到电脑，安装好驱动（如果需要）后，看设备管理器里新增的串口号，连接到该串口。

连接后，可用 “设置”按钮将电压设置到 Voltgen 的输出
setting 按钮可设置滤波器长度（更短的滤波器可加快闭环时间但会相对不稳定）或者自校准状态：开环时将不校准输出电压
Stop 按钮可关闭数字电路

2、EEPROM 管理器
无标题vg2.png

源代码，使用 Visual Studio 2013（VB）编写

VoltgenROM.zip (615.27 KB, 下载次数: 68)

若不需要源代码，可单独下载程序

VoltgenROM_exe.zip (27.85 KB, 下载次数: 77)

前略，可用“Read from EEPROM” 从 Voltgen 中读取 EEPROM 里存储的校准值，用 Save to EEPROM 保存到单片机中，如果没有自动校准的条件，可用此程序实现手动校准。

校准值包括主鸡肫电压值（可用校准助手通过观察外接标准表写入此校准值），DAC 基准电压（可不用，但正确写入该值可增加开环时的准确性和加快闭环速度）、DAC 缓冲增益等几个硬件配置（如果改动有关硬件设计，需要填写正确的数值）。

非线性校准如果用二次拟合可填写二次项、一次项和常数三个参数；或者使用多点拟合，需要填写 0 到 11V 的 12 个校准点。

主校准值和多点校准值是分开读写到单片机的。但如果需要保存到电脑，可用 Save as file 或 Load form file，全部保存。

3、全自动校准程序

Voltgen 的校准过程比较复杂，手动校准一次耗时耗精力，所以我编写了全自动校准程序
无标题vg3.png

可实现电压源的一键全自动校准，支持常见的 8 位半万用表惠普（安捷伦、是德）3458A 和 Advantest 6581，支持安捷伦标准 VISA 库（其它 VISA 库未测试）。

VGCalibration.zip (20.49 KB, 下载次数: 77)

zhengrob · 发表于 2023-12-1 20:41:54

本帖最后由 zhengrob 于 2023-12-1 22:04 编辑

washu 发表于 2023-12-1 19:24
4、上位机

很好的总结，多谢washu！更重要的是，这么一个庞大的项目（硬件，固件，上位机）能够以开源的形式发出来，令人尤其赞叹！

感谢腿软（TalenChow）提供PCB设计，目前10组PCB在制备中，预计下周会生产完成。可以分给有兴趣并且有信心完成组装的坛友。

就像有网友讲的，攒齐PCB板上的元件不是一件容易的事情，首当其冲的就是LTC2400的拆机件基本上已经找不到货源，目录商报价的新片是一百多元一片。再加上多颗高精度低温度系数的金属箔电阻等，完成这个项目的成本是不会太低的。除此之外，一定水准的焊接和测试能力也是必要的，这个我就不必多讲了。

chenchg · 发表于 2023-12-1 21:18:43

本帖最后由 chenchg 于 2023-12-1 22:01 编辑

我想要一套PCB。
我有一块最初的版本，LTC2400+AD5541+MAX515+6N137的版本。
找了找，竟然还有一片当初屯的2400。

washu · 发表于 2023-12-1 21:27:20

润吉地发表于 2023-12-1 19:12
谢谢！希望能有朋友主持套件，可以多人协作，有力的出力，有时间的作分选，有钱的做些前期采购资 ...

套件很难，我 2014 年做过一次，消耗了非常多的时间精力（和部分器件特殊性有关，稍后在器件选择章节会说明）

后来的数次发行都只发行 PCB，实在是没时间精力去弄这个

开这个贴也是因为有坛友愿意主持一次 PCB 发行，套件就别想了，器件是大问题

washu · 发表于 2023-12-1 21:43:33

本帖最后由 washu 于 2023-12-1 21:47 编辑

zhengrob 发表于 2023-12-1 20:41
...攒齐PCB板上的元件不是一件容易的事情，首当其冲的就是LTC2400的拆机件基本上已经找不到货源，目录商报价的新片是一百多元一片。再加上多颗高精度低温度系数的金属箔电阻等，完成这个项目的成本是不会太低的。

PCB 发行（预定坛友征集）最好不要在本区而是去交易区，这个以前有斑竹提醒过，所以之前发行我都是在隔壁弄的

器件先简单说下，等下要照顾小孩睡觉

ADC 是个大难题，我发行套件之前苦于没有（廉价）货源，于是另外开了个用 ADS1232 的 Costdown 工程，不过固件没有更新到目前的最终版，源代码可以给你（其实以前也在隔壁发过但隔壁论坛挂了），你有空可以整合一下（如果有这个计划）。

ADS1232 有非常廉价的货源，当时的设计是用一片 PCB 通过预留的插针焊在主板上

不过这是不得已的办法，ADS1232 远远不能满足本设计需求，只是“凑合能用”而已。ADS1232 固件没有 7 位半，就只给 6 位半（实际上 6 位半也是勉强）

金属箔电阻不是必须，但如果有可以更好，没有也无伤大雅，本身这个设计就是“自校准”的，但替换的电阻宜低温度系数为好，建议考虑 10ppm 贴片电阻，我看目录商上价格较低（几毛钱）。上面的荔枝 PCB，电阻是 RNC55 金属膜电阻，50ppm 的温度系数（因当时 10ppm 电阻还不是很容易买到），效果也不错，10ppm 显然会更好。

zhengrob · 发表于 2023-12-1 22:10:43

washu 发表于 2023-12-1 21:43
PCB 发行（预定坛友征集）最好不要在本区而是去交易区，这个以前有斑竹提醒过，所以之前发行我都是在隔 ...

多谢washu提醒，上边帖子做了修改。

ADS1232可能稍微要差些，但肯定比搞不到2400强啊。

关于电阻选取，是不是LM399电路的几颗分压电阻至少要10ppm？

zhengrob · 发表于 2023-12-1 22:20:23

如果这样的电阻可以，采购就很方便了：

washu · 发表于 2023-12-1 23:20:06

zhengrob 发表于 2023-12-1 22:10
多谢washu提醒，上边帖子做了修改。

ADS1232可能稍微要差些，但肯定比搞不到2400强啊。

10ppm 已经很好，我发行的套件是 50ppm 的

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