数字闭环自校准的 6 位半电压源 Voltgen V1 版终结贴

zhengrob

虚拟机上装XP再装FastAvr，有复古的感觉 ，编译器虽显简陋，但是真短小啊：

duke83

全部资料都放在一起方便多了。

几年前我也有焊了一片主板靠上位机程序来用，应该找时间再来做个前面板来用。

gdi2045

瓦叔是个好人，感谢分享资料.

美人鱼999

十多年前我组装的Voltgen，也是老版本，前2年疫情在家，没有事，改成2400版本了。面板一直没有做，这次坛友打版，有没有面板线路板？

washu

器件选择问题

1、ADC

ADC 最初选择 LTC2400 是因为它只有 8 个脚、易于焊接，刚开始折腾这货的时候嘉立创打板费用还不是很低，所以 PCB 是手工做的


选择它纯粹是懒 不过幸运的是这是一个好选择
a、它的性能足够
b、它是无延迟的，单周期 ADC（稍后解释）
c、它是非差分 ADC，输入范围是单端 0~5V，正好当时没打算设计负电压

2013 年前后嘉立创打板费用下降，对 ADC 进行了多种尝试，实测表明多数指标更好的 ADC 效果提升不显著，问题在于
a、一些 ADC 比如 ADS1232、AD7190 等不是单周期 ADC，它们需要数个周期建立，输出和输入存在较大延迟。而自校准的设计使得 ADC 必须无延迟、单周期响应输入信号变化，因此无法采用
b、一些差分 ADC 输入范围是 ±2.5V（±Vref/2），相对于 LTC2400 其实只有一半的动态范围

所以 2400 就一直使用下去，直到 2015 年发行套件的时候发现，已经很难买到 2400，索性之前测试的 ADS1232 较容易买到且廉价，就发行了两个版本，一个是原始设计版本，使用 LTC2400 作为 ADC，MAX541 作为 DAC；一个是 Costdown 版本，使用 ADS1232 作为 ADC，可在某 JS 处以极其低廉价格买到的拆机 AD569 作为 DAC，同时推出两套固件。

2、DAC

类似于 ADC，最初选择 MAX541 作为 DAC 是因为它只有 8 个脚、易于焊接吧啦吧啦 当然它很贵，但那时候“大学生”申请样片然后转手假货宝卖出的事情还不多，各大公司的样片是比较容易申请到的，所以包括 LTC2400 在内，其实都是申请的样片，因此当时没关心过芯片价格这个问题。原始版本使用 2400+541 的组合，就是这么来的。

等到发行套件的时候发现不仅 2400 很贵且很难买到（便宜货），MAX541 也是一个天价芯片，所以 Costdown 版本需要选择另一个便宜的 DAC，彼时某 JS 处有大量拆机的 AD569，价格异常低廉，所以虽然它脚很多，虽然它很大，虽然它非线性很严重吧啦吧啦，总之 Costdown 版么，价格就是一切 所以选择了它作为 Costdown 版 DAC，因此有了上述两个版本。

再后来在调试时发现，AD569 可外接单一 10V（芯片本身设计是 ±5V）基准电压，这样最终合成的 10V 不需要放大，有较低的噪声；而 MAX541 使用 5V 作为基准电压，最终合成 10V 噪声略大。虽然 2400+541 的原始设计能满足 6 位半要求，但隔壁论坛（大家知道是哪个）人手至少一台（多的十几台铺满两柜子）八位半万用表么，个个追求要到 0.1ppm 所以我又弄出一个合体版，ADC 是 LTC2400 而 DAC 是 AD569，超低噪声

这也是为何原设计是 6 位半，实际上开放出 7 位半的缘故。（ADS1232 版由于性能不佳只开放了 6 位半）


3、电阻

本设计试图通过自校准降低对关键电阻的要求，所以不需要非常好的电阻。但低温漂的电阻有利于让输出电压更稳定，关键部分建议使用 <10ppm 的电阻，如今在目录商这种电阻也就是几毛钱一个的零售价 自校准的设计使得电阻的长期稳定性并不重要，不需要使用昂贵的金属箔电阻。

4、运放和模拟开关

因自校准设计需要使用模拟开关反复切换，模拟开关的导通电阻和漏电流，每个通道都有差异，因此除了 ADC Buff 运放需要较低的输入偏置电流之外，其它运放使用 相当于 OP07 的运放即可满足性能。但腿软画 PCB 时为了方便（偷懒）用了很多双运放和四运放，这导致我选择 OPA2277（OP727）、OPA4277（OP474） 等较为昂贵的运放（因我不太清楚如何选型），如果使用本 PCB 这钱没法省。

但运放属于用量较大的模拟器件，很容易买到便宜的菜鸡货 所以也不是问题，菜鸡的 2277、747 也就一两块钱。类似的，ADC Buff 的 AD711 肯定也是选择菜鸡货，这玩意新的很贵。我不太清楚可替代的器件，不过，几毛钱的 TL071 也是可以的

模拟开关要求不高，道通一致性好、漏电流小的为好，原始设计的 DG412 即可满足要求

5、屏幕、变压器和外壳，以及其它

屏幕最初调试时使用了手头上的 HD61202 兼容并口 12864 液晶屏，后来设计装壳时出于方便，选择了一个尺寸较小的兼容屏幕，因此文字看起来略小、对比度不高、不醒目。为此后来选择了一款 2.4 寸的绿色 OLED 串口屏幕


坛友可根据自己实际情况选择屏幕，液晶屏十来块钱能买到，OLED 要上百，但显示效果较好。

外壳也是出于方便省钱考虑，选择了当时能装下第一版嘉立创打样 PCB 的一个外壳（不到 10 块钱的塑料机壳），现在这版 PCB 根据此外壳设计，但当时 PCB 打样费用比现在还是高，所以腿软设计时比较抠抠搜搜吧 毕竟设计本身不可能一次完美，我和腿软使用的 EAD 工具也不一样，腿软需要重新画原理图这就容易出错，所以反复打板要花不少钱，在打样比较贵的年代抠抠搜搜也是可以理解的

屏幕不大也是出于外壳限制。

变压器为方便选择了焊板式变压器，所以 PCB 上直接就有变压器位置。坛友如果自己找外壳和变压器可不用管这些破事，否则需要有人统一去订做才行，包括前面板的开孔等，这些 DIY 不费什么事，但要去统一定做需要相对较大的量，所以这里不建议定做变压器、外壳、前面板，DIY 为好。

电源的要求是，模拟部分正负 15V（PCB 有整流桥、滤波和 78/79 稳压），设计电流 200mA（实测大约 20mA，但辣妹三九九冷鸡上电时电流较大）；数字部分 7V（同样），数字部分电压不能太高，因用的是 1117 LDO。数字部分视屏幕尺寸和背光，电流数十毫安到一两百毫安。

内部温度计使用 DS18b20，也可以不安装，开机时会检测 18b20 是否存在，不存在会跳过温度检测。设置温度计是为了进行温度补偿，但由于实测表明温度系数足够小，所以就没有再多余设计温度补偿行为。

上位机（PC）接口使用 FT232 芯片，较昂贵，不支持 PL2303 替换。因 FT232 可轻松兼容至 Win11 x64，而 PL2303 问题较多。单片机的 RX/TX 线在 10P 的编程接口引出（ISP 编程接口只是用了 6 线），坛友如有需求可自行替换为 PL2303、CH340 等 USB-ART 的数据线。

baihy19901105

虽然接触"自校准”技术是通过原英国迪特朗公司（国内天无一厂）1071机了解一点；瓦数这个先进了。

5free

这一版我已经有了，下一版弄个体积小一点哈

duke83

想问一下楼主有关这台的输出杂讯的问题。

几年前我也基于好奇买了一块板子来玩，最后的半成品（没外壳）没有很满意就没再玩下去了。
当时我测到的杂讯约为 20uV 上下，有将磁耦合元件 ADuM1201 拆掉直接连接杂讯就马上下降。
但因为没有隔离ˊ只要接上 USB 就马上上升，再将耦合元件换成 FOD8012 后也没有比较好。

所以想请楼主问这个杂讯经验值是多少，有辨法能够再降低吗？
曾经也想过将板子重画多铺一点地铜箔，后来就没兴致了。

washu

duke83 发表于 2023-12-10 08:41

想问一下楼主有关这台的输出杂讯的问题。

几年前我也基于好奇买了一块板子来玩，最后的半成品（没外壳）没有很满意就没再玩下去了。
当时我测到的杂讯约为 20uV 上下，有将磁耦合元件 ADuM1201 拆掉直接连接杂讯就马上下降。
但因为没有隔离ˊ只要接上 USB 就马上上升，再将耦合元件换成 FOD8012 后也没有比较好。

所以想请楼主问这个杂讯经验值是多少，有辨法能够再降低吗？
曾经也想过将板子重画多铺一点地铜箔，后来就没兴致了。 ...

您好，这个问题很后面才被发现，已确定是 LM399 被磁耦干扰，目前有此问题的机器都可通过更换 399 解决：似乎有极少数 399 存在此问题。或者不要蛤蜊直接连线也可以（但连接到上位机会受影响）。

不清楚你的 PCB 是哪一版，我作为荔枝的 PCB 是 6N137 光耦的，



在前面链接中有研发过程也一直是光耦，是很后面发行的时候因为光耦的一些原因，很多爱好者强烈要求替换为磁耦才替换的，然后又过了很长时间，才发现你说的这个问题   所以其实最合理的办法是继续用光耦蛤蜊，我以前也说过，商品高位表比如 34401、3458 都是光耦蛤蜊而不是磁耦蛤蜊，应该是有原因的。

在关闭自校准时，且温度稳定，Voltgen 的输出噪声还是由 399 自身的噪声决定，这也是一个概率问题，运气好的在 3458 上（7 位半）只跳 2、3 个字，运气差的 399 自身噪声就差不多 1ppm，多数在两者中间吧

btw. 如没有多余的 399 可联系我给你寄一个备件，我当初是准备了大概 10 套备件的 就是并不一定但大概率能解决问题。至于光耦是研发过程中使用的，我也没有多余的，且也要看你主板画的是磁耦还是光耦...

duke83

washu 发表于 2023-12-10 09:10
您好，这个问题很后面才被发现，已确定是 LM399 被磁耦干扰，目前有此问题的机器都可通过更换 399 解决 ...

感谢！

我也不知道我的是哪一版 2018 年买的，照片给你看看。


LM399 我还有几颗我找时间换看看，但我不懂为何会受到磁偶合的干扰？

先前我有看过同好实测可以达到 1uV，所以想知道正常值应该在多少以下？

duke83

washu 发表于 2023-12-10 09:10
您好，这个问题很后面才被发现，已确定是 LM399 被磁耦干扰，目前有此问题的机器都可通过更换 399 解决 ...

感谢！

我也不知道我的是哪一版 2018 年买的，照片给你看看。


LM399 我还有几颗我找时间换看看，但我不懂为何会受到磁偶合的干扰？

先前我有看过同好实测可以达到 1uV，所以想知道正常值应该在多少以下？

washu

duke83 发表于 2023-12-10 09:34
感谢！

我也不知道我的是哪一版 2018 年买的，照片给你看看。

2018 是第二次发行，新版，主板直接改磁耦，2015 第一次发行的时候主板还是光耦，磁耦转接的

问题也是 2018 发行的时候被发现的...

除非你自己画一个转接板转回光耦否则只能换 399 碰运气了

至于低到 1、2uV 那个纯粹是脸白，就不要想了，我试制了十几台样机也就一台辣么好

duke83

我是用 FOD8012 来直接替换 ADuM1201，接脚一样所以可以工作但杂讯还是一样大。

所以我先来挑个杂讯比较小的 LM399 后再来测，只是可能 7 转 10 电路的精密电阻可能要重新配置了。

washu

duke83 发表于 2023-12-10 10:02
我是用 FOD8012 来直接替换 ADuM1201，接脚一样所以可以工作但杂讯还是一样大。

所以我先来挑个杂讯比较 ...

FOD8012 是光耦么，居然也这样 因为我之前是没在光耦版发现这个问题，所以也没 100% 确定：因为我当初就买了那几个光耦...没对发现问题的 399 作进一步测试，只是确定操作磁耦会导致 399 电压变化超过 20uV，直接连线没问题，然后换了 399 解决...

7 转 10 电路不需要精确匹配，你可刷最新版固件，然后用 EEPROM 管理器写入 10V 电压，其实不写也没关系（默认 10.000000V），反正会自校准

jforu

如果你用FOD8012，至少要用6个，少于这个说明其中有几路不完全隔离。因为一个FOD8012是1IN 1OUT.