脉冲式数字ESR表的分析与设计（合作帖续篇）

abbey_tom

小鬼头 发表于 2023-12-30 19:36
对。

我在“分析六”里，曾自我更正说他是“简单的连接”，其实也不对。他编程用的流程图里，显示出他 ...

再看一下我上楼的补充建议。
对于STM32来说，
ADC的最大工作时钟为14MHz,
单次ADC包括采样时间+转换时间
其中转换时间为固定的12.5个时钟
采样时间则可设定为1.5、7.5、13.5、28.5、41.5.……直到239.5个时钟，
采样时间越长精度越高，
8us的信号持续时间，相当于8*14＝132个ADC时钟
取28.5为采样时间，加上12.5个转换时间共41个ADC时钟
应该可以兼顾速度与精度。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2023-12-30 19:26
英文的程序流程有一处细节没有展现出来，
它应该是在每个充电8us延时后的时刻，
查询比较器的输出电 ...

我的电路设计已基本定案，现在可以拿来做实物调试。元旦上班后我可以发给你，用来制作pcb和编程调试。

这个电路，不需mcu有adc，也不需mcu有dac（或比较器），对mcu的要求很低。主要使用2块RR双运放，比如用cos722或tsv912。其中一块负责ac放大器、比较器，另一块负责做驱动的恒流源。

虽然我知道，现在内含adc的mcu也贵不了多少，但对于这个esr表，mcu里的adc实在是帮不上忙：平价mcu里的adc，无法担负起这里的dc电压检测任务。即使是stm32，其adc也仅能担负起esr测量需要，不能担负起容量C测量的需要。

容量测量时需要检测脉宽仅1uS的锯齿波、而且是锯齿波顶端处的dc电压。这显然不是adc所擅长的，用比较器才合适。

lijn

另辟新径，期待大师优秀作品出现。

icespirit

小鬼头 发表于 2023-12-30 20:05
我的电路设计已基本定案，现在可以拿来做实物调试。元旦上班后我可以发给你，用来制作pcb和编程调试。

...

看起来，这个软件代码才是关键吧

小鬼头

小鬼头 发表于 2023-12-30 20:05
我的电路设计已基本定案，现在可以拿来做实物调试。元旦上班后我可以发给你，用来制作pcb和编程调试。

...

干脆把目前定案的电路图贴在下面，不另外发给你了。有了这个电路图，你可以提前做一做前期的PCB设计制作的工作。至于整个仪表的编程协作，可能还得等一段时间才行。

目前我正在画编程用的流程草图（虽然我不懂MCU，但当年学过BASIC，没有全忘掉）。这部分内容，可能会在我写完电路设计部分的内容后，才能贴上来，因此，如果你需要我在编程上提供帮助，还需要等一等。但有关ESR测量这一部分，相对比较简单，你可以按你的理解，自己先行编程试一试。

下图中的红圈圈住的电阻R19可能最后需要调整（该电阻的取值合适与否，会影响电池内阻档低阻测量精度，但如果要求不高，不调整也行）。而且，在排布PCB时，这只R19电阻应靠近电解电容C5.

小鬼头

icespirit 发表于 2024-1-2 13:57
看起来，这个软件代码才是关键吧

软件代码（软件编程）不是关键。对电路的原理及其运作过程的认识，才是关键。

没有原机的软件代码，可以在吃透电路原理后，自行编写出来。这也是目前我们正在做的，因为原机的代码我们找不到。

如果仅是有软件代码，不理解其中的原理，只要是把电路稍为改变一下（比如我上面的电路，已改为3V供电），可能就会出问题。

小鬼头

脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究一


小鬼头     2024年1月3日


     前面对供参考用的外国数字式ESR表（下称原型机）进行了深入的分析。现在，开始进入自行设计的环节。

    一、关于设计目标等

     根据本人多年使用指针式ESR表的经验，对于这个脉冲式数字ESR表，期望他具有如下功能和特点：

     1、“在路测量”ESR值

     这项功能，是用于电器检修时判断电解电容的好坏，外国原型机就具备。原型机的测试电平实际不足100mV，比我当年设计的指针式ESR表还低，远低于半导体的PN结导通阈值（大概300mV)，符合“在路测量”需求。原型机的测量范围是0.01Ω~99Ω,能够满足绝大部分的实际检修需求。因此，这项功能的设计，大体上照搬原机即可。

     2、“在路测量”薄膜电容容量
     本人在设计制作成功指针式ESR表后，在使用过程中才发现这一项功能的重要性。因为日常的一些小家电中，那些“功率”型薄膜电容常常会因为失去部分容量而引发电器故障，这些电容的故障率还颇高。这些电容，包括家用电风扇的启动电容（常见是1.2u）、电磁炉的整流滤波电容（4u或5u)和高压谐振电容（1200V的0.027u)、洗衣机的马达启动电容（10多u）、廉价小电器（比如遥控落地电风扇、养生壶/煎药壶、LED灯等）的400V降压电容，等等。因为这些薄膜电容的故障表现均是失去部分容量的，测量其容量就能作出“好坏”的判断。如果具备“在路测量”的能力，就无需把电容拆下来测，会给电器检修工作带来很大的便利。
     原型机本身并不具备这项测量功能，但既然由我来设计，我觉得照搬照抄原型机设计的这种仿制没有多大意思，要有所创新和突破才好，就像我当年参考外国原型机进行指针式ESR表的设计那样——我当年不拘泥于原型机设计，按照功能做得更完善、更符合我们实际应用需求的方向，最终设计出来的指针式ESR表具备很高的完成度，其中有3处地方超越了原型机：1、能直接利用万用表的欧姆刻度盘，不需自行制作，大大方便了同好者的制作；2、完善的保护功能，极其坚固耐操；3、自带自动关机功能。
     因此，我在设计目标中，把“在路测量”薄膜电容容量这一项功能也加进来。根据实际电器的这些电容容值情况，把这项“在路测量”功能的测量范围确定为0.001u~99u。

     3、分辨率获得提升的电池内阻测量功能
     原型机具备一定的AC电阻测量能力，即是可以测量约50V以下的电池内阻。但他的最小读数是0.01Ω，对于我们常需要用来测试内阻的锂充电电池来说，分辨能力还不足够。把他扩展到0.001Ω(即1mΩ),那么，实用性就增强了很多——虽然本数字ESR表受两线测量方式限制，对于电池内阻的测量精度有限，但因为机子设有“归零”补偿校准按钮，可以即场抵消表笔电阻等的影响，所以，增加这一项扩展测量功能，还是有一定的实用意义。
     考虑到有些用户可能需要用来测量电瓶车的电池组内阻，因此，这项功能定为能测90V以下的电池内阻、最小分辨阻值为0.001Ω(即1mΩ)。

     4、完善的保护功能
     专用的电容ESR表，最好是能做到在常见的检修情况下，面对任何意外情形都不会坏——主要是指误测带有300V高压电的大容量电解电容的情形。
     检修开关电源220V市电整流侧电路时，即使是在关机的状态下，上述大电解带300V电的情形也是会有可能遇到的（我就遇到过三四次）。这是因为，有的故障机子会因为电路不振荡/开关管不工作，滤波大电解的300V电压不能及时得到泄放。如果这时去测这些电解的ESR值，就需要ESR表经受这样的考验。
     我当年设计制作的指针式电容ESR表，其保护能力就达到此情形下不会坏的水平。原型机、大部分国外网友和个别国内网友设计的指针式ESR表，从其电路判断，都不具备这一能力。
     而这一点，正是电容ESR表与普通LCR电桥的最大分野，或者说是，这是电容ESR表相对于LCR的最大优势（除了价钱方面有优势外）。虽然很多LCR电桥不具备“在路测量”能力（测试灌出电平太高），但是，有一些LCR还是具备“在路测量”能力的。从后面我写的本机设计内容中将会看到，保护电路器件的存在，会引致仪表的测量精度明显下降。可以说，商业LCR是因为与ESR表的设计取向不同，他更加追求精度，不得不降低其保护能力。也因此，我们的设计目标，就不能在保护能力这一方面作妥协，至少要达到指针式ESR表的水平。
  
     5、电路应尽量使用通用元器件
     我们合作设计的这个脉冲式数字ESR表，是打算作为开源项目公开给大家的。所以，也应该像我当年设计指针式ESR表那样，尽可能全部采用通用器件，以方便大家共享成果。   

abbey_tom

小鬼头 发表于 2024-1-2 14:47
干脆把目前定案的电路图贴在下面，不另外发给你了。有了这个电路图，你可以提前做一做前期的PCB设计制 ...

初步草图，
基本用贴片，
其中的PTC、几个特殊电容等，
暂未选定合适的封装。

icespirit

小鬼头 发表于 2024-1-3 17:19
脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究一

我提个建议，显示部分能否增加更加直接的“红”“黄”“绿”LED指示整列，其优点在于，平时测量的时候不用观察数码管显示的数值和表格去核对是否在规定范围内，因为一般人的潜意识，即绿色代表是可用的，黄色代表性能有衰减，红色则是彻底损坏的。(类似于数字万用表的下面有一行模拟指示带)
实际工作中存在大量的电容，大大小小，使用该主机进行筛查的时候可以根据颜色指示快速判断电容的品质。当然数码显示也应该存在，遇到一些要求精确的工况下就需要仔细测试对比数据,我觉得这样的方式，适用的更加广,高效

小鬼头

小鬼头 发表于 2024-1-3 17:19
脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究一

脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究二


       二、直接把原电路搬移过来

       原机以6只AA电池（5号电池）作9V供电，用今天的观点看，已显得不合时宜，因为我们有方便好用的3.7V锂充电电池可供选择。改为采用3.7V锂充电电池后，不仅可以令仪表体积缩小，而且，电池方面的使用体验感会有大幅提升。
      鉴于当前的MCU、运放都能工作于3.0V或3.3V，又出于尽量把锂电池容量利用起来的考虑，决定把仪表的电源电压修改为3.0V供电。相应地，需要使用LDO（低压差）的稳压IC。至于IC的封装体积问题，这与功耗有关，而这里的电路实际耗电比较小（激励脉冲的占空比比较小），将会是mA级，因此，使用小体积的稳压IC即可。
       于是，经简单计算后，将原电路搬移过来，得到如下的设计草图一：

   
     
        这个电路，打算在后面的MCU部分，利用其ADC能力，以Abbey所称的“虚拟锯齿波”方法，来获得原型机的计数器读取ESR值的功能。至于容量测量功能，则初步打算用我前面曾构想的“反向锯齿波”方法，来读取容量值。
       原机在比较器输入端处，检出的满量程信号电压FS2＝1000mV，这个值对于我们现在的3.0V供电情况来说，仍是合适的。因此，电路中的AC放大器取为33倍的名义放大值，“虚拟锯齿波”仍取SR=10mV/0.5mS。
       恒流源部分，仍采用原型机的高值限流电阻方法。但由于MCU的I/O引脚驱动能力通常最大约20mA，因此，量程1仍需采用BJT做电子开关的30mA恒流源，量程2、量程3则由I/O引脚直驱限流电阻。

      1、对草图一电路ESR测量部分的验算，证实问题不大。
       在测试端子处，FS1＝30mV。
       类似前面的“分析六”那样，“站在电阻两端电压的角度观察其恒流效果”是：限流电阻两端的电压约为电源电压的3V，负载电阻两端的电压最高是30mV，前者至少是后者的100倍。此情况与原型机一样都是“100倍”，表明这里存在的非线性误差，与原型机不相上下。
      保护电容C3带来的附加误差，情况也类似，因为驱动电流与FS1都是同步下降的，驱动电流在C3的形成压降所带来的误差，也与原型机不相上下。
      原机是3个量程各使用一只BJT作电子开关来控制恒流源，这样，加在限流电阻上的电压实际是“电源电压－BJT饱和电压”，由于BJT饱和电压相对比较固定（约为0.1V），因此，这就等效于电源电压稍下降了一些（由5V下降为4.9V）。由前面分析可知，这里的差异带来的是增益误差，而且3个量程的增益误差是一致的，可依靠CAL调回来。
       现在的电路，这里只使用了一只BJT作为其中第1个量程（30mA对应的量程)的恒流源电子开关，其他2个量程是依靠MCU内部的MOS管来充当恒流源电子开关。因此，加在限流电阻上的电压会有差异，也即是，第1量程的增益误差会与第2、第3个量程不一致。这样，在以第3个量程作校准后，会导致第1个量程的误差会增大。
      综上，第1量程的误差会比原型机大，第2、第3量程的误差与原型机比较接近。原型机的误差估摸是1%，现在约增大为2%，总体上，误差方面的问题不是很大。
   

     2、对草图一电路容量测量部分的验算，发现存在着大问题。
     验算容量测量部分的对应关系有：同一测试驱动电流下，1u电容有1个计数，100u电容对应有100个计数。但是，50u电容并非是原来预期的50个计数，而是99个计数。类似地， 10u电容并非是原来预期的10个计数，而是90个计数。
     很显然，这里出了大问题，输出（计数值）与输入（电容值）之间不是线性的对应关系。虽然在采用“反向锯齿波”后，传输函数的单调性方向获得了修正，但没有改变其“非线性”的属性。从这些数据看，传输函数保留的是原来的倒数关系属性，当初本人直觉此方法可行，仅是一种假像。
     这个容量测量问题，必须想办法解决。否则，就会像我们已放弃的上一个方案那样，需要MCU做除法运算，这样还需要MCU配有bit位数足够的ADC，显得很是臃肿累赘。

     为解决这个大问题，就需要在模拟电路这一块，让输出（计数值）与输入（电容值）之间建立起真正线性的对应关系。这需要回到传输函数关系式这一基础层面去作研究。。。。。


（待续）

   

小鬼头

icespirit 发表于 2024-1-4 14:40
我提个建议，显示部分能否增加更加直接的“红”“黄”“绿”LED指示整列，其优点在于，平时测量的时候 ...

想法挺好，但要把他实现却不现实。

这是因为，判断电解电容的好坏，除了要有esr值数据外，还需要知道他的容量值。要让mcu给出“红”“黄”“绿”的指示，那么就要给mcu输入容量数据。比如，你测的电容是220u的，那么，你就要“告诉”mcu他的容量是220u。

而使用者把容量数据告诉mcu整个过程的所花时间，在现有手段下，会远超我们普通esr表使用方法的时间。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2024-1-4 09:45
初步草图，
基本用贴片，
其中的PTC、几个特殊电容等，

有几只电阻阻值（r18、r19、r21）有误，最主要的是，电源电压有误，应该为3.0v。

小鬼头

小鬼头 发表于 2024-1-4 15:14
脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究二

脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究三


       三、实现容量测量功能的研究


       （一）先从基础层面考察设计草图1的ESR测量功能与容量测量功能


       1、ESR测量功能
      
       （1）比较器处

      对于比较器，前面的“分析三”已画出了他的工作波形分析图如下：

      

      按照函数图像的途径将这个图改画一下（纵横坐标对调），得到的图形如下：

      

      从上面这个图可看到，时间t（与脉冲计数值n成正比）是与检出电压Vo成线性的比例关系，即是有关系式：t=（1/SR)*Vo。令y＝t，x＝Vo，k1＝1/SR，此关系式变为：

      y=k1*x，其中k1是常数

      这样就容易从关系式中看出，这是一个线性系统的传输函数。

       （2）测试端子处

      在测试端子处，前面的“分析一”得到他的检出电压关系式为：Vo=Id*t/C+Id*ESR。当C足够大时，则得到原型机ESR测量原理的基础关系式：Vo=Id*ESR。同样地，令y＝Vo，x＝ESR，k2＝Id，此关系式变为：
  
      y=k2*x，其中k2是常数

      可看出，这也是一个线性的传输关系。

       （3）整个测量系统

      由于测试端子的输出信号Vo（经过Av=20的AC放大器放大后）是比较器的输入信号，因此，整个测量系统是2级（加上AC放大器是3级）线性系统的串接，其总特性仍是线性的，总的传输关系是：

      t＝(k2*Av*k1)*ESR=(Id*20/SR)*ESR

      另一方面，脉冲计数值n与时间t的关系为:n=t/T,其中T＝0.5mS是激励脉冲的周期。如果令Id*20=SR*T（对于量程3来说，就是Id=0.5mA、SR＝10mV/0.5mS、T＝0.5mS）,那么可得到如下的原型机量程3（0.5mA驱动）的测量关系：

      n=t/T=[Id*20/(SR*T)]*ESR=ESR

      类似地可得到，对于量程2（5mA驱动）有n＝10*ESR，对于量程1（50mA驱动）有n=100*ESR
      
       2、容量测量功能

      我们前面的设计草图1此项功能出了大问题，现在需要深入研究一下其中的因由。     

      （1）比较器处

       采用原来预想的“反向锯齿波”方法后，比较器的工作波形变成如下的样子：

      

       图中可看出，电容容量C越大时，时间t就越大，似乎符合测量的需求。但是，这里的传输关系，仍然与检出电压Vo构成线性的传输关系（并不能对测试端子处的非线性传输关系作出补偿）。改画一下图形，可得到下图：

      

       图中的函数关系可改写成如下样子：

       y=kx+a，其中k=-1/SR，a=to

       从此式也可看出，与ESR测量时一样，这也是线性系统的传输函数。区别仅在于这里有一个偏移项（to）、以及比例系数k为负数，但不改变其线性关系的属性。

      （2）测试端子处

       在测试端子处，前面的“分析一”得到他的检出电压关系式为：Vo=Id*t/C+Id*ESR。当t/C远大于ESR时，得到容量测量需用到的基础关系式：Vo=Id*t/C。像上一节一样，用令y代替Vo，k2代替Id*t，此关系式变为：
      
       y=k2/x，其中k2是常数
      
       画出这个函数最简形式的y=1/x图像，是如下的样子（网上找来的图片）：
      
      

       从图像可看出，这是一条曲线，不是一条直线，表明y=1/x是非线性的传输关系。由于k2是常数，所以，在测试端子处的y=k2/x也是非线性的传输关系。


      （3）整个测量系统

       由于在测试端子处是非线性的传输关系，因此，他送出来的信号是“失真”的信号。后面AC放大器、比较器的传输关系是线性的关系，于是，经过这2个线性系统后，最终得到的仍是“失真”的信号。也就是说，总的传输关系是非线性的传输关系，脉冲计数值n不能与ESR值严格对应起来，不能获得原来预想的容量测量功能。

       二、再从基础层面研究如何实现线性的容量测量关系

      
       （一）从关系式入手进行研究

       由上一节可知，在测试端子处，容量测量需用到的基础关系式是Vo=Id*t/C。把他改写一下，得到

       C＝Id*tc/Vo

       就原型机的ESR测量工作方式来说，这里有tc=8uS（驱动电流的脉冲宽度）、Id=0.5mA(量程3时），即t、Id是固定值，而Vo是变量。若改为tc仍是固定值（比如tc=10uS），Vo是固定值（比如Vo=100mV，这个电压表征的是测试端子处的比较器翻转等效电平），Id是以SR的速率随时间而线性逐级增加的驱动电流，即Id＝SR*t,那么，就可以得到：
      
       C＝SR*t*tc/Vo

       再改写一下这个关系式，可得到

       t=k*C,其中k是常数，k=Vo/(SR*tc)

       这时可以看出，这是一个线性的传输关系，时间t(与脉冲计数值成正比）与容量C构成正比例的线性关系。这样的线性关系，正是我们容量测量功能所需要的。

       参照前面方式，也画出这里的比较器工作波形图（测试端子处的等效图）：


     


         （二）画出模型电路图并作数据核算

       用电路图画出测试端子处的工作模型，是如下的样子：

      

       若令Vo=100mV(测试端子处的比较器翻转等效电平，即图中的Vref）、SR＝1mA/0.5mS（驱动电流逐级增大的速率）、T＝0.5mS（测试驱动脉冲的周期）、tc=10uS（驱动电流的脉冲宽度），那么，由上一个关系式可得到

       n=t/T=[Vo/(SR*tc*T)]*C=10000000*C=C*10^7

       当C＝0.1u时，脉冲计数是n=1。类似地，0.2u时有n=2,0.3u时n=3.......9.9u时有n=99。这样，就得到了我们所需的容量测量的其中一个量程（0.1u~9.9u）。

       把SR改小为SR=0.1mA/0.5mS,可得到0.01u~ 0.99u量程。

       把SR再改小为SR=0.01mA/0.5mS,可得到0.001u~ 0.099u量程。

       保持SR＝1mA/0.5mS不变，把tc改大为tc=100uS，可得到1u~ 99u量程。也即是，此量程需要将驱动电流的脉冲宽度tc扩展10倍。

         （三）把模型电路变成设计草图

        前面分析的是测试端子处的传输关系。实际电路中，还需把测试端子处的电压进行放大再送到比较器，以便为比较器的工作创造更好条件。

        经过简单计算后，可得到如下的设计草图2：

      




        有关这个设计草图2的说明及其存在问题的分析，留至下一节再介绍。。。。


（待续）

        
      

      

      

taotaoliu199

这个表就是基于前面国外esr电路及原理用msp430实现的

taotaoliu199

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