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 2024-1-25 10:35
你的理解基本正确。

实际上，你的adc方案，1次测量就能通过adc的数据得到结果，不需像现在的电路那样 ...

我现在的ESR的ADC测量方案，
利用了连续激励30次取平均值的方法，
得到的数据还是比较稳定的。

小电容容量的测量，
对ADC时序控制比较高，
有没有什么别的方法来降低要求，
并得到更可靠的结果呢？

那个TT，我实测几个pF的电容都可以得到基本正确的结果，
现在看来，
目前板上的硬件（包括比较器）都已具备，
能否找到类似的方法结合起来。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2024-1-25 10:52
我现在的ESR的ADC测量方案，
利用了连续激励30次取平均值的方法，
得到的数据还是比较稳定的。

不考虑增加小电容测量功能。

因为在维修实践中，小电容出现故障的机会甚少，即使出故障，大多也不是容量方面出问题，而是其他方面出问题（比如漏电）。

小鬼头

小鬼头 发表于 2024-1-24 09:06
我回头查了一下我设计时的PWM仿真文件，发现是我当时在来回改参数作偿试的过程中，最后把PWM模块的1个关 ...

to abbey、daw85:

刚才我核算了一下，不需要做过多的修改，只要按照我前面的双重RC滤波器参数来做（取值分别是2.2k、1u、220k、0.01u），就能满足当前2线版机子的要求，而且不怎么影响容量模式的测量精度。你俩可以继续按此路线做试验。

1、采用双重RC滤波后，纹波已低于12mV（1LSB），解决了纹波过大造成测量数据不准确的问题。

2、现在的锯齿波波形，主体部分的SR仍是很不错的，不一定要使用很理想的锯齿波波形。我已证实，锯齿波波形的初段SR不理想，可通过对容量模式的补偿校准用数据做相应的调整即可，基本不影响容量模式的测量精度。

3、我原来担心需要作2次的补偿校准，才能获得容量模式所需的补偿数据（表笔、接触电阻等的Rc数据）。现在通过计算，表明像原型机那样做1次补偿校准即可。因为理想锯齿波波形与现在的锯齿波波形之间的“差额”，是比较固定的——只要RC滤波器的参数固定，这个“差额”就固定。这样，就可以用一个固定值对校准程序读到的Rc值作修正，用于给容量模式作增益校准，令容量模式的测量精度没有明显下降。

我找个时间，也把这部分内容也写进“设计研究”系列帖子之中。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2024-1-24 22:23
看数据，没发现有明显问题。

但我最担心的是容量测量模式。需要构造出峰值约100mV、宽度为合适的锯齿 ...

感觉这个是不是说反了，
1mA档，在比较器正向端要得到1300mV的电压
0.1uF电容脉宽取1us,
0.2uF电容脉宽取2us
电容越来越大，应该并联吧。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2024-1-25 19:41
感觉这个是不是说反了，
1mA档，在比较器正向端要得到1300mV的电压
0.1uF电容脉宽取1us,

噢，是应该2只并联。

蓝杰13

敢问大师电容esr表期望精度多少？0.01?感觉方波测量esr难有精确度可言，做定性分析尚可

小鬼头

esr的测量分辩率就是按原型机来做，只分辨到0.01欧。

把他提高一些，不是不可以（——计划中的四线版，其电池内阻档初定能分辨至0.1m欧，用他来测电解，也能测出esr值来，但因工作原理限制，会附加上容量所带来的偏移误差）。而根据指针式esr表的使用经验看，这样的分辨率已能充分满足绝大部分的检修需求。

kfeiyy

期待大作早一天完成。

luosifu

此类技术贴，能否生成PDF格式文件（包括楼主的讲解、技术讨论，实验改进，连同所有坛友的各种回复，甚至像俺这种捣乱的回帖），作为长久的学习和参考资料昭告天下，以防丢贴。

小鬼头

小鬼头 发表于 2024-1-24 17:15
脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究八

     本节主要研究当前设计的脉 ...

脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究九

     
    在完成本机容量测量模式基本工作原理的研究后，我才想起手头有一本早年国内盗印、台湾翻译出版的《99种简易自制测试仪器理论与实作》一书，里面也有采用脉冲计数法的数字电容计设计。该书没有给出原著的信息，但估计是源自欧美国家。





    为了进一步确认本机的容量测量是否行得通，也为了加深对这种脉冲计数法测量容量原理的理解，于是找来该书仔细阅读。通过阅读和分析，证实本机的基础工作原理，与书中的2种数字电容计完全一致，都是通过使用“时钟闸门”（书中原文为“时钟闸”），来建立起脉冲计数值与被测电容容量值之间的正比例线性关系，从而实现容量的测量。

    本节的研究内容主要围绕本机的容量测量模式，与同是采用脉冲计数法的这2种数字电容计作比较。


    一、书中的2种数字电容计资料

    （一）、书中的《数位电容测试器》

    具体见下面图片：









    这个电容计，是以单稳态电路来构造“时钟闸门”的。“时钟闸门”的时间长度由单稳态电路的RC决定，其中，C是被测电容，R是固定电阻（为了提高测量精度，这个R是经调试后确定的固定电阻）。

    单稳态电路控制“时钟闸门”开启与关闭。当“时钟闸门”开启时，允许计数脉冲送到后面的计数器电路，显示屏上的计数数值会随着计数脉冲数量的增加而增加。当“时钟闸门”在单稳态电路控制下变为关闭状态后（相当于我们机子MCU收到“停止计数”信号），显示屏上的计数数值将不再变化，此期间会一直显示这个计数数值（这个计数数值就是被测电容C容量值的测量结果）。
    计数脉冲（时钟脉冲）是由晶振电路产生的，其周期远小于“时钟闸门”的时间长度，两者构成固定的比例。又由于“时钟闸门”的时间长度与被测电容的容量C构成正比例关系，因此，整体上，建立起脉冲计数值与被测电容容量值之间的正比例线性关系，从而实现容量的测量。
    此电容计设置有复位、重启功能，，因此，能够周期性地对被测电容进行测量，并周期性地刷新所显示的测量结果，这一点，与我们机子相同。该机还采用分频的方法来实现测量量程的切换。

    2、书中的《简易的数位电容测试器》

     具体见下面图片：








    这个电容计的“时间闸门”更接近于我们的机子。他是以标准RC电路、加上比较器（741运放）来构建“时钟闸门”。
    开关打至测量功能后，计数脉冲电路开始工作，电源电压经R向被测电容C充电。充电初期，比较器一直输出H电平，即是这个“时钟闸门”一直处于开启状态，允许计数脉冲送到后面的计数器电路和显示电路。直到电容电压超过所设定的DC电压值（该机设为电源电压的0.63倍，这也是比较器的Vref电压），比较器状态翻转，“时钟闸门”改为进入关闭状态，即是“时钟闸门”关闭，显示屏上的计数数值将不再变化。   
    该机之所以要将比较器的Vref设为电源电压的0.63倍，是因为在这个取值下，“时钟闸门”的时间长度t刚好为t=RC（可通过标准RC电路的关系式求解得到）。这样一来，就允许R取为1k、10k欧姆这样方便的取值，否则，就有可能需要取比较特殊的电阻值，才能让显示屏上的计数结果与被测容量值之间构成准确的对应关系。
   
   该电容计没有复位、重启功能，拨动一次测量开关，只作一次性的测量，而且在下次测量之前，显示屏将一直显示此次的测量结果。因此，这个电容计被称为“简易型”。


     二、我们机子与上述2种电容计的比较

   （一）相同点

    1、都是使用“时钟闸门”
   
    2、时钟闸门的开启时长与容量值成线性的正比例关系


    （二）不同点

    1、测试电平。这2种电容计的测试电平都很高，至少达到电源电压的一半。这个测试电平远超半导体PN结的导通电压，不能用于在路测量。

    2、测试充电时长。这2种电容计在测试期间，被测电容的充电时间相当长，因此，若采用在路测量的方法，把他用于测量电机启动电容的容量，会受并联DC电阻（电机启动线圈的DC电阻）的影响而产生巨大的测量误差。

    3、保护电路。这2种电容计都没有保护电路，毫无自我保护能力，属于“裸奔”。

   

    三、参照《简易的数位电容测试器》工作原理可发展出的MCU电容计设计

    《简易的数位电容测试器》仅使用RC电路(再加运放做的比较器)，就构建出容量测量所需的“时钟闸门”。这个C是被测电容，如果使用MCU，那么，就可以发展出仅需1只外接电阻的数字电容计（仅有1个测量量程时）。以此为基础，还可以根据需求来增强功能。下面，简单就此作一番纸上谈兵式的研究


     （一）最简洁的MCU电容计

     MCU外面只需外接1只电阻R，利用MCU内部的门电路作为比较器，就能构建出容量测量所需的“时钟闸门”。由于门电路的翻转电平约是电源电压的一半，因此，需要使用合适阻值的电阻R，或者是通过设定合适“时钟脉冲”周期来予以配合。在不考虑在路测量需求时，就没有了对测试充电时长的限制，被测电容充电时长可以是1uS起、至数百mS甚至是1S。这样，一个量程就可以覆盖很大的容量范围。
     其他方面，都可以通过MCU内部作好相关安排，这样就能做出一个电容计来。
     我估计那些TT（晶体管测试仪）的容量测量功能，基本就是采用这一类模式，所以能够实现外围电路的超简洁化。

     （二）扩展量程
     当1个量程不能满足要求时，可通过增加电阻R来扩展。

     （三）降低测试电平以实现基本的在路测量能力
     测试电平不高于半导体PN结的导通电压，这是具备在路测量能力的基本要求。
     如果要满足这个要求，测试电平（测量期间电容充电后的电压）就需要控制至足够低，比如200mV。这样，单靠MCU就做不出符合要求的“时钟闸门”。需要外接一个Vref=200mV的比较器，或者是像我们机子那样，把测试电平信号放大（需要外接一个运放）。

     （四）增强保护能力
     如果要提升保护能力，就要像我们机子那样增加数量不算少的箝位/限流器件。

     （五）减小被测电容并联有DC电阻时的测量误差（前面所述的电机启动电容在路测量情形）
     要减小这种测量误差，就需要控制测试充电时长。当测试充电时长缩短后，单个量程的覆盖范围就会大大缩小。这样一来，就只有2种选择，一是以增加元件的代价（增加量程）来保证原来的测量范围能力。二是放任让机子的测量范围能力减小。
      
－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－－

    可看到，当把原来只有1只外接电阻的超简洁MCU电容计作了后面4个项目的功能强化后，其复杂程度，已跟我们现在的机子相差不远。而我们机子的容量测量功能，细究之下，是在没有增加任何1只元件开销的情况下额外获得的。也就是，我们的机子即使取消掉容量测量功能，他也不能减小任何1只元件，因为我们在原型机基础上发展起来的ESR、电池内阻测量功能都需要用到机上所有元件，没有1只元件是多余的。


（待续）

abbey_tom

RC滤波增加到二阶后，
衰减会增大
是不是就达不到原来设计的峰值了。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2024-2-8 15:23
RC滤波增加到二阶后，
衰减会增大
是不是就达不到原来设计的峰值了。

不影响锯齿波的输出峰值。即使影响峰值，只要峰值能达到约300mV+1200mV+1200mV=2.7V，就不会带来实质性的问题。

这是因为，300mV+1200mV是理论上的工作区间，当表笔电阻（会带来偏移误差的电阻）较大时，实际工作的区间需要扩大。而我打算只允许表笔电阻最大1欧姆（超过后，校准小程序会报错），对应的检出电平是100mV，到达比较器则为1200mV。这个1200mV就是上面2.7V中的第二个1200mV（2.7V中的300mV则是Vdc）。

我本来想在春节前写完有关pwm纹波/滤波方面的内容，以便你们放心地利用假期作试验。但因别的事情耽搁了，这部分内容只能在春节后写。

不过，你们按现在给的二级RC滤波方案作试验就行，对于esr模式来说，此方案与我最后确定的滤波方案相差不大，也足以够用。

小鬼头

luosifu 发表于 2024-2-4 13:45
此类技术贴，能否生成PDF格式文件（包括楼主的讲解、技术讨论，实验改进，连同所有坛友的各种回复，甚至像 ...

建议你给你的电脑（或手机）安装一个PDF打印机。在你用浏览器打开帖子后，使用PDF打印机把帖子内容保存为PDF文件。这只能一页一页地保存，或许有更好的办法，但我觉得还行。

我就是这么做的，以此来代替我以往的手工笔记。

而我上次设计指针式esr表，则刚好是反过来。即是，先做的是笔记底稿，后遇到《无线电》杂志编辑约稿，才把笔记整理并发表出来，成为杂志上一篇指针式esr表设计制作的专题文章——专题文章见下面链接：

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=148682

luosifu

小鬼头 发表于 2024-2-8 20:12
建议你给你的电脑（或手机）安装一个PDF打印机。在你用浏览器打开帖子后，使用PDF打印机把帖子内容保存 ...

PDF打印机我有，也是您提到的问题，一页一页打印有点麻烦

abbey_tom

小鬼头 发表于 2024-2-8 18:00
不影响锯齿波的输出峰值。即使影响峰值，只要峰值能达到约300mV+1200mV+1200mV=2.7V，就不会带来实质性的 ...

发现计数值总不能从0开始，
总是要从30－40开始，
ADC测量正端电压也是从300多mV起步。