脉冲式数字ESR表的分析与设计（合作帖续篇）

abbey_tom

icespirit 发表于 2024-2-14 12:40
首先你的layout布线就存在缺陷，看起来似乎很随意，要知道每一根走线每一个元件放置的位置都不是随意而就 ...

确实如此，
PCB也就是去年才开始的，
远没有达到追求品质的阶段，
也就是玩玩儿。
另外，因为是试验板，
电路及一些封装也没有确定。
如果您有时间的话，
希望能够得到指教。
附PCB工程。先谢了。

holts

期待用MCU片内比较器的原理图。

abbey_tom

holts 发表于 2024-2-14 13:14
期待用MCU片内比较器的原理图。

国外原版的就是用的片内比较器

abbey_tom

小鬼头 发表于 2024-2-14 09:51
1、原型机是使用一只68欧电阻来进行全部量程的cal校准的。

2、我们机子也打算采用原型机这种方法。也 ...

关于LDO芯片，
3V的比3.3V似乎要少
我现在用的是ME6206A30M3G
最大电流标称250mA
有否推荐更适用的芯片？

holts

abbey_tom 发表于 2024-2-15 09:43
关于LDO芯片，
3V的比3.3V似乎要少
我现在用的是ME6206A30M3G

直接用这种，行不 ？

abbey_tom

holts 发表于 2024-2-15 10:30
直接用这种，行不 ？

这是3.3V的，
小鬼头老师要用3.0V的。

蓝杰13

ldo 很多HT7533、MCP1703、MCP33等等，单片机供电最好低静态电流的

蓝杰13

大师什么时候有整体方案？几块钱的单片机大堆的，不在乎那几毛钱差价，玩的就是乐趣

蓝杰13

我也搞了一个手机版esr，在路测量电容，精度不要求很高，能分辨好坏就可以了，暂定0--50欧，量程自动切换，10欧以上一位小数点显示，大于50显示开路状态，1.5欧以下蜂蜜提示

飞翔的空灵

蓝杰13 发表于 2024-2-22 10:15
我也搞了一个手机版esr，在路测量电容，精度不要求很高，能分辨好坏就可以了，暂定0--50欧，量程自动切换， ...

这个就厉害了，旧手机焕发第二春

holts

飞翔的空灵 发表于 2024-2-22 17:55
这个就厉害了，旧手机焕发第二春

                       .

daw85

abbey_tom 发表于 2024-2-15 09:43
关于LDO芯片，
3V的比3.3V似乎要少
我现在用的是ME6206A30M3G

我用的CJ6101A30M，JLC买的，上面显示最大输入电压6V，但Datasheet里面又说可以到8伏。6伏，8伏我都没试过，我直接前面接了个7805

daw85

我搞到现在不准备继续下去了，我发现想通过PGAX10扩大量程的时候进行不下去，系统会在短路表笔时都有很多的杂波（可能是我学艺不精，PCB排版时未搞好）。不用PGAX10扩大档位的话基本上可以用

daw85

当前完成品如附图，自用

小鬼头

小鬼头 发表于 2024-2-8 14:47
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

     

脉冲式数字ESR表（带薄膜电容容量、电池内阻测量功能）的设计研究十


     本节主要针对锯齿波的PWM纹波问题作研究，并对设计电路图作相应的调整。


     一、设计草图n存在的PWM纹波太大的问题  

       之前，经abbey、daw85试验，发现前面设计草图n的锯齿波波形纹波太大，远高于当初的仿真结果，会导致测量出错。本人核查发现，是由于前期设计阶段的疏忽，误用20kHz时针频率的PWM波形来作仿真，而且也没有对纹波的幅度进行仔细核查，使用了滤波效果远达不到要求的1级RC滤波器，从而导致出了问题。这些内容见前面回帖。

      为了生成锯齿波，我们打算让MCU在PWM引脚输出的波形是下面的样子：



       这是一个重复周期T=0.5ms(即500uS）、脉宽增大的步长tc=2uS、脉冲总数250个（对应输出的DC电压为3000mV）的连续脉冲串形式的PWM波形。
       由于上述PWM波形的周期是T＝0.5mS，所以，时针频率f=1/T=2kHz。仿真时，所用的PWM模块应取为2kHz的时针频率，但我实际使用了20kHz的时针频率。

     注1：上面打算使用的PWM波形，由于其时针频率低，因此，对MCU的速度要求极低，几乎所有MCU都能胜任。

     注2：若果MCU的速度性能允许（即是能够生成最窄脉宽为tc的脉冲方波），那么，我们可以使用时钟频率更高的PWM波形，这样，就可以简化RC滤波电路（本文不对此作展开研究）。

     注3：若MCU允许PWM波形取更高的时钟频率，为了得到我们机子所需的SR＝12mV/0.5mS锯齿波，需要对MCU生成PWM波形的参数作调整：
   （1）若MCU允许PWM波形取4kHz的时钟频率，则这个PWM波形应是T=0.25ms(即250uS）、脉宽增大的步长tc=0.5uS、脉冲总数500（对应输出的DC电压为3000mV）的连续脉冲串。
   （2）若MCU允许PWM波形取8kHz的时钟频率，则这个PWM波形应是T=0.125ms(即125uS）、脉宽增大的步长tc=0.125uS、脉冲总数1000（对应输出的DC电压为3000mV）的连续脉冲串。

    附上本人研究PWM波形时钟与其他参数关系的手稿图：





     二、加强滤波的方法及仿真研究

     1、纹波情况。

     用仿真波形观察，锯齿波上升波形的中间区域纹波最大，如下图：



    从图中可看出，在PWM方波占空比为50%（纵坐标1.5V）附近时产生的纹波幅度最大。因此，我们研究纹波问题时，可使用幅度为3V、占空比为50%的方波来作为最坏情况的研究对象。

    2、纹波的控制需求。

      由于本ESR表两线版的计数是100个，FS2信号电压为1200mV，因此，1个LSB＝12mV（四线版采用1000字计数时则是1.2mV）。要让本机这个自制的ADC能正常工作，需要让纹波幅度低于0.5个LSB，也即是，最终产生的纹波幅度应低于6mV。

    3、对RC滤波器的需求。

     由于PWM方波的幅度为3Vpp，纹波幅度需减小至6mV以下，因此，可计得，RC滤波器对2kHz信号的衰减能力需达到1.5Vp/6mV=48dB（1000字计数的四线版则是68dB）。这个48dB，是对RC滤波器滤波能力的最低需求。实际使用的RC滤波器，其滤波能力宜应留出足够的余量。

    4、RC滤波器的仿真。

    （1）最初的一级RC滤波器

    这是前面设计草图n所用的RC滤波器。仿真结果显示，滤波能力仅达到15.5dB，远达不到48dB的最低要求。



    （2）二级RC滤波器

    这是前几个帖子我建议Abbey他们可作试验用的2级RC滤波器。仿真结果显示，滤波能力达到57.5dB，能达到48dB的最低要求，且留有足够的余量。



    但这个滤波器需要使用1u的电容，成本上较高。我通过仿真发现，2只电容统一采用0.01u的取值，也能获得完全相同的滤波效果。如下图：



   注：这2个二级滤波器，RC时间常数相同。前1个滤波器的前后2级RC取值不同，通过这样的搭配，可以减轻通带频响曲线的“溜肩膀”现象，也即是，具有通带内频响曲线比后1个滤波器更为平直的优点（模拟电路常有这样的需求）。但我们这里，恰好没有这种通常频响曲线平直的需求，因此，允许取相同的RC取值，从而可以降低元件成本。

   （3）三级RC滤波器

    在前期的仿真中，锯齿波生成波形的仿真显示，RC滤波器的时间常数越大，锯齿波的起始段SR情况越差。由于担心锯齿波起始段SR情况不能满足使用需求，因此，仿真了一个时间常数较小的三级RC滤波器。

   其滤波效果如下图。滤波能力达到56.5dB，也能达到48dB的最低要求，且留有足够的余量。



   其锯齿波SR情况的仿真结果如下图。上图是整体效果，下图是局部效果。





   图中，上方的斜直线是理想的SR波形线，下方的斜直线是经过RC滤波器后得到的SR波形线。最平直的水平线，是理想SR线与实际SR线的差额（即是理想SR线的电压值减去实际SR线的电压值，通过设置好瞬态仿真的后处理数据而得到），由这条水平的平直程度，可知道实际SR线与理想SR线的接近程度。
  
  由图可知，横坐标（时间坐标）的10mS开始，水平线就相当平直，这表明，实际SR线的SR这项参数在10mS以后就相当理想。

    回头再看一看前面第2个二级RC滤波器的SR情况的仿真结果。





   同样地，由图可知，约从横坐标（时间坐标）的15mS开始，水平线就相当平直。这表明，这个二级RC滤波器的起始段SR情况比上述三级RC滤波器差一些。但是，他的实际SR线的SR这项参数在15mS以后就相当不错。

    而我们机子设置成Vdc=300mV，意味着上面这些SR效果图中，纵坐标300mV以下的自制ADC计数都是无效计数。也即是，我们机子实际用到的SR波形是从300mV这个点开始的。 观察上面最后的SR效果图，可看到，300mV这个纵坐标点对应的时间横轴点是18mS，已大于15mS，这表明，使用这个二级RC滤波器，我们机子要用到的SR波形仍是具备良好的SR值准确度的。

    综上，上面这个二级RC滤波器，能满足现在这个两线版ESR表的使用要求。不需使用更为复杂的三级RC滤波器。

      （3）未来四线版ESR表的RC滤波器

   在这一轮仿真中，还针对未来四线版（1000字计数）的PWM滤波需求作了仿真。仿真结果表明，使用如下的3级RC滤波器，就能达到1000字计数的68dB滤波能力需求，如下图。



   这个3级RC滤波器的锯齿波SR情况的仿真结果如下面2个图。也能基本满足机子的使用要求。






     三、锯齿波起始段SR情况不佳引发的特有问题及其解决办法

    本机工作时，ESR/R模式只使用到300mV以上区间的锯齿波SR波形，而容量模式则干脆只使用Vref=1.5V的DC电压。按道理，这2个模式都不受锯齿波起始段SR情况不佳的影响。但是，容量模式需要做补偿性质的校准（做的是增益校准而不是偏移校准），才能提升精度，否则，会由于表笔引线等内阻Rc的存在而令测量精度明显变差（见前面的设计研究八帖子）。

   而要知道Rc值，在目前锯齿波为非理想的斜直线时（即起始段有弯曲），会比较棘手。因为短接表笔，虽然可以得到一个补偿用的测量值k1，但这个k1不是Rc的直接值，而是含有Vdc等无效的计数，仅可供ESR/R模式使用——ESR/R模式使用的是偏移校准（或者称为归零校准，即俗称的“去皮”功能），实际测量时得到一个数据k2，MCU将k2减去K1后，就可以得到真正的测量结果。

  容量模式一定要得到Rc的直接值，才能做提升精度用的增益校准。这可以有2种办法。

  1、利用理想SR斜直线与实际SR斜直线之间比较固定的时间差来做文章

   由前面的多个锯齿波效果图可知，理想SR斜直线与实际SR斜直线之间的时间差，是由RC滤波器的时间常数决定的。滤波器的RC时间常数越大，前面的效果图中，实际SR斜直线离开理想SR斜直线向右平移的距离越大。如果RC时间常数固定，那么，这个时间差（若干mS）就固定。

   这样，在设计阶段，就可以通过仿真等手段，知道这个时间差是多少mS。将这个mS值转换为自制ADC的脉冲计数值，就得到一个无效计数值J1，再加上AC放大器DC固定偏置的Vdc=300mV对应的无效计数值，得到总的无效计数值J＝J1+J2。然后，通过补偿/校准小程序，得到短接表笔时的测量值K1。编程时，用k1减去这个J，就可以得到容量模式所需要知道的Rc值。

   但上述方法存在多个弊端：一是时间差的mS值不易计算得到，需要借助仿真才能得到。二是实际滤波器的RC时间常数会与仿真的理论值有偏差。三是只要改动滤波器的设计，就必须对编程的程序作修改，不具灵活性，太过死板。比如，我们如果改用更高时钟频率的PWM波形后简化了RC滤波器，又或者用DAC来生成锯齿波，这个时候，就要对程序做修改。

  2、利用驱动电流明显不同的2个量程分别测1次来得到Rc值

   其原理是：

   （1）本机允许表笔等内阻的Rc最大值为1Ω。假定Rc的实际值（真正值）为0.99Ω

    （2）那么，用100mA驱动的量程去测量，MCU可得到测量值m1（即m1个计数）。m1里面既含有真正Rc值所对应的99个有效计数，还含有前面所述的J1和J2个计数。即是，m1=Rc+J1+J2.

   （3）换用1mA驱动的量程去测量，MCU得到第2个测量值m2（即m2个计数）。同样地，m1里面含有J1和J2这2个计数。但.由于驱动电流仅为第1次的1/100，那么，真正Rc值所对应的有效计数为0.99个，即不足1个。于是，有m2=J1+J2

    （4）由上面可知，m1-m2=Rc。编程时，由MCU把m1减去m2，就可以消除由锯齿波起始段SR情况不佳引发的不良影响（以及Vdc带来的无效计数影响，从而可以得到容量模式所需的Rc值。

     我们的机子准备采用第2种办法。

    四、更新后的设计电路图

    到目前为止，基本完成了模拟电路部分的电路图设计。为方便识别，更新后的电路图给予版本号名称。先贴使用两块运放的版本（即V1.0a）电路图，待下一节的设计研究十一再上单块运放的版本（即V1.0b）。

     更新后的设计电路图V1.0a如下：





  (待续）