我设计的ESR表(可同时显示中小容量电容)

xjw01

全部开源。未经许可，不得商用。 ESR.rar (126.88 KB, 下载次数: 8818)

2012-4-4 20:07 上传

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适合DIY的ESR表
许剑伟，2012-4-3
一、概述
•量程概述：
总共只有一个量程。
1、R测量范围：0.01至18欧
2、C测量范围：0.15u至1000uF
3、R精度：5%+20毫欧，测了十几个电容或电阻，ESR通通是误差1%+0.01欧以内。长期稳定性没有测试，所以标定为5%
4、C精度：72kHz和3kHz同时测量，得到两个电容值。小电容误差也是1%左右误差。随着容量增加，误差变大。
相对误差表示为3kHz时容量误差可表示为0.05+C/300，72k是电解0.05+C/15，式中C的单位是uF，如果是高Q电容则误差小很多
容量大了误差变大。6kHz电容测量范围3uF至300uF，72kH测量范围0.15uF至20uF。
•创意设计：
1、采用单片机端口直接进行同步检波
2、采用单片机生成方波和精密的同步信号
3、采用类似LCR数字电桥的方法检波。90移相后同步检波，得到电容量。不过，由于采用二线法，容量达到10uF以上，受导线电感影响较大，容量测量精度下降，这个问题得降频率解决，即采用双频法测大电解C与ESR。
4、采用恒阻激励。为解决恒阻激励的非线性问题，把RC对方波响应展开为级数，取级数前现两项计算Rs与Cs，大大提高了2uF以下高Q的CBB电容的测量精度
5、使用过采样技术，AD转换器同10bit上升到12比特左右，因此，只需一个量程就实现了0.01至20欧的测量，并且下限有余量。
6、带有自动稳零功能，确保零点长时间稳定。运放存在直流零点漂移，单片机端口也有直流漂移。特别是单片机，要驱动升压电路，工作电流大，稳定性受到一些影响，冷态与热态存在2mV级别的漂移。最终反应为开机后，零点会有小量漂移，这对100毫欧以下的ESR的测量很不利。所以，新版程序加入稳零算法。用36kHz频率对72kHz信号同步检波，滤除信号源的影响，而保证单片机状不变，精准测出零点漂移情况，并在软件中修正实现稳零。

•缺点：
1、没有消除导线电感及被测件内部残余电感对方波的微分响应的影响。
2、还没有设计前端保护电路及电池稳压电路，还不是完整的手持表。建议前端用两个1N4007限幅一下。
•使用方法
屏上第一行显示ESR，行首显示字符“R”。
屏上第二行显示被测元件的副参数，行首显示字符有6种，分别是C、D、X、Y、Z、Vc、J0。
用K键切换菜单，可在“ESR”、“Vc校准”、“J0校准”这三个菜单之间切换。
开机进入“ESR”菜单，用K键切换副参数，可在C、D、X、Y、Z这5个参数间切换。
C参数是电容的容量，共两个，第1个是72kHz方波测得，第2个是3kHz方波测得
D参数是零点直流，有两个参数，第1个是清零时刻的零点值，第2个是当前时刻零点相对于清零时刻的漂移量。调试ESR表使用。
X参数是72kHz下x轴测值，有两个参数，第1个是清零时刻测值，第2个是当前时刻测量相对值（即扣除清零值和直流漂移）。调试ESR表使用。
Y参数是72kHz下y轴测值，有两个参数，第1个是清零时刻测值，第2个是当前时刻测量相对值（即扣除清零值和直流漂移）。调试ESR表使用。
Z参数是  3kHz下y轴测值，有两个参数，第1个是清零时刻测值，第2个是当前时刻测量相对值（即扣除清零值和直流漂移）。调试ESR表使用。
测量前应进行短路清零。用3厘米长的粗铜线短路，然后按下C键。清零数据会保存到单片机内部的EEPROM中。有可能存在零点漂移，建议每次使用复查短路情况，如果明显不归零则应清零处理。
二、校准
  要校两个参数，Vc和J0。Vc参数应是525左右，J0是13左右。校准前，如果J0是40以上的值或-30以下的值，请先把J0置0，然后进行以下校准。
  1、用3cm粗铜线进行短路清零，这是第一步，是前提。
2、幅值校准：接入一个15至20欧色环电阻。按Menu键，切换到Vc校准菜单，用“C”和“K”增减Vc值，使得R的显示值与被测电阻尽量接近。
3、相位校准：接入已知ESR的0.47uF/630V CBB电容（ESR一般在20至30毫欧）。按M键，切换到J0校准菜单，用“C”和“K”增减J0值，使得R的显示值与电容ESR尽量接近。
4、按住M键3秒钟，然后松开，将自动保存参数，屏上有提示。
5、再按M键，返回到ESR测量状态

三、检波原理
1、关于方波的RC积分后的同步检波计算


电容上的电压，正负半周是严格对称，负号相反绝对值相同。所以，任意起点半周期内，起点与终点电压是对称的。
即U(0)=U(T)，式中T为半周期时间，得：

同步检波实为对U(t)半周期积分得平均电压V，得

输出电压中含有双曲函数，展开为级数形式：

展开后得到 :

2、90度移相后的同步检波输出


3、方波测量ESR的计算方程
ESR的等效压降为Vr，限流电阻压降为VR，电容压降Vx，零度相敏检波测得电压为V=Vx+Vr，90度相敏检波得到电容压降Vy
那么，由基尔霍夫定电压定律得知
再用电流定律代入得 ，式中r为电容的ESR，R是限流电阻
得 ，其中 ，这就是软件中采用的ESR计算公式
严格的说，由于r的存在，所以Vy也是无法直接测得的，但r相对于限流电阻很小，所以Vy依然可以用测值表示。
4、方波测量电容C的计算方程
由90度检波公式得
四、电感响应方波得到的微分电压对测量的影响
本电路是无法测量电感的。甚至连表笔电感也会影响测量。10cm长的表笔，大约影响10毫欧。
用短路法最容易理解，当我们短路之后，用示波器测量接线柱上的波形，会看到极短的正负脉冲信号，这正是表笔电感对方波信号微分的结果。
微分电压为
相敏检波时，只在半周期内积分，得到平均电压
小电阻r对方波响应的，积分的结果是
对比以上两个表达式，不难发现测r时，表笔电感的存在会造成多测量了L/T的结果。表笔电感约为0.2uH，T=1/(72000*2)秒，所以L/T=29毫欧
表笔形状改变电感量L也会变化，所以影响了开路清零。即开路清零时与正式测量时，表笔电感是不同的，造成低阻误差0.00x毫欧
此外，方波含有谐波分量，频率很高，表笔电阻变大，所以表笔形状变化也可能引起表笔电阻变化。
综合起来看，10cm长度的表笔，形变后，可能对测量引起了15毫欧的影响。
五、问题解答
1、限流电阻真值是多少，是否需要精确标定？
限流电阻 = 100欧 + 三极管内阻约3欧 + 单片机内阻150欧/三极管放大倍数约1欧 + 电容ESR约0.5欧=100+3+1+0.5=104.5欧
不需要精确标定，因为 ，R误差可以通过调整A得到补偿，当V相对于A很小时这种补偿方法对线性度影响很小。
2、软件中如何处理工频干扰消除
低阻测量中，工频干扰可以忽略。但电路板上轻微受到影响。AD采样时，进行500次采样，耗时约20毫秒，正好可以抵消工频干扰。
3、为什么不能测绕线电阻
  绕线电阻的残余电感太大，微分效应过大，严重影响ESR测量。
4、表笔电感的影如何消除
  很难完全消除。建议短路清零时，用一段3cm的粗铜线清零，这样，清零与测量时，表笔形状相近。
5、热电势对测量是否有影响
有影响，但不明显。
6、如何选择元件。
  电阻用金属膜电阻即可。
  小电容，采用独石、CBB、涤纶均可。
  4.7mH电感，内阻取20至50欧即可。
  测试信号输出端的100uF电容，使用ESR小于0.5欧且漏电小的电解电容。粗铜脚电解的ESR小。漏电必须小一些。表笔短路，在最后一个菜单上检查AD读数，并用C键进行相位切换使得XW=0，读数小于1300字说明电路的零点偏置电压正常(我的表是850左右)。如果偏置过大，有可能是这个100uF电解漏电造成的，也有可能是地线连接不规范。大电流地线，应使用粗线连接到电源端子，请按原理图连接。
  LCD1602可以使用5V的。具体接线方案，不同的液晶片子可能有所不同，但不要在负2V电压上吸取过大电流。负压是单片机产生的，负载能力很差，空载是-2.7V，仅接上OP07负载后就降到-2V。
  单片机采用3V的STC12LE5A60S2
7、夹具如何制作
  尽量短一些即可。
  如果是长线，建议把两条线固定在一起，在末端开叉，以减小测量过程中夹具导线的电感量变化，防止精度下降过多。
8、运放有何要求?
单片机零点端口直流是5mV左右，OP07放大52倍后，变为260mV。
  如果运放零点失调很大，放大52倍之后有可能超出AD的量限。比如，运放失调-10mV，加上端口本身的直流电压，得到-5mV偏置，放大后变为-260mV，而STC内部AD是无法转换负电压的。仪表无法工作。

飞人18

本打算买小林电子许老师的LCR套件，怎奈小林不肯给5.5的软件，说拍别人复制，原创许老师多免费提供，拿来后赚钱的居然要防止别人仿制，（不过后来自己也找到5.5程序，冲那买套件也不肯给的态度想想算了不买了。现在画了板打算做ESR，这个简单点。

xjw01

蓝杰 发表于 2013-12-18 09:32
正在研究中，刷新版程序稳定多啦，希望能提高ESR分辨率至0.001欧，3khz电感量程能再大些以mh为单位就完美了 ...

6、输出含有直流的问题：
1)、 HT7533输出内阻比较大。所以需要在HT7533输出端并联一个大电容。如果电容小了，低频(3kHz)测量时，信号输出正负半周回路总阻抗是不对称的，会引起输出带有直流成份。短路输出到运放的直流电压为0，测电容时，输出到运放直流成分则为电感上的直流电压。因此，短路清零测得的直流偏置将与测量电容时测得的直流偏置不相同，这是无法软件清除的残余值，低频测量大量容时引起严重容量误差。
加强电源输出滤波差减小电感的直流内阻，可以大大减小。建议HT7533输出滤波采用220uF或以上的，电感直流电阻选用30欧以下。
2)、信号输出电容漏电
信号输出电容漏电会引起输出带有直流。同样，短路清零时测得的直流零点与测电容时的直流零点不同。所以应使用低漏电的电容。
漏电测量方法：电容串微安表，连接到3V电源，选择漏电小于1uA的。
如果选用直流电阻30欧电感，如果漏电1uA，则引起1*30=30uV误差。测量满度值是60mV，相当于引入万分5误差（2000字差1字）
如果对电解电容的质量没有信心，可以考虑使用10mH电源共模电压来吸收直流。电源共模电感的内阻很小。

xjw01

7r093 发表于 2012-4-13 02:20
许老师可否改成4位共阴LED显示的程序，1602液晶体积觉得比较大，不宜进一步小型化，最小的那种1602字又觉得 ...

本来也想用LED的，但由于直接采用端口检波，就不宜用LED
LED工作电流变化，可能会造成零点直流跳动，为了简化调试，就直接用LCD了。
用LCD的话，也有好处，只要一个电源键和清零键。清零键不常用，也可以隐藏。目前调试的结果看来，零点基本不漂。
LCD的坏处就是，屏安装不方便。

xjw01

今天用修好两块微星主板：
家里有三块945主板坏了，想把它仍了，觉得可惜。想修好它，可我从来没有正试修过主板，里面的电路是怎样的，一点都不明白。

第一块：
通电，一分钟不到，北桥严重发热。估芯片坏了吧？不修，做为配件使用。

第二块：
12个电容鼓包。花了1小时，换了7个6.3V/1000uF及5个16V/1000uF，用ESR表测了一下，也有正常的，也有不正常的。心想，估计换了也不行。
试机，果然不行。1个多小时的精力白费了，丧气。不甘心。从测面可以看到CPU风扇下面还有不少电解电容，没有鼓包，但底部明显爆浆。共7个4V/680uF，全部换，并清理主板。又花去了1个小时。
我把温度调到最高，才免强取下，用了不少劲，怀疑心主板受损，虽然换19个，还是觉得可能修不好。
再试机，居然修好了，太意外了。

第三块：
现象：首次开机10至13分钟后自动关机。再开机，3分钟自动关机。
2个电容鼓包，立刻更换。试机，故障依旧。
怀疑其它电容有问题，一口气拆了4个没有鼓包的6.3V/1000uF电容，用ESR表测量，全部正常。
用手摸内存条旁的6.3V/1000uF电容，很热。拆下，换一个体积大的6.3V/1000uF。
试机，那个电容不怎么热。但故障依旧。
用电桥在线测量，所有1000uF电容的ESR都在10mR，正常，电容问题可能性小。
进入CMOS看温度，CPU只有30度。从29度升到31度。
是温度过高？还是不稳定？我一直在寻找证据。苦思……
给CPU降频，还是会自动关机。去除内存条，仍然自动关机。——断定，与CPU周围的温度无关。
掰一下主板，补焊电容接点，还是老样子。——基本确定，主板是不稳的可能性太小。
再摸一下南北桥，也不是非常热。北桥几乎不热。
细想：冬天能工作，刚到夏天就出现这故障。说明，与温度关系大。
仔细再摸摸主板，CPU周围不算，比较热的元件就两个，南桥散热片及它旁边的一个MOS管。
南桥高温(高功率)，用的是小散热片。北桥低温(低功率)，用的是大散热片。这让我感到很好奇。我对南桥吹了两口气降温，继续思考，为什么两个散热片不一样大，功率大的反而用小散热片？不知不觉，超过13分钟也没有自动关机。再吹两口气，18分钟也不关机。

于是，把南桥散热器拆下来看一下，明白了：导热硅脂仅仅涂了芯片面积的1/3都不到。
换上新的硅脂，均匀涂抹，开机1小时，一切正常。

lnc

比较巧妙利用单片机，相信这个大家都 能装得来，能拓展到10000U电容就比较好了，ESR表用在维修方面是较实用的。许老是摸 透单片机的脾气 ，

xjw01

ESR程序
ESR.rar (126.88 KB, 下载次数: 5914)

2012-4-4 20:05 上传

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闻雨听风

高手！敬意！！

马平川

有的玩了！谢谢许老师的分享

7r093

终于出来了，佩服许老师严谨的态度。
一直想做个手持的ESR表。谢谢。

millwood

some suggestions:

1) since you are powering it via 6v, use 5v so you don't need the charge pump circuit to generate the negative voltage;
2) pick a mcu that can sink or source 20ma current, and replace the two 100ohm resistors with a higher value (like 330ohm or so). that way, you can drive the circuit without using those two transistors;
3) pick a mcu that has an internal opamp / comparators that can be configured as opamp.

pc128

谢谢许老师的分享

boywc

厉害，看不懂，，，

smiless

全开源的到是可以做个玩玩啊。

维超

许老师出手真快，佩服佩服！我等有福了。

7r093

我根据手上的元件，如果做手持表用锂电池升压，直接用5v，还可以用12C5A60S2(手上有贴片的)。电源负压产生部分二极管是否反了？

jhnewboy

不错，希望能出套件

worldly_guest

不错，有时间折腾一个玩玩！

凡凡凡

这个是牛人。鉴定完毕。