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我设计的ESR表(可同时显示中小容量电容)

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发表于 2012-4-3 18:30:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 xjw01 于 2012-4-4 20:42 编辑

全部开源。未经许可,不得商用。 ESR.rar (126.88 KB, 下载次数: 8495)


myESR.png






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。

评分

7

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发表于 2020-3-23 10:00:19 | 显示全部楼层
本帖最后由 飞人18 于 2020-3-23 10:07 编辑

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。
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 楼主| 发表于 2014-1-24 14:15:10 | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 发表于 2012-4-13 07:01:37 | 显示全部楼层
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。
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 楼主| 发表于 2012-6-13 23:11:36 | 显示全部楼层
本帖最后由 xjw01 于 2012-6-14 08:02 编辑

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。










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发表于 2012-4-3 19:50:30 | 显示全部楼层
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 ,
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 楼主| 发表于 2012-4-3 18:31:15 | 显示全部楼层
本帖最后由 xjw01 于 2012-4-4 20:05 编辑

ESR程序
ESR.rar (126.88 KB, 下载次数: 5720)

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发表于 2012-4-3 18:46:53 | 显示全部楼层
高手!敬意!!
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发表于 2012-4-3 18:50:03 | 显示全部楼层
有的玩了!谢谢许老师的分享
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发表于 2012-4-3 18:59:07 来自手机 | 显示全部楼层
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。
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发表于 2012-4-3 19:05:01 | 显示全部楼层
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.
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发表于 2012-4-3 19:05:04 | 显示全部楼层
谢谢许老师的分享
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发表于 2012-4-3 19:20:36 | 显示全部楼层
厉害,看不懂,,,
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发表于 2012-4-3 19:23:49 | 显示全部楼层
全开源的到是可以做个玩玩啊。
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发表于 2012-4-3 19:35:41 | 显示全部楼层
许老师出手真快,佩服佩服!我等有福了。
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发表于 2012-4-3 19:43:28 来自手机 | 显示全部楼层
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?
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发表于 2012-4-3 20:07:00 | 显示全部楼层
不错,希望能出套件
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发表于 2012-4-3 20:18:31 | 显示全部楼层
不错,有时间折腾一个玩玩!
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发表于 2012-4-3 20:21:30 | 显示全部楼层
这个是牛人。鉴定完毕。
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