【参赛】五位半台式万用表DIY

其实不想走

五位半台式万用表DIY

       来矿坛有些年头了，刚来的时候论坛还没有这个DIY大赛的专栏，看着大赛从第一期一直举办到现在的第七期，一直有参赛的想法，怎奈水平有限没有合适的作品。直到今年大赛开始时终于下定决心把这个一直想完成的项目做完，来参加这次DIY大赛，由于本人非电子专科毕业，全凭业余爱好来完成这个制作，错误及不当之处实所难免，望大家多提意见，不吝赐教。
        起初有做个高位万用表的想法是在隔壁论坛看到的一个“手持六位半万用表DIY”的帖子，看他的制作效果还不错，就打算仿制一个，单手持的仿制难度有点大，对制作工艺要求比较高，于是决定做个台式的，台式的空间大，电路及元件可选方案多，易于完成。本人自知不是专业人士，水平有限，虽然已把手持机的改成台式机，但六位半的指标还是太高了，所以再降低要求，最后能勉强达到五位半指标就算成功。其实大家大可不必对这台东西有太高的期望，我也完全是做着玩，丰富业余生活的。
        言归正传，来说说这台机器的功能和参数（注意这里我只谈功能不谈性能，因为纯业余制作，性能没有保证）：
        直流电压测量：250mV, 2.5V, 25V, 250V 四个档位，分辨率（读数） +-250000
                                其中250mV和2.5V档有>10G的高阻输入，其余档位为10M低阻输入。
        直流电流测量：2.5mA, 25mA, 250mA, 2.5A, 25A 五个档位，分辨率也是+-250000
                                 各档的压降为<0.25V, 其中25A档为单独接线柱，其余档位与电压测量共用接线柱，测量功能选择由内部继电器选择，此种设计主要是我不习惯一般万用表的设计每次电流测量都要插拔表笔更换插孔，为使用带来很多不便，当然我现在这种电压电流共用接线柱的做法是有安全风险的，如果忘记切换档位直接在电流档测电压有可能造成电器短路等风险，我的解决方案计划是加入一个电流档特殊指示，在测量时能很明显能识别出是否在电流档位。
        电阻测量：500R，5K，50K，500K，5M 五个档位，采用恒流方式，支持4线测量。
                                特别之处是电路有10mA档,测量小电阻能更稳定些。
        电路支持自动手动量程切换，0位补偿，数字滤波。
        由于交流档位制作难度较大所以制作没有加入交流测量功能，最初的设计是先把三个基本功能做好，后面还计划加入稳压管测量以及微弱电流测量功能。

        整个万用表我是分模块制作的，这样一来可以降低制作难度，二来某个功能设计有问题，修改起来也方便些，不至于造成全盘否定的局面，三来为今后系统的改进升级带来方便。系统共分成，ADC及程控放大，输入功能选择，欧姆电流源及Vref ，MCU系统，电源系统，显示板系统，等6个功能部分，每个系统分开设计分开制作，最后拼接成整个系统，如果今后哪部分需要升级换代什么的，直接替换就成。
        由于所有的制作都是利用工作之余的空闲时间来完成的，所以是一边做一边构思，想到哪就做到哪，所以最后的成品与最初设计有不少改动，比如最初的设计是Vref电路是放在ADC及程控放大板上的，开始采用的MAX6350为电压基准，后来为改善基准性能，又在欧姆电流源板子上加入了LM399电路换掉原来的电压基准。



补充内容 (2016-2-11 12:34):
59楼加入测试视频

绝对整烂

其实不想走 发表于 2016-2-1 07:59
那样还得分别写程序，多麻烦啊，还得处理单片机之间的通讯

让一个单片机“同时”做那么多的事。而且资源又不冲图，那才是一件难的事！又要测量，又要计算，还得自动换档，同时人机介面还要实时响应。那么长的程序，跳过去，跳回来。51的单片机，又只有一个A 可以运算，在我看来，真的是太烧脑子了。。如果功能做多了，哪里一个BUG。不得找死人啊？

sunhaiyang

中国不缺优秀的人才，就缺把人才聚集到一起的人。。。

sizheng

矿坛藏龙卧虎，高手云集。

tj东方

楼主是一个高人，能自己系统的搞那么大工程，令人佩服。可是总有那抹一种人，吹毛求疵，对别人的作品挑毛病，自己又一事无成，你最好拿出你的作品来比较一下，看你的作品有什么优缺点，那样才能服人，如果你只有嘴上的功夫，那闭嘴吧。世界上就没有完美的没有缺点的作品，何况是业余DIY，楼主能自己动手做出来就是强人。

其实不想走

0720 发表于 2016-2-2 21:28
楼主一定是搞硬件开发的！

楼主的工作于与电子没关系

其实不想走

现在我就分系统来介绍：
1.        ADC及程控放大
先放图（图是手工画的，凑活看吧,还有就是最终成品与图中个别参数有出入）

ADC及程控放大

首先ADC采用的是24BIT Σ△ADC  LTC2400，我把此ADC的资料传上来，以便对它不了解的坛友看一下。
        基准电压为5V，最初设计是采用MAX6350基准电压芯片，指标为 1ppm 温漂
1.5uVp-p 输出噪声。
由于此ADC不是差分输入，不能测量负电压，所以此部分就加入了一个加法电路来转换正负输入电压的，把合法的+-2.5V输入电压转换为0~5V电压送到ADC的输入端。运放U102就是来完成这个功能的。U104和U105提供一个-2.5V的基准中点电压加在加法器的一端，输入缓冲器过来的输入信号加在加法器的另一端，当输入电压为0时，U102输出电压为+2.5V，当输入电压为+2.5V时，U102输出电压为0V，当输入电压为-2.5V时，U102输出电压为+5V，正常情况下来保证ADC输入电压在合法范围。
运放U101采用ICL7650斩波稳零放大器，它具有极低失调电压和极低输入电流的特点。
用它作为电路的输入缓冲和程控放大，U101根据U107选择的反馈信号组成X1或X10放大器。U103是一个驱动容性负载的缓冲器。
        继电器K1是用来选择输入电压范围的，电压和电流档时要接收+-电压信号，故需要选择经过加法器电路转换的信号，而电阻档只需要测量正电压，所以通过K1来旁路加法器转换电路，直接接收输入缓冲器的信号，这样可以增大测量读数至500000.
        U106与D106~D109以及R135，R136，R137组成输入保护电路来限制送到U101输入端的电压范围，仿制输入电压过高损坏元件。由于此电路接在U101的+输入端，故要求保护电路不能吸收太多电流，以免影响输入阻抗。4个二极管采用两个BAV199低漏电二极管对，U106为FET型低输入电流运放，这里对失调电压没有要求，采用通用运放TL061就行。
        U110为施密特反相器，作为数字电路与模拟电路的隔离缓冲。
        由于一般的三段稳压芯片都没有电流吸收能力，为了使电源具有电流吸收能力（为输入保护电路提供）在+5V和-5V电源输出端加入稳压管来吸收过高的回流电压，这样也保护了后面接在它上面的元件避免承受过高的电源电压。
        U105~U110组成X10程控放大电路的反馈电阻，他们的稳定和精度将影响放大倍数的精确和稳定，所以采用了低温漂高精度的精密金属箔电阻。R111,R112,R114,组成加法电路的反馈电阻，也需要稳定和一定的精度，故也采用金属箔电阻。

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画PCB用的是Sprint-Layout 6.0 软件，纯手工布线，没有封装的元件还得自己做。画PCB是个辛苦活，尤其对于我这种没有经验的人。PCB尽量都画成10CM*10CM大小的板子，这样送到PCB厂子打板价格比较便宜，大于这个尺寸的价格就高了。

板子打回来，迫不及待的打开一睹芳容！看着很不错，比我自己热转印的好很多呦.


整理元件，开装~！





装完上电，没有爆烟花之类的景观，初步测量各关键点电压，基本正常，于是接上开发板，简单写了个程序测试，ADC电路工作正常，第一步制作初战告捷~！其实这块板可以单独作为一个6位半表头，基本5V档位，最后一位由于噪声原因再跳以外，前六位还是很稳定的。（由于测试部分没拍照片，就没图可上了）

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2.        欧姆电流源及电压基准电路
还是先上图（这次有改进，用WIN自带的画图软件画的，清晰多了）

这个是欧姆电流源电路，基本仿照了HP34401六位半万用表欧姆电流源部分电路。
电流源通过模拟开关的控制分别可以产生 1mA, 100uA，10uA, 1uA ，4组电流，另外由继电器K7控制一路10mA 电流源，满足低电阻的测量。短路帽JP2用来选择不同基准电压的情况。正常5V基准电压时，JP2开路，如果基准电压采用2.5V时，可以把JP2短接。此电路中R301~R308都需要精密电阻，这里采用金属箔电阻。



这个是LM399基准电压电路，LM399产生7V左右的稳定电压，经过精密电阻分压，得到5V电压，由U303-A缓冲输出。这个电路对R319~R322四个电阻要求较高，采用金属箔电阻。JP1用来选择是输出5V电压还是2.5V电压。

其实不想走

画PCB

收到PCB

这张板子画的比较匆忙，也导致最后出现多处错误，一个是LM399的一个引脚没接线，另一个是IRF640和IRF9640引脚顺序搞错。

其实不想走

占楼。。。。。。。。。。。。

补充内容 (2016-1-30 09:35):
这楼编辑部了了，后面的在21楼

补充内容 (2016-1-31 21:15):
31.32.33楼有更新

补充内容 (2016-2-1 22:01):
40楼有更新

love煜曦

留名  鼓励

其实不想走

占楼。。。。。。。。。。。。

其实不想走

占楼。。。。。。。。。。。。。。。。

其实不想走

占楼。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。

其实不想走

占楼。。。。。。。。。。。。。

其实不想走

今天上不了图了，改天再传。

其实不想走

再占楼。。。。。。。。。。。。。

其实不想走

差不多了吧。。。

marshallemon

路过，看看，学习了