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【参赛】五位半台式万用表DIY

时间:2017-05-26 21:47来源:未知 作者:admin 点击:
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
   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。
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。
【参赛】五位半台式万用表DIY
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.
【参赛】五位半台式万用表DIY
【参赛】五位半台式万用表DIY
整理元件,开装~!
【参赛】五位半台式万用表DIY
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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)
 

5.jpg (164.76 KB, 下载次数: 13)

 

【参赛】五位半台式万用表DIY

本帖最后由 其实不想走 于 2016-1-29 21:49 编辑

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)
【参赛】五位半台式万用表DIY
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。

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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。


本帖最后由 其实不想走 于 2016-1-29 21:59 编辑

画PCB
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收到PCB
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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。
【参赛】五位半台式万用表DIY
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3.        功能选择模块
上电路图
【参赛】五位半台式万用表DIY
首先看电压部分:输入电压小于2.5V时,信号通过DCV_LOW进入模拟开关,当大于2.5V时,K3向下闭合,信号断开与DCV_LOW的连接,通过DCV_HIGH进入模拟开关。
在小于2.5V时,可以通过K4的转换来控制输入阻抗。
电流部分:小电流情况(<2.5A),K2向下闭合,联通电流路径,再通过K3,K4,K5来切换量程。
                        大电流情况(>2.5A),通过AMPS_20A接线柱连接至0.01Ω采样电阻,此电阻采用4线连接的方式接线。

电阻部分:2线测量方式,K5向下闭合接通欧姆电流源并且K4向下闭合,断开与10M电阻的连接。
                        4线测量方式,K3,K4,K5同时向下闭合。

画PCB
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1.AUTO ZERO功能可以加入,而且我的制作里确实也考虑了这个问题,你可以看我刚发的“功能选择板”电路图,模拟开关MAX328的其中一路输入是接地的,可以用来完成AUTO zero功能。
2.模拟开关的导通电阻确实会影响放大电路的精确度,所以我选择的是低导通电阻模拟开关。我发一份DG419的手册你看看,最大导通电阻只有35Ω,相对于我采用的反馈电阻来说影响就不太大了。
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4.        MCU 系统
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      单片机用的STC15F2K32S2,我一直在用STC的单片机,这款是宏晶公司生产的8位1T 51单片机,特点是速度比较快,宽电压,内部可编程时钟,以及可软件设置的4中I/O口工作模式。本设计中用的是DIP40封装的芯片,I/O口不够用,就用了两个74HC573锁存器来扩展出了8个I/O。还有实际的制作中键盘没有用到16个,只用了12个。由于单片机刚上电时各I/O口都是高电平,而各个继电器的控制也是高电平触发,这样在刚上电时,各个继电器都会短时间吸合,可能会引起一些未知的问题,于是在控制各继电器的锁存器U502的输出脚加入一个延时下拉电路来解决此问题。注意R502是一个10K排阻,它接在U502的8个输出脚,然后公共端接地,为输出脚提供一个下拉通路,再把U502的输出使能脚OE接在由C511和R501组成的RC微分电路。锁存器74HC573的输出使能为低电平输出有效,如果是高电平输出为高阻状态。刚上电时在RC微分电路的作用下,OE脚为高电平,输出脚又由于R502DE 下拉,使其保持低电平;一段时间后OE变为低电平,输出有效,就可以正常控制I/O口的状态了。经过实际制作时验证C511的10uF容量偏小,保持时间不够,最终电容C511换为了100uF。

PCB:

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5,电源系统

电源系统没画电路图,用的都是三端稳压模块的经典电路,一共有4路输出,分别是:模拟部分的+-12V,+-18V,还有数字部分的两路+5V。+-12V位AD板和功能选择板供电,+18V为欧姆电流源和Vref板供电,两路5V分别给MCU系统和继电器及显示板供电。-18V未使用,只是做为将来升级改造备用。整个系统的数字地和模拟地是通过电源板上的一个磁珠相连的。
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电源板的调试还出现了点周折,因为手里没有L7918,就用L7915代替,电路上在7915的参考地与地间串个3V稳压管,输出就为-18V了。装好上电测量各路电压,发现原本应该输出-18V的端子输出一直不正常,要高出好多,以为是管子坏了,焊下来,重新换一个,现象依旧,再把稳压管焊下来测试也没问题。想了半天也没想出问题所在,索性拿面包板搭一个电路实验下,是不是板子画错了。这一试终于找到了问题所在,发现当输入电压一旦大于24V,管子基本失去稳压作用,输出电压也会跟着上升了,换了好几个管子现象都一样,查看管子的数据手册,明明写着最大输入电压为35V,看了是买到了山寨货了。没办法翻出一个拆机7915,搭电路测试可以正常工作,于是换到板子上,终于把故障排除,(通过图片可以看出换上的7915与其它几个管子的封装外形是有差别的)山寨货坑爹呀~!
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发几张装配好的板子集合照以及简单的测试照片各位先看看。
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