Приветствую всех участников форума. Мне для личного употребления понадобился качественный (сравнительно точный) мультиметр и в силу денежной ограниченности решил его собрать сам и буду рад любым дельным советам. Бюджет предварительно выделил около 100$ и практически весь уже израсходовал на точные резисторы, корпус и т.д., поэтому просьба не предлагать купить готовый промышленный, а советовать только по теме, т.е. по самостоятельной сборке. На микросхемы я не трачусь, есть возможность от некоторых американских компаний получать бесплатные сэмплы, поэтому буду использовать только из номенклатуры, которая уже есть или могу бесплатно заказать.

Итак, нужные характеристики. Мультиметр нужен для измерения только постоянных напряжений (0.1-25 В), токов (0.1 мкА-10 мА) и сопротивлений (0.01-1000 кОм), гарантированная точность при любых значениях в указанных диапазонах не хуже 0.02%.

Исходя из нужной точности, мне нужен АЦП с пятью разрядами, а такую точность без проблем обеспечивают многие интегральные дельта-сигма АЦП, что резко упрощает схему. Пока что остановился на имеющейся у меня AD7731, у которой при пороге 1.28 В, частоте опроса 50 Гц и CHP=1 типичные нелинейность (INL) и шум (p-p) менее 10 мкВ, а гарантированные менее 20 мкВ, т.е. обеспечивает нужные мне пять разрядов в диапазоне 100.00-999.99 мВ с точностью +-1-2 последней цифры в пределах всего этого диапазона.

В качестве ИОН планирую использовать имеющуюся у меня ADR4525B, у которой точность 0.02%, ТКН 2ppm/C и шум 1.25 мкВп-п. Для согласующих каскадов будут применяться прецизионные ОУ с автоподстройкой нуля, которых у меня много разных моделей, а в качестве эталонных резисторов будут уже купленные Вишеевские фольговые резисторы, имеющие точность 0.01%.

Естественно планируются ввести в схему и в программу различные автоматические калибровки, как при включении, так и при выполнении измерений, которые будут автоматически корректировать показания. Вывод будет на стандартный двухстрочный ЖКИ (1602).

Измерение постоянного напряжения будет по схеме плавающего включения (см. упрощённую схему этого узла на первом рисунке), при котором измеряемое напряжение включенно не относительно нуля, а в отрицательную обратную связь ОУ и тогда у ОУ практически отсутствует синфазное напряжение, поэтому напряжение смещения и входной ток постоянны, при этом измеряемое напряжение практически не нагружается (сопротивление нагрузки получается в гигаомы), т.е. получаются те же результаты, как и при методе плавающей земли, но достигаются более простым способом. При измерении напряжения больше 1 В меняется коэф. передачи второго каскада, который становится меньше единицы (0.1 для диапазона 1-10 В и 0.05 для диапазона 10-25 В), для чего R3 увеличивается до 100к или 200к. Единственным недостатком этой схемы является необходимость в определённой полярности измеряемого напряжения (полевик J1 защищает от обратной полярности). ОУ Х3 подключен так, чтобы напряжение смещения ОУ Х1 не влияло на результат, при этом напряжение на входе Х3 практически постоянно.

Измерение сопротивления будет четырёхпроводным способом и схема коммутацией преобразуется к упрощённому виду на втором рисунке, при этом референсным напряжением будет напряжение на одном из референсных резисторов 1к, 10к, 100к и 1000к, на которых за счёт включения измеряемого сопротивления в обратную связь ОУ получается напряжение +2.5 В, а ток соответственно будет 2.5 мА (Rx<0.5к), 250 мкА (Rx<5к), 25 мкА (Rx<50к) и 2.5 мкА (Rx<1000к).

Как я понял, подразумевается отсутсвие калибровки по известному эталону, надежда только на спецификации компонентов (ADR4525B и резисторы VPG)?

Как правило, для запаса по точности, элементы схемы должны иметь 3-5-кратный запас! Половинного недостаточно! А какая температурная погрешность будет в нормальных условиях, влияние электропитания, помехи?! Вот сумма хотя бы этих составляющих не должна превышать 0,02 в нормальных условиях без учета знака. Все остальное от лукавого..

PCBWay - всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Онлайн просмотровщик Gerber-файлов от PCBWay + Услуги 3D печати

Я полагаю, Вы ошиблись? Должно быть 5 десятичных разрядов? А если двоичных- надо 16 разрядный АЦП

Организация питания на основе надежных литиевых аккумуляторов EVE и микросхем азиатского производства

Качественное и безопасное устройство, работающее от аккумулятора, должно учитывать его физические и химические свойства, профили заряда и разряда, их изменение во времени и под влиянием различных условий, таких как температура и ток нагрузки. Мы расскажем о литий-ионных аккумуляторных батареях EVE и нескольких решениях от различных китайских компаний, рекомендуемых для разработок приложений с использованием этих АКБ. Представленные в статье китайские аналоги помогут заменить продукцию западных брендов с оптимизацией цены без потери качества.

Подробнее>>

Вопрос интересный,но дорогой в самом прямом смысле слова. ТС израсходовал уже 100$ только на часть комплектующих. А в сумме выйдет,полагаю не менее 300$. А за эту сумму уже можно купить приличный б.у. мультиметр. Отнюдь не у всех ведь есть халява в виде сэмплов достойных АЦП и надо считать полную стоимость.
А у большинства и "горки" резисторов 0,01% нэма... Может начать с чего попроще и подоступнее большинству?
Я,например,с огромным удовольствием прикошачил бы LTC2400 к компу через RS232 и опторазвязку,благо скорость небольшая.Опору можно взять б.у. с али типа AD584/AD588. Такая получается АЦП приставка к компу-почему нет,для начала и различного рода экспериментов.На eevblog есть тема, правда я не вкурил по софту к LTC2400.

Новый аккумулятор EVE серии PLM для GSM-трекеров, работающих в жёстких условиях (до -40°С)

Компания EVE выпустила новый аккумулятор серии PLM, сочетающий в себе высокую безопасность, длительный срок службы, широкий температурный диапазон и высокую токоотдачу даже при отрицательной температуре. Эти аккумуляторы поддерживают заряд при температуре от -40/-20°С (сниженным значением тока), безопасны (не воспламеняются и не взрываются) при механическом повреждении (протыкание и сдавливание), устойчивы к вибрации. Они могут применяться как для автотранспорта (трекеры, маячки, сигнализация), так и для промышленных устройств мониторинга, IoT-устройств.

Подробнее>>

Конечно же подразумевается внешняя калибровка, и не только из-за недоверия к деталям, но и для проверки программы, ведь планируются внутренние автоматические калибровки с получением калибровочных коэффициентов и надо проверить, что не напутал с математикой. Да и потом раз в 1-2 года придётся проверять. Только я не хочу заморачиваться с внешним вводом результатов внешней калибровки, а буду вручную вводить в программу и перешивать процессор (от фирмы Атмел с последовательным программированием через USB).



Так и должно получаться с учётом внутренних калибровок. К примеру при измерении напряжения влияет только точность и температурный коэффициент у референсного напряжения и АЦП, которые в сумме меньше 20 мкВ (а это не хуже 0.02%) в нужном диапазоне, а влияние ОУ и резисторных делителей будет на уровне шумов за счёт автоматической внутренней калибровки.



Я именно про десятичные разряды говорил, а АЦП для выбранного диапазона обеспечивает гарантируемые производителем достоверные 17 бит с учётом интегральной погрешности и шумов (АЦП выдаёт 24 бита, но после преобразования младшие разряды надо отбросить в силу их недостоверности).

Достаточно поставить входной ОУ повысоковольтнее (LTC2057HV) и питание ему обеспечить. Тогда обе полярности у вас в кармане.

Это верно, тем более, что в АЦП есть биполярный режим измерения. Правда LTC2057HV надо приобретать в интернете, но у меня есть OPA452T, у него малый входной ток, но большое смещение, однако оно у Х1 в моей схеме не влияет на результат.

В свободное время читаю эту тему viewtopic.php?f=10&t=52829 и почерпнул много интересного и понял, что нужны изменения в детали. В качестве АЦП теперь планируется более качественный AD7190, он уже в пути и позволит построить честный 5.5 разрядный мультиметр (при усилении 1 у него макс. интегральная нелинейность 5 ppm, а типовая 1 ppm от FSR). Кстати, некоторые участники форума выражают сомнения в точности подобных АЦП, но вроде бы даташиты и некоторые промышленные изделия говорят об обратном. Главное при применении этих АЦП обязательно время от времени (а лучше перед каждым измерением) обеспечивать все (внутреннюю и системную) калибровки. Ну и сделать правильную буферизацию, учитывая коммутируемые конденсаторы на входах IN и REF у таких АЦП, у некоторых есть внутренние буферы на входах, но они увеличивают шумы, поэтому лучше внешние, главное убрать синфазное напряжение (плавающим питанием или как у меня на схеме, где убрано влияние синфазного напряжения без плавающего питания).

Вторая проблема касается делителя R3/R4. Я планировал использовать обычные отдельные тонкоплёночные прецизионные резисторы, а коэф. передачи корректировать калибровкой, но после прочитанного понял свою ошибку, что сюда обязательно нужны резисторные сборки. Для коэф. передачи 1 (R3=R4) у меня есть Вишеевская фольговая сборка SMNZ с точность 0.01% и с ТКС не хуже 0.5 ppm/C, а вот для коэф. передачи 0.1 надо будет ещё поискать.

И наконец третья проблема, на которую я не обратил внимание. В планируемом ИОН ADR4525B слишком большие долговременный дрейф и температурный гистерезис, поэтому поиск ИОН надо начинать заново. Мне желателен с готовым допуском точности и поэтому наилучшим с учётом малого дрейфа и гистерезиса конечно будет VRE3025\VRE3050, но самый дешёвый их вариант (на 0.02% и с ТКН < 2 ppm/C) тянет на 50$.

Говорят, что на ошибках учатся. Может и моя поделка сослужит такую службу
Во вложении схема вольтметра, кратко описанного в вышеупомянутой теме о калибровке (http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=52829&start=1000).

Спасибо, мне всё пригодится и я изучаю любые готовые схемы, в том числе промышленные (наверное уже всё скачал, что есть свободно в интернете). Но входную часть я менять уже не буду (если не считать тип деталей), она при простоте обеспечивает все нужные входные и точностные характеристики без нужды в плавающем питании. Причём, т.к. всё привязано к постоянному напряжению (референсу), то защиты от перегрузок и утечек хватает делать относительно этого постоянного напряжения, а не какого-то плавающего, в итоге входные характеристики более стабильны.

Схема входной части безусловно имет право на существование в замысливаемом приборе такого уровня ТТХ.
А основной недостаток её можете описать? Такая схемотехника мне встречалась лишь в единственном 5,5/6,5-разрядном мультиметре PM2534. И я думаю вы понимаете, почему это был в каком-то смысле провальный прибор. Схемы токовых петель от common-mode источников уже рисовали? Паразитные емкости на землю, на экраны прорисовывали?

На вскидку вроде бы не должно быть проблем, но не откажусь от более качественного взгляда со стороны. И, кстати, планируется питать от импульсного блока питания (он будет вне корпуса), чтобы улучшить изоляцию.

Кстати, заинтересовала подмечанная Вами проблема ОУ, у которых автоподстройка нуля происходит на высокой частоте. У MAX4238 частота коррекции 10-15 кГц. Ещё в даташите указывают на спайки по входу из-за инжекции заряда входных ключей у подобных ОУ. MAX4238 мне нравятся из-за малого входного тока (обещают типовой 1 пкА), а у большинства других с автоподстройкой входной ток намного выше (иногда доходит до сотен пкА), особенно у малошумящих, но видимо придётся подумать о других ОУ.

С делителем R3/R4 я определился, это будет LT5400A-3, у него два 10к и два 100к, причём в абсолютном смысле там резисторы не точные, но соотношение номиналов и ТКС очень точные, соответственно не хуже 0.01% и 1ppm/C. Соотношение номиналов не так важно, т.к. будет автоматическая калибровка, а вот малый ТКД позволяет надеяться, что откалиброванное значение коэф. деления при одном напряжении будет оставаться таким же и для других входных напряжений с допустимой для меня точностью. Это единственный делитель такого уровня с коэф. деления больше 1, который я могу приобрести.

С буферными ОУ (Х3 и Х4 на моих схемах из первого поста) посложнее, не нашёл ОУ с автоматической коррекцией нуля и с малым входным током, чтобы не было изменений этого тока из-за коммутации внутренних ключей, т.к. видимо у всех таких коммутируются оба входа ОУ. Видимо придётся брать обычный ОУ и делать ему автоматическую коррекцию нуля по стандартной схеме (см. рисунок), здесь при коррекции замыкаются ключи W1 и W3, а при измерении W2, при этом неинвертирующий вход ОУ не трогаем, а значит входной ток повторителей Х3 и Х4 будет постоянным без гличей. В этом случае в качестве Х3 и Х4 будет OPA2376, у которого очень малый входной ток, так что 0.47-1 мкФ для конденсатора коррекции (С1) хватает при времени измерения 40-100 мс. В качестве конденсатора коррекции наилучшим будет полипропилен, тогда смещение ОУ может уменьшиться до десятых долей мкВ.


Нет, не понимаю.

Проблема как раз в "плавающем" входе. У этого мультиметра при всех его достоинствах просто никакое CMRR, по сравнению с остальными классическими мультиметрами с непосредственным соединением Input Lo и внутренней сигнальной "звезды". Я нашёл две фото в своём архиве, где ко входу мультиметра подключен один из модулей на базе LTZ1000. Для сравнения, показания того же HP34401A могут не шелохнуться даже в течении суток. Думаю, Philips был известен этот недостаток, т.к. среди многочисленных ревизий была попытка его устранить, но как видно неудачная.



Может я сгущаю краски, но попробуйте всё же дорисовать источники, эквивалентные сопротивления и т.д. на схемке. Посмотрите хотя бы что будет воспринимать, к примеру, R2 на схеме из первого поста.

Конечно, если действительно будет какая-то утечка тока, то на R2 у меня будет напряжение ошибки, но во-первых, можно просто подключить R3 прямо ко входу измеряемого напряжения, минуя R2, а во-вторых, утечки тока могут приводить к ошибкам в измерениях по любой схеме мультиметра из-за наличия внутреннего сопротивления у измеряемого объекта, поэтому более правильно просто уменьшить возможные утечки до единиц пкА и меньше за счёт лучшей изоляции по питанию и земле, для чего надо использовать импульсный (преобразовательный) блок питания с гальванической развязкой. Я работаю над разработками медицинской аппаратуры и у нас строгие стандарты на изоляцию от сети, никаких обычных трансформаторов, только преобразователи с гальванической развязкой, причём в ответственных случаях два подряд один за другим, и я собираюсь этот опыт использовать и в мультиметре. А что касается мультиметра Филипс, то уверен, что проблема нестабильности в другом, ведь утечки при постоянном подключении приводят к постоянной ошибке, а не прыгающей. Кроме того, в отличие от схемы Филипс, у меня ОУ Х1 только поддерживает постоянный потенциал и не участвует в измерении.

Утечки на постоянном токе - это наименьшая из бед. Обратите внимание на паразитные ёмкости на схеме выше. Они то и есть источник головной боли разработчиков DMM. Если есть печатный монтаж, есть корпус прибора, есть окружающие его предметы - есть и ёмкостные связи между ними. А если есть синфазное напряжение на входе, то будут и паразитные токи в узлах аналогового тракта.
Но устранение резистора R2 в таком случае даст скорее отрицательный эффект, т.к. R2 выполняет ещё одну функцию изолятора ёмкостной нагрузки ОУ.
По поводу использования ИИП, в том числе каскадных, рекомендую обратить взор на схемотехнику приборов такого уровня. Хоть в одном из них вы видели ИИП для изолированной части? Я - нет. Коммутационные помехи гораздо проще создать, чем потом от них избавиться. Хороший сетевой трансформатор с экранами и малой межобмоточной связью, линейные стабилизаторы на выходе - вот и всё, что нужно для мультиметра с динамическим диапазоном 5 декад.
Если замахиваться на большее, тогда да, придётся получить дополнительные компетенции Fluke использует патентованную конструкцих сетевого трансформатора с пикоамперным током утечки на чатсоте 50 Гц, HP/Agilent в нановольтметре 34420A использовали активную компенсацию тока утечки сетевого ИП на ОУ, в Datron 1271 вообще используют 2-х трансформаторную каскадную схему, но все на 50 Гц.

Так они в моём случае могут приводить только к появлению помех от сети и от ВЧ наводок, первые прекрасно давятся в АЦП, а вторые ещё и дополнительными фильтрами, которые я просто не показал (как и элементы защит). Ну и импульсный блок питания (не вижу проблем его использовать, если он правильно сделан и мало излучает, да ещё находится вне корпуса мультиметра) имеет паразитную ёмкость в единицы пФ в отличие от обычных трансформаторов. И не забывайте, что в моей схеме все измерения не относительно земли, как у большинства мультиметров с обычным интегрирующим АЦП, а дифференциальные, поэтому используется свойство дельта-сигма АЦП хорошо подавлять синфазные помехи.

Большинство мультиметров с "обычным интегрирующим АЦП" имеют исключительно высокий CMRR за счёт промежуточного эквипотенциального экрана всего аналогового блока (Guard), который соединяется с источником синфазной помехи снаружи прибора. К примеру, наиболее близкий к заявленным МХ древний отечественный мультиметр В7-53 имеет гарантированный CMRR 100 dB на частоте 50 Гц и сопротивлении небаланса 1 кОм. У голого сигма-дельта АЦП будет около 110-120 dB - сильно лучше?

В общем, лично я пока не вижу, что тут можно советовать и что обсуждать.

Так лучше мне и не надо, зато без всяких экранов и других сложностей.

Вы не правы, я благодаря некоторым Вашим замечаниям в этой теме и в других (напр., про калибровку мультиметров) много интересного почерпал и поэтому уже менял и в схеме и в конструкции разные элементы и поэтому не считаю проект завершённым, вдруг ещё что-то узнаю, на что не обратил внимание.