Форум РадиоКот https://radiokot.ru/forum/ |
|
RLC Meter, аналоговая часть https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=96008 |
Страница 1 из 28 |
Автор: | balmer [ Сб окт 26, 2013 20:52:13 ] | ||
Заголовок сообщения: | RLC Meter, аналоговая часть | ||
Добрый день. Понравилась мне схема RLC измерителя на STM32F100C4. Но как собственно и указал автор есть некоторые проблеммы в аналоговой части. Поэтому хочу сделать более качественно. Пока подготавливаюсь потихоньку как с теоретической так и с практической части. Сначала про замеченные недостатки в оригинальной схеме. Рассмотрим фильтр нижних частот/буферный усилитель на микросхемах DA2:1 DA4:1. Первый недостаток - это PWM модуляция. По моему опыту это даст огромные наводки на ADC внутри процессора. Второй недостаток - DA2:1 и DA2:2 это части одной микросхемы, но одна DA2:1 находится в части схемы с большой амплитудой сигнала, а DA2:2 - в части с малой амплитудой сигнала. Посмотрим на DA4:2, тут аналогичный недостаток - будут наводки от DA4:1. К томуже на выходе DA4:2 нет блокировочного конденсатора. Если учесть, что выход DA4:2 это "виртуальная земля", то конденсантор там важен. Схема инструментального усилителя на DA1:1 DA1:2 DA3:1 довольно сложна и как указал автор - излишне сильно шумит. Поэтому представляю свой вариант аналоговой части (см Вложения). Цифровую часть пока не прорисовывал. Там где требуются усилители с мощными выходами применил AD8532. Фильтра нижних частот/буфер на IC1A, IC1B оставил практически без изменений. Но поставил между ними разделительный конденсатор и привязал IC1B по постоянному току к "виртуальной земле". Теортетически это должно избавить от проблемм с постоянной составляющей напряжения на выходе IC1B. Разделительный конденсатор на выходе IC1B ставить нельзя, потому как мы можем измерять элемент с высоким сопротивлением или вообще конденсатор. IC3A обеспечивает нам "виртуальную" землю. Но в отличие от оригинальной схемы выбрал питающее напряжение побольше (+2.5V), чтобы операционным усилителям было попроще работать в линейном режиме. На выходе поставил элементы R8, C7, C8 для фильтрации высокочастотного шума. Выбор сопротивления оставил без изменения на элементах IC3B IC2. Переключатель ток/напряжение на входе инструментального усилителя нарисовал на 74HC4066. Потому как не оказалось 74HC4053 у меня в наличии, в будущем возможно и перерисую обратно. Логика работы этого узла не изменилась - для того чтобы сигнал проходил. Надо IC4A, IC4D - включить. IC4B - выключить. Заземлять серединку нужно для того, чтобы даже минимального сигнало не прошло через проходные емкости. Инструментальный усилитель выбрал AD8221. У него довольно низкий уровень шума. Схема становится проще. Пусть будет два коэффициэнта усиления 1:1 и 1:20. Оконечный усилитель пускай будет на MCP6S21. Это операционный усилитель, с программируемыми коэффициэнтами усиления от 1:1 до 1:32. Заказал LCR Meter DE-5000 чтобы таки был шанс настроить хорошо. Например к узлу переключающему сопротивления много вопросов, а какое он таки сопротивление имеет на разных частотах. Замечания? Дополниения? Умные мысли?
|
Автор: | zöner [ Сб окт 26, 2013 22:22:58 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
проще выкинуть внешние ключи и АЦП, взять МК с двойным АЦП (хотя бы F103) и мерить сразу напряжение и ток: Вложение: еще лучше - F303, тогда можно поднять частоту синуса до 100кГц и выше - мерить мелкие емкости/индуктивности, и задействовать встроенные ОУ с переключаемым Ку. |
Автор: | balmer [ Сб окт 26, 2013 23:42:37 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
Про одновременное измерение тока и напряжения надо будет подумать. Тем более вспомнил еще один недостаток как оригинальной так и моей схемы. Нет переключения второго вывода инструментального усилителя IN+. В случае измерения тока индуктивность проводов щупов будет приплюсовываться к сопротивлению резисторов. Не уверен что это сильный недостаток, возможно оно лечится калибровкой. А почему на F103 нельзя использовать частоту 100 кгц для синуса? Вроде скоростей ЦАП и АЦП хватает? |
Автор: | zöner [ Вс окт 27, 2013 01:15:47 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
Цитата: А почему на F103 нельзя использовать частоту 100 кгц для синуса? Вроде скоростей ЦАП и АЦП хватает? ЦАП хватает впритык - макс.частота обновления для малого сигнала 1МГц, хотя если отфильтровать может и покатит.Боюсь что скорости не хватит для реал-таймовой генерации синуса и измерения 2х АЦП (даже с ДМА). тем более у Ф103 макс 1Мгц - может быть маловато для точного измерения 100кГц синуса. ДСП ускоритель у Ф303 может пригодиться если захочется делать многочастотный анализ измеряемого Zx (т.е. АЧХ/ФЧХ на всех частотах) - см. тему на pro-radio http://pro-radio.ru/measure/690/ , там используют этот метод. |
Автор: | bob1 [ Вс окт 27, 2013 08:52:02 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
По схеме: 1. Зачем нужны IC4 и IC5 ?? Поставить 1 переключаемый ключ с канала тока на напряжение и все??!! 2. R8 C7 C8 не нужны . У усилителя выходное сопротивление маленькое. Кондер лучше поставить на делитель R7 и R6. 3. IN+ лучше делать переключаемым. С калибровкой гемор и при изменении положения проводов(до крокодилов) думаю будет меняться сопротивление их. Заметно будет на частотах 100кГц. 4. назначение IC4C?? Работу узла на ad8221 честно говоря непонятна. -In висит в воздухе? |
Автор: | balmer [ Вс окт 27, 2013 08:56:34 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
Чтож пока попробуем c F103 (потому как есть он у меня), а дальше посмотрим, может и F303 прикрутим. Сильно высокие частоты не хочу делать, так как эта схема плохо подходит для частот выше 100 кгц. Мое мнение, что там лучше пользоваться парочкой AD8302 для снятия фазово-частотной характеристики. |
Автор: | balmer [ Вс окт 27, 2013 18:06:56 ] | ||
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть | ||
Перерисовал аналоговую часть под использование STM32F103, чтобы сразу ток и напряжение измерять. Надеюсь что на краях диапазона. Например при измерении 1000 мкФ конденсатора на частоте 100 кгц не будет слишком сильного проникновения сигнала между каналами и по питанию.
|
Автор: | balmer [ Вс окт 27, 2013 18:25:40 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
bob1 писал(а): 4. назначение IC4C?? Работу узла на ad8221 честно говоря непонятна. -In висит в воздухе? Да спасибо, баг был на схеме. -IN должен подключаться к IC4D пину B. bob1 писал(а): 1. Зачем нужны IC4 и IC5 ?? Поставить 1 переключаемый ключ с канала тока на напряжение и все??!! Так нельзя. Дело в том что минимальное сопротивление R9 = 100 Ом. Вот скажем возмем конденсатор более 1000 мкФ на частоте 100 КГц. Его реактивное сопротивление - единицы миллиом. ESR (активное сопротивление) десятки миллиом. Поэтому сигнал с канала напряжения может быть в несколько сотен раз меньше, чем с канала тока. Так что через проходную емкость 10 pF выключенного переключателя будет просачиваться паразитный сигнал по уровню сравнимый с основным. bob1 писал(а): 2. R8 C7 C8 не нужны . У усилителя выходное сопротивление маленькое. Кондер лучше поставить на делитель R7 и R6. Вот тут у меня недостаточно знаний. Просто "виртуальная земля" без конденсаторов что-то пугает меня. В даташите к AD8531 в главе "HIGH OUTPUT CURRENT, BUFFERED REFERENCE/REGULATOR" тоже на выходе есть конденсаторы. Так что это не полная отсебятина. Про конденсатор на R7 согласен, надо поставить. bob1 писал(а): 3. IN+ лучше делать переключаемым. С калибровкой гемор и при изменении положения проводов(до крокодилов) думаю будет меняться сопротивление их. Заметно будет на частотах 100кГц. Тут согласен абсолютно, поэтому перерисовал тракт по другому. |
Автор: | zöner [ Вс окт 27, 2013 18:30:49 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
Цитата: Вот скажем возмем конденсатор более 1000 мкФ на частоте 100 КГц а зачем так делать ? Для 1000мк хватит и 100Гц.Не думаю что найдутся настолько глупые юзеры, которые будут мерить тыщщи мкФ на таких частотах. но если включат - можно вывести предупреждение что превышена емкость и автоматом понизить частоту. |
Автор: | balmer [ Вс окт 27, 2013 19:35:52 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
zöner писал(а): Для 1000мк хватит и 100Гц. Тогда пример еще проще - попытаемся измерить сопротивление 0.1 Ом. Смысл таков - на границе диапазона сильно точность падает из-за смешивания измерений для тока и напряжения. |
Автор: | Galizin [ Вс окт 27, 2013 20:39:07 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
balmer писал(а): Первый недостаток - это PWM модуляция. Не понял, какой тут недостаток. Фильтр там вроде достаточно качественный. Пульсации там малы по сравнению с рабочим сигналом. AD8532 - плохой выбор для ус мощности. Прежде всего по входному смещению. Оправдан, если сознательно уменьшать сопротивление шунта. Нужно заботиться о плохом смещении ОУ. balmer писал(а): Второй недостаток - DA2:1 и DA2:2 это части одной микросхемы Есть такое дело. Но иначе скомпоновать не получалось. Либо нужен был еще один корпус. Был еще один вариант, но там получалось так же плохо. balmer писал(а): К томуже на выходе DA4:2 нет блокировочного конденсатора Я тоже сначала думал, что он там будет полезен. Результаты моделирования опровергли эти предположения - возбуждение. Выбор ОУ также неподходящий для такого ответственного применения. balmer писал(а): Схема инструментального усилителя на DA1:1 DA1:2 DA3:1 довольно сложна и как указал автор - излишне сильно шумит. Можно поставить готовый. Шумит не инструментальный усилитель. Шумит I/V преобразователь. Даташит AD8221 писал(а): Установка коэффициента усиления одним внешним резистором (диапазон коэффициентов усиления от 1 до 1000) Практически это означает отказ от использования переменного коэффициента усиления. Переключать задающий КУ резистор ключем == нестабильность КУ от температуры. Кроме того его бюджет = суммарному бюджету всех ОУ. ОУ ток-напр в идеале должен быть одиночным. Его шум определяет высокоомность измерения. F103 скорости хватит для 100килогерц. Даже F100 почти хватает. С запасом лучше взять 373-303 какой нибудь. разница в стоимости несущественна по сравнению с остальным. Вы выкинули делитель от 1.5 вольт амплитуды питающего сигнала до 0.3 и уменьшили порядок фильтра. Во всем кроме бюджета Ваша схема потенциально может обогнать оригинал. 0,1 ома в оригинале померялось с точностью около 2%. |
Автор: | balmer [ Пн окт 28, 2013 00:33:47 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
Galizin писал(а): Не понял, какой тут недостаток. Пробовал в свое время генерировать одной из ножек ATMega8 прямоугольный сигнал. На частоте 10 КГц это давало такие помехи, что на входах ADC всегда был сигнал не меньше 2 мВ. Когда же ради интереса поставил 100 КГц сигнал, то тут наступила полная попа. Даже SPI работал с ошибками. После этого отношусь с большим подозрением к прямоугольным сигналам на ножках микроконтроллера. Причем пробовал по разному защититься от этого - ничего особо не помогало. Galizin писал(а): AD8532 - плохой выбор для ус мощности. Прежде всего по входному смещению. Оправдан, если сознательно уменьшать сопротивление шунта. Нужно заботиться о плохом смещении ОУ. Спасибо. Тут кажется облажался по полной программе. Input Offset Voltage 25 mV у AD8532 - это действительно ужас. Перерисую пожалуй выходной каскад под OP07C с подстроечным резистором. Там особо большой полосы пропускания не надо, так что должно прокатить. Galizin писал(а): Я тоже сначала думал, что он там будет полезен. Результаты моделирования опровергли эти предположения - возбуждение. Выбор ОУ также неподходящий для такого ответственного применения. Ок. Тут тоже поставлю OP07C. С блокировочными конденсаторами. Как раз и проверю, будет ли самовозбуждаться. Теоретически при том включении, что у меня в схеме - не должно. Galizin писал(а): Шумит не инструментальный усилитель. Шумит I/V преобразователь. ОУ ток-напр в идеале должен быть одиночным. Его шум определяет высокоомность измерения. Поставлю одиночный AD825 (из того, что есть выбирал). Он и низкий уровень шума имеет и малый input offset voltage. Главное чтобы не начал самовозбуждаться на высокой частоте. Galizin писал(а): Практически это означает отказ от использования переменного коэффициента усиления. Переключать задающий КУ резистор ключем == нестабильность КУ от температуры. О, тогда еще проще - пусть инструментальные усилители усиливают с Ку = 10. Самое главное чтобы сигнал с одного ADC не проник на вход другого. |
Автор: | balmer [ Пн окт 28, 2013 01:54:07 ] | ||
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть | ||
Перерисовал схему. Воспользовался OP07C в качестве усилителя с низким Input Offset Voltage. В буфере/фильтре на выходе генератора частоты. И в "виртуальной земле" на 2.5 V. Фильтр, который фильтрует DAC оставил того-же третьего порядка. Вроде должно хватать. Если учесть что будем на частоте 1 MHz сигнал генерировать, то там более чем достаточное подавление получается. Инструментальные усилители все время работают с Ку=10 примерно. Все равно надо усиливать сигнал с 300 мВ до 3 В. Надеемся, что не будет между двумя ADC проникновения сигнала взаимного. В генераторе тока попробую AD825. Конечно маловато питающее напряжение для нее. Но тут не нужны рекорды по скорости и амплитуде сигнала. Попробую, если не получится, придется опять в интернете заказывать детальки и ждать когда пришлют. Либо поставлю ICL7660 для отрицательного напряжения.
|
Автор: | zöner [ Пн окт 28, 2013 01:56:52 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
добавьте хотя бы npn/pnp буфер на выход ОУ: |
Автор: | balmer [ Пн окт 28, 2013 09:32:25 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
Такой PNP буфер точно не надо добавлять. При уровне сигнала 300 mV будут искажения типа ступенька большие. Да и нагрузка там маленький. Минимальное сопротивление больше 200 ом при размахе сигнала в 300 mV это меньше 1.5 мА. Впрочем насчет усилителей операционных надо будет тщательно подумать. Должны питаться от однополярного питания не более 5 V. I/V преобразователь должен быть малошумящим, с высоким входным сопротивлением и с малым Input Offset Voltage. Буфер на DAC должен просто иметь малый Input Offset Voltage. Вот скажем AD8605 - всем хорош. Низкий Input Offset Voltage. Низкий уровень шума. И не особо дорогие. |
Автор: | khach [ Пн окт 28, 2013 10:12:43 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
А может попробовать повторить трансформаторную развязку возбуждающего сигнала, как в старых Е7 приборах? Тогда можно легко измерять катушки при подмагничивании постоянным током (актуально для конструкторов импульсников) и конденсаторы со смещением постоянным током (бывает важно для оценки потерь в электролитах)? Только чтобы трансформатор был малогабаритный и неплохо бы чтоб хотя бы 1 МГц тестового пропускал. |
Автор: | balmer [ Пн окт 28, 2013 11:00:19 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
С трансформатором получится соовсем другой прибор. Все мои варианты схемы лишь косметически отличаются от оригинального варианта. |
Автор: | Andrew Martin [ Пн окт 28, 2013 23:41:28 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
Посмотрите в сторону ОУ фирмы Microchip - они и дешевы, и рассчитаны на низковольтное однополярное питание, и все сделаны по КМОП - технологии. Например, МСР6021... А ОР07 - это классика, которая хорошо работает от двуполярного высоковольтного источника +/-15В и не будет нормально работать от однополярного +5В. |
Автор: | Bовка [ Ср окт 30, 2013 00:23:25 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
Посмотрите схему 500ppm LCR Meter из журнала Elektor за 2013 год, может что-то позаимствуете, если точность стоит превыше всего. А вообще разглядывая схему Олега увидел что там всё проработанно до мелочей, как я понял некоторые особенности вызваны примененным типом ОУ и их однополярным питанием. |
Автор: | balmer [ Ср окт 30, 2013 09:40:59 ] |
Заголовок сообщения: | Re: RLC Meter, аналоговая часть |
Спасибо посмотрел. Схема достаточно стандартная с небольшими вариантами. Интересно, что в обсуждении этого прибора упоминаются и RLC-2 и конкурсные работы с РадиоКота. Боюсь, что надолго уйду в offline. Пока вытравил платку с операционными усилителями OP07C. Сегодня вечером буду тестировать - работает ли это безобразие от 5V. Если не работает - придется ждать посылки с более современными усилителями. Если работает, то засяду программировать микроконтроллер надолго. |
Страница 1 из 28 | Часовой пояс: UTC + 3 часа |
Powered by phpBB © 2000, 2002, 2005, 2007 phpBB Group http://www.phpbb.com/ |