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[電子儀表] 精密電壓產生器製作初步測試

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發表於 2018-11-4 11:58:05 | 顯示全部樓層 |閱讀模式
簡介:
這是幾年前就發表於對岸 38Hot 的開源套件,原名稱為“自校准的电压源 Voltgen”。
使用 LM399 的精密參考電壓源再利用 DAC 來產生各種可自行設定的電壓輸出,且也內建了 ADC 可以回讀此機的輸出做閉迴路的精細電壓控制。
所以這可以拿來校正六位半以下的手持式三用電表的 DCV 檔位,還能給電路實驗需要的電壓訊號,此機輸出為 0V ~ 12V 間任意設定。

套件內容:
我拿到的就一塊電路板,上頭的 SMD 元件都已經焊接完成了,要自己裝上所有的 DIP 元件包含 LM399,入手價格約 RMB 300 就下面這圖看的到的所有零件,其他的 DIP 零件都要自己準備另行購買。

相關的電路圖與韌體還有 PC 軟件都要自己上網去抓,還有安裝、測試與使用方式也要去參考相關帖子自己領悟。

購齊零件:
* 變壓器 15-0-15 與 6-0 共三組二次繞組,可以用兩顆現成的變壓器來並聯使用,或是去訂做專用的變壓器,下面照片這個封膠變壓器也是從對岸訂做的單價約 RMB 25。
* 液晶模組 192x64 也可以用 128x64 的但韌體不同,這個螢幕我第一個買錯買到有三隻 CS 控制腳的,雖然原作有提供程式碼能讓人自行修改以對應螢幕模組,但我看不懂程式也不會組譯所以又買了兩隻 CS 腳的約 RMB 40。
* LM399AH or LM199 7V 的電壓參考元件,LM399AH 買了一顆近期生產的全新品 LM199 買了兩顆拆板舊貨,這兩種在文件上的規格相當我拿來做評估比較,新 LM399 電壓高過 7V 而 舊 LM199 低於 7V,做了簡單測試電路與幾天長時間比對後選用了舊 LM199 因為舊貨已經長時間工作過電壓比較穩定。新 LM399 RMB 55 舊 LM199 RMB 25。
* VISHAY 膠封金属箔电阻 0.01% 2ppm,不同阻值共需要 8 顆,我買拆板貨每顆 RMB 10,安裝前用電表檢查過都在規格內才裝上去。
全部零件都安裝上去後。


上電測試:
先檢查板上的幾組電源電壓後再檢查 7V 與 10V 的參考電壓,這兩組參考電壓的讀數電壓值不是重點我注重在其雜訊值高不高且是不是穩定工作,最後在 7V 與 10V 的 OPA 輸出側多加了 1nF 對地的高頻旁路電容,後來也證明了這與電路中的磁耦合元件 ADuM1201 有關容後再述。
安裝好螢幕並燒錄上正確的韌體版本後本機就能開始工作了。


校正:
此時要接上 USB port 並使用原作寫的上位機軟件 Voltgen EEPROM 來校正讓此機的輸出能夠符合標準。

我只有一台多年未校正的 34401A 根本談不上標準所以只要弄到與 34401A 的讀數相同就可以了。

再開啟 Excel 填入各個不同電壓的數值,導出曲線與多項式填入 Voltgen EEPROM 的相關欄位內即可完成非線性輸出的補償了。


使用:
很遺憾的是本機由於單晶片空間不足無法放進旋轉編碼器與按鍵相關的輸入設定程式,只能用 USB 連線從 PC 用相對應的上位機程式來控制,或是加買輸入輸出控制面板,此板上頭還有一個單晶片,我現在還在猶豫是否要加買這塊控制面板?


輸出雜訊:
這點是我先前最在乎的項目,所以要先來做先前評估後才會決定是否將此機給完善化,就是加上控制板、隔離網罩與完整機箱。
由於此機正常是閉迴路工作一直再追隨與自校正輸出電壓,所以直流電壓很慢很慢的微小變動是正常的,但是我不太能接受有過高的雜訊。
LM 399/199 的文件說雜訊最大不會超過 50/20uV 而標準值是 7uV,但初期此機輸出雜訊都是在 20uV 上下不太滿意。
再爬文了一下原作有說到磁耦合元件 ADuM1201 工作達不到理想乾脆拆掉不要直通算了,果然拆掉後雜訊馬上下降,這數值我能夠接受了。

但是拆掉而直通又產生另一個問題,就是類比與數位電路沒有隔離,連數位地與類比地都接通在一起,現在只要有接上 USB 到電腦其輸出電壓馬上上升 DC 20uV 拔掉就降低回來。

改進:
此線路板的 Layout 走線我個人是不太滿意畢竟是買現成的,可以看出此 Layout 作者應該是搞數位線路的,我相信讓我自己設計 PCB 可以讓雜訊更低。
磁偶合電路沒有發揮成效,勢必要再找到其他的元件如光耦合來做隔離的元件,這點下次再來玩玩。
沒有自我的控制按鍵旋鈕也是不太方便,暫時可以用 USB 來控制但是遲早還是要再加上去。

初步測試完成,期待值與滿意度是 70 分。

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發表於 2018-11-4 12:13:16 | 顯示全部樓層
...................
發表於 2018-11-4 13:59:28 | 顯示全部樓層
請教


白色印刷方框 - 覆蓋鐵蓋
貫孔 - 鐵蓋接地焊點
若加蓋,這樣是否會有某些好處 ?

謝謝

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發表於 2018-11-4 14:26:57 | 顯示全部樓層
好棒喔  我也想做一個
發表於 2018-11-4 14:37:12 | 顯示全部樓層

遮罩罩宜採用浮地,不要自作主張和PCB的數位地去短接,原設計是不接地,如果效果不佳,建議可以考慮單點接模擬地。

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發表於 2018-11-4 14:49:57 | 顯示全部樓層
好厲害喔~n_063|
 樓主| 發表於 2018-11-4 14:56:03 | 顯示全部樓層
本文章最後由 duke83 於 2018-11-4 03:14 PM 編輯

隔離鐵罩我還沒去試,但估計有跟沒有不會差很多,這結論還是得看往後的測試數據。
這個是產生電壓的直流電壓源,目前裡面都是大信號的成分居多所以比較不怕外界的干擾,只要不要去干擾外界的設備就很好了,而且目前的環境周邊設備很少沒有干擾源,所以裸板測試已經有達到 AC 7uV 的水準,往後還是要將類比電路包起來,可能數據上沒什麼差異但穩定度與實用度會提高。

LM399 的溫度隔離也是個選項,有沒有必要加上保溫材料也要靠更高位數(八位數)的電表才好測得。
LM399 目前是工作在 +- 15 的電源,前幾天發現原來的 7815 電壓有點低就換另一顆 7815 結果發現來回穩壓電源只差 0.2V 就讓整個輸出特性變了又重新校正了一次,所以想再為 LM399 加裝一組獨立穩壓電源來保證參考電壓的穩定度。

目前最重要的是類比與數位電路的隔離問題,沒有隔離造成連接 USB 時雜訊大為提高約在 100uV 之上,要設定輸出電壓時又得靠 USB 連線,所以這個問題得先克服才行。

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發表於 2018-11-4 15:57:26 來自手機 | 顯示全部樓層
樓主大大您好
發表於 2018-11-4 15:59:28 來自手機 | 顯示全部樓層
不好意思按錯鍵 想請教您一下 您那塑封變壓器哪裡購買的呢,因小弟也買了一台成品 是220V的很不方便 想改回110V
 樓主| 發表於 2018-11-4 16:05:34 | 顯示全部樓層
本文章最後由 duke83 於 2018-11-4 04:18 PM 編輯
haihwa 發表於 2018-11-4 03:59 PM
不好意思按錯鍵 想請教您一下 您那塑封變壓器哪裡購買的呢,因小弟也買了一台成品 是220V的很不方便 想改回 ...


掏寶上訂做的交貨期 5 天,照片中變壓器上頭有詳細資訊包含規格與廠家。
PCB 重新鑽孔用跳線連接。
最簡單方法是再多裝一顆 110 升 220 的小變壓器就能解決。
或是你來多發一些帖子(例如發燒入坑),我有多做一顆相同備用的,可以當贈品來感謝您的發帖。

您也能來說說你的成品用的怎樣,或是測試數據是如何?

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發表於 2018-11-4 20:24:15 | 顯示全部樓層
謝謝分享!很專業的分析與測試。
發表於 2018-11-4 21:13:44 | 顯示全部樓層
本文章最後由 ericchou 於 2018-11-4 09:50 PM 編輯
duke83 發表於 2018-11-4 02:56 PM
隔離鐵罩我還沒去試,但估計有跟沒有不會差很多,這結論還是得看往後的測試數據。
這個是產生電壓的直流電 ...

LM399 的溫度隔離也是個選項,有沒有必要加上保溫材料

適當的保溫措施,似乎是必要的
datasheet內提到 ,LM399內部溫度,恆溫加熱條件是要達85度C
或許可以買個專用保溫殼來試試

LM199/LM399   Precision Reference
VALOX



LM399內部恆溫會加溫到85度C
但時際工作溫度範圍是 0~70 度C








網路上其它精準電壓參考元件
也曾提到溫度補償恆溫影響量測值之差異
KX LTZ1000-based DC Voltage reference design


溫飄影響量測值



保溫措施前


保溫措施後


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發表於 2018-11-4 22:32:34 | 顯示全部樓層
本文章最後由 專炸元件 於 2018-11-4 10:33 PM 編輯


遮罩可以增加穩定性  
可以防風   減少溫差  加速熱平衡到來


再來如果能用電池供電就好了  

跟直接做插頭  不要在有引線到DMM去

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 樓主| 發表於 2018-11-4 23:54:47 | 顯示全部樓層
本文章最後由 duke83 於 2018-11-5 12:51 AM 編輯
ericchou 發表於 2018-11-4 09:13 PM
LM399 的溫度隔離也是個選項,有沒有必要加上保溫材料

適當的保溫措施,似乎是必要的


現在市面上看到的 LM399 大都是 LM399AH 的,A 是代表特別挑出特性較優的,H 就是帶有白色保溫殼的,否則直接手摸很可能會被燙傷。
此機的 LM399 內部的發熱器工作電壓達到 30V 之高,所以開機到穩定的溫度的時間很短,又只是在室內使用以台灣的環境夏天與冬天的室內溫差不會超過 20 度,因為我們不是在 0 ~ 70 的環境中使用所以因為溫度而飄移的變數很小,可能只有規格上寫的 0.3ppm/C 而已,六位半電表已經觀察不到這 0.3ppm 的差異了。

要在外面多包個泡棉或保麗龍是很簡單的事,只是實際上在溫差 20 度的使用環境下有無此必要而已。

單獨來看此機的 LM399 相關電路設計的有技巧,除了用高電壓供給發熱器外,Zener 的限流電阻也是恆定電壓供電的就是來自 7V 的恆定電壓源。

2.7K 的限流電阻用料也不是普通的 SMD 電阻,至少也是 50ppm 等級的,所以不用太擔心外界環境對參考電壓的影響。
我目前沒加上恆溫罩與隔離網也就是在觀察與評估此機電路的優劣,這兩者都加上一定會再更好一些。

你貼的圖片是 LTZ1000 與這裡的 LM399 完全是不同等級的,LM399 體質沒有那麼優所以也不用花太多心思在這上頭。
畢竟這只是個精密電壓源而不稱為電壓標準源所以無法去校正六位半的電表,一台 34401A 的體質都比這台還要優良要怎麼校正。
這台精密電壓源理論上的短時間電壓偏移值是 4 或 5 uV(軟體設定),而實際觀察常常超過 10uV 以上,因為常常會失鎖又得花上一些時間後才能再鎖定。

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發表於 2018-11-5 12:21:33 | 顯示全部樓層
根据以往的经验,,我公司有15台HP34401 只要做0点校正,   几年来,10v标准比对。跑不到十个字,老哥,你参考

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發表於 2018-11-5 22:08:18 | 顯示全部樓層
真厲害~

這種半模組,沒有功力還玩不起來哩~

發表於 2018-11-7 11:51:53 來自手機 | 顯示全部樓層
樓主您好 剛拿到掏寶110V的升壓器 這兩天試一下電壓紋波後拍照
發表於 2018-11-7 15:02:00 | 顯示全部樓層
這真是個好東西!! 整個組裝到好,花了多少銀子?
發表於 2018-11-7 17:42:44 | 顯示全部樓層
請問甚麼MCU, 居然不夠放?
 樓主| 發表於 2018-11-7 20:29:25 | 顯示全部樓層
antlu 發表於 2018-11-7 03:02 PM
這真是個好東西!! 整個組裝到好,花了多少銀子?

共多少銀子我是沒算,但我都有交代每個東西是多少錢,請自己加一加。

原套件提供者也有提供成品價錢當然比買套件多得多,人家也要花時間組裝加上工錢與 know how 錢也是合理的。
 樓主| 發表於 2018-11-7 20:32:48 | 顯示全部樓層
xiaolaba 發表於 2018-11-7 05:42 PM
請問甚麼MCU, 居然不夠放?

是 ATmega 32,我沒去研究程式為何不夠放,反正原作者是這麼說的。
發表於 2018-11-7 20:41:58 來自手機 | 顯示全部樓層
duke83 發表於 2018-11-7 08:32 PM
是 ATmega 32,我沒去研究程式為何不夠放,反正原作者是這麼說的。

很可能用arduino寫,臃腫了
發表於 2018-11-7 21:59:05 | 顯示全部樓層
不知可以改為 ATmega64  有 64kb 程式容量...
發表於 2018-11-8 01:31:10 | 顯示全部樓層
隨機看了 EEVblog
也有不少基準源DIY的討論文
有興趣者,下列兩例也可順便參考看看

例一 :
作者樓主是台灣人
以 LTZ1000ACH做基準
有蠻多圖文,交代製作過程 & 前置建模模擬 & 熱流模擬與驗證實測 & 機殼設計...等
Project KX : DIY calibrator / reference source/meter

例二 :
作者樓主是德國人
一樣以 LTZ1000ACH做基準
但文章大樓蓋的特別高 (2440樓回文)

Ultra Precision Reference LTZ1000

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 樓主| 發表於 2018-11-9 06:29:03 | 顯示全部樓層
xiaolaba 發表於 2018-11-7 08:41 PM
很可能用arduino寫,臃腫了

應該是 BASIC 寫的所以程式比較大。

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發表於 2018-11-9 11:44:10 | 顯示全部樓層
本文章最後由 xiaolaba 於 2018-11-9 11:46 AM 編輯
duke83 發表於 2018-11-9 06:29 AM
應該是 BASIC 寫的所以程式比較大。


字褲裝太多
以前買了德國那套AVR開發套件, 配BASIC確實比較腫, 後來決定用配套C, 就開始學C了
發表於 2018-11-9 22:12:53 | 顯示全部樓層
字庫裝太多+1
發表於 2018-11-10 12:12:30 | 顯示全部樓層
本文章最後由 阿明先生 於 2018-11-10 12:42 PM 編輯

ATmega 32 單晶片內部的ADC只有10-bit,很難有七位數的精密度,線路應該還有其他高精密24-bit的ADC轉換IC,ADC還要能高速轉換才能即時回授穩定設定的電壓。

奇怪為什麼會用ATmega 32, 沒有高精密度ADC及DAC又沒有USB port ,可能是較早期的設計, 應該找一顆有這些功能的ARM單晶片負責所有的工作,線路可以更精簡

 樓主| 發表於 2018-11-10 13:36:12 | 顯示全部樓層
阿明先生 發表於 2018-11-10 12:12 PM
ATmega 32 單晶片內部的ADC只有10-bit,很難有七位數的精密度,線路應該還有其他高精密24-bit的ADC轉換IC, ...

在這塊板子上 ATmega 32 只做單純的控制,DAC 是用兩顆 16-bit 的 AD569 一當主為副兩個電壓相加起來。
ADC 使用 24-bit 的 LTC2400,USB 轉換用常見的 FT232RL 驅動簡單。

雖然電路架構已經推出很多年也有多次 PCB 版本的改良,到現在也只能還算是實驗板,板上都還留著許多擴充與更換主元件的插座與空間例如 ADC、DAC 與類比數位隔離電路,我個人認為還有許多改良的空間嚴格說這不能算是商品。

這種套件不能用太特別的元件,用料要選較普及與好買的否則幾年後就玩不下去了,以這個觀點來看所有主動元件功能獨立分開是對的。
發表於 2018-11-10 14:46:47 | 顯示全部樓層
樓主您好
今日下午開機1小時後 測試我當初購買的電壓源成品(內部為VISHAY PTF56電阻)
電壓:10.00004V   紋波:0.0001mV    HP34401A:2018年7月校正





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