Измеритель малых сопротивлений

[Andrey_B]

Здравствуйте.

Долгое время не даёт покоя идея сделать измеритель малых сопротивлений. Вот решил поделиться мыслями с сообществом.

Требования по решаемым таким прибором задачам:
- поиск КЗ на печатных платах.
- оценка сопротивления контактов реле, выключателей и т.д.
- оценка сопротивления и индуктивности дорожек на печатных платах.
- внутрисхемное измерение ESR конденсаторов.
- измерение внутреннего сопротивления аккумуляторов и батареек.

Основные ТТХ:
- способ измерения: мост переменного тока.
- частоты:
- 20 Гц (может 100Гц, ближайшее к постоянному току).
- 1 кГц (как стандарт для аккумуляторов).
- 100 кГц (как стандарт для конденсаторов).
- размах тестового сигнала 100-200 мВ Vp-p, чтоб не открывались даже диоды Шоттки.
- естественно полноценная 4х-проводная схема.
- отвязка измеряемой цепи по постоянному току.
- защита входа от высоких напряжений.

Погрешность видится не хуже 1-2% (1кГц) на сопротивлении 10 мОм, разрешающая способность 1 мкОм или меньше. По стабильности показаний - добиться максимума от применяемых щупов/зажимов.

Решить такую задачу покупкой одного или нескольких приборов дорого, да и не спортивно. Достойных самоделок не встречал (может плохо искал?), только простейшие.

Основные черты конструкции видятся так: МК с хорошими АЦП (STM32F303), усилители с полноценной схемой смещения, достаточно быстродействующие и малошумящие (AD8129, Кус около 12), выходной каскад обеспечивающий ток через измеряемую цепь до 30-50 мА (два канала TS922 впараллель + возможно рассыпуха). Сопротивление шунта измерения тока через измеряемую цепь около 5 Ом. Исполнение настольное, с глазастым дисплеем, встроенный аккум.

Кроме моментов правильной трассировки и экранирования, есть важнейший вопрос подключения прибора к измеряемой цепи. Видимо нужно несколько способов 4х-проводного подключения:
- площадки по размеру на печатной плате, для запайки измеряемого SMD-компонента.
- крокодилы, для выводных компонентов.
- щупы, для внутрисхемных измерений.

В щупах есть идея использовать чуть более длинный пружинный контакт для канала напряжения и жёсткий контакт для канала тока, что-бы его можно было сильно прижать. Типа как на фотке (иглы припаяны просто для примера):

Кто что думает об этом ? Критика и идеи приветствуются.

[Alex_641]

Уже есть, еср и миллиомметр от Мирона 63.

[Andrey_B]

Alex_641, если имеете ввиду "ESR_LCFv3 from miron63", то это несерьёзно. Прибор на подобном принципе измерения я делал еще 15 лет назад, даже публиковался в Радио (2006г, N1, N2, стр23.), поэтому прекрасно знаю его возможности.

[TEKTRON]

Andrey_B, не буду отговаривать. Может и получиться. Сам в своё время похожими целями увлекался.
Сейчас же все (кроме первой) перечисленные вами работы выполняю с использованием XJW01. Единственный его минус - отсутствие частоты измерения 100 кГц, нивелируется наличием DE5000. Набор самодельных щупов и пинцетов обеспечивает как 4-х, так и 2-х проводное подключение (можно попробовать ради эксперимента 4-мя иголочками приконнектиться к СМД детальке 0603 или меньшей ).
По поводу поиска КЗ на платах переменкой - как планируется отличать КЗ от ESR имеющихся на плате электролитов при прозвонке цепей питания?

По стабильности показаний - добиться максимума от применяемых щупов/зажимов.

Посчитаем? Исходные данные:

разрешающая способность 1 мкОм или меньше...
ток через измеряемую цепь до 30-50 мА

Получаем:
U=IR=10^(-6)x50*10^(-3)=50*10^(-9)=50 нВ (нановольт переменного тока). Прямо сказать, непростая задача. Если вообще решаемая...
И нужно ли оно, одномикроомное разрешение? Для многокилоамперных цепей - наверное, да. Для обычной электроники -
Всё - ИМХО.

[Andrey_B]

[uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4104845#p4104845"]Сейчас же все (кроме первой) перечисленные вами работы выполняю с использованием XJW01. Единственный его минус - отсутствие частоты измерения 100 кГц,[/uquote]
Диапазон вниз маловат, хочется на порядок, а лучше на 2 ниже. Схемотехника классическая, в лоб. Если уж с такой элементной базой такие характеристики получили, то с нормальной будет всё совсем хорошо.

[uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4104845#p4104845"]нивелируется наличием DE5000.[/uquote]
Это уже другие деньги. У меня имеется YR1035, он дешевле, и тоже перекрывает часть задач.

[uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4104845#p4104845"](можно попробовать ради эксперимента 4-мя иголочками приконнектиться к СМД детальке 0603 или меньшей )[/uquote]
Иголочки 4, а руки всего 2.

[uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4104845#p4104845"]По поводу поиска КЗ на платах переменкой - как планируется отличать КЗ от ESR имеющихся на плате электролитов при прозвонке цепей питания?[/uquote]
Я имел ввиду КЗ на пустых, ещё не запаянных платах. По роду работы частенько такой брак приходится отлавливать, вот думаю ещё и этот процесс облегчить.

[uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4104845#p4104845"]U=IR=10^(-6)x50*10^(-3)=50*10^(-9)=50 нВ (нановольт переменного тока). Прямо сказать, непростая задача. Если вообще решаемая...[/uquote]
Это всего на порядок лучше, чем у XJW01. Не думаю, что с этим будут проблемы (по опыту с RLC-71 и RLC-метром Neekeetos`a), оверсемплинг творит чудеса. Правда нужно прикинуть, что будет по шуму усилителей.

[uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4104845#p4104845"]И нужно ли оно, одномикроомное разрешение?[/uquote]
Возможно и нет, но интереснее решать задачи хоть в чём-то сложнее тех, что уже решены много раз.

[TEKTRON]

Иголочки 4, а руки всего 2.

Это и есть оправдание применения не-Кельвиновского пинцета - одной рукой управиться можно.

[TIGR]

Идея очень привлекательная.
Возможно,вас заинтересует радиолюбительская конструкция микроОмметра.
http://bbs.38hot.net/thread-40484-1-1.html

[Yuriy_King]

[uquote="TIGR",url="/forum/viewtopic.php?p=4104935#p4104935"]Возможно,вас заинтересует радиолюбительская конструкция микроОмметра.
http://bbs.38hot.net/thread-40484-1-1.html[/uquote]

С Тигром все понятно, он только картинки рассматривает. А прочитать про 24х разрядный АЦП и понять о прочих сложностях ему не судьба.
Вот пример измерения резистора по 4х проводной схеме с включенным фильтром на сверх коротких проводах. Два последних разряда "мусорные", что видно по фото...

[Andrey_B]

TIGR, эта конструкция измеряет на постоянном токе. Немного не то.
Yuriy_King, может оно просто плывёт, или именно шум ? Странно это для кейтли.

В качестве усилителей наверно больше подойдёт что-то типа AD8221 или ina826.

[Yuriy_King]

[uquote="Andrey_B",url="/forum/viewtopic.php?p=4105044#p4105044"]... может оно просто плывёт, или именно шум ? Странно это для кейтли.[/uquote]
Я показал минимальное и максимальное значения - показания меняются в этом диапазоне.

[Andrey_B]

Из трудностей пока вижу только одну, как пропихнуть синус 20Гц с требуемым током через развязывающий конденсатор, который больше чем 10мкф брать не следует. Есть идея сделать выходной усилитель с регулируемой выходной амплитудой 100мВ...10В. Отслеживать через канал напряжения размах на измеряемой цепи и не давать ему превышать уровень в 100-200мВ, регулируя амплитуду выходного усилителя. Надо нарисовать и обдумать получше.

[Andrey_B]

Накидал схему, выкладываю на поругание.

Некоторые пояснения:
- питание DA3 +12В, остальных ОУ +3.3В.
- размах на измеряемой цепи не превышает 150мВ при её сопротивлении не выше 5 Ом. При сопротивлении выше 5 Ом, надо программно уменьшать размах тестирующего синуса. Конечно будет падать общая точность, да и бог с ней, нам главное область низких сопротивлений.
- при данных значениях RC должно нормально работать с тестирующим сигналом и 20 Гц, и 100 кГц.
- на среднюю точку +1.65В с ЦАП МК можно попробовать подмешать немного шума, чтоб оверсемплинг веселей шёл.
- применение усилителей с дифф.выходом слегка улучшает ситуацию с суммарной разрешающей способностью измерения.
- все статические смещения по напряжению и фазе компенсируются программно.
- АЦП4 МК измеряет среднее напряжение на измеряемой цепи, что полезно при тестировании аккумов.

[uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4104925#p4104925"]Это и есть оправдание применения не-Кельвиновского пинцета - одной рукой управиться можно.[/uquote]
Ещё вот такая идея пришла в голову: два пинцета. Пинцетом в левой руке подаём на тестируемый компонент ток, пинцетом в правой - снимаем напряжение. Автовыбор полярности сделать не особо сложно.

[tonyk]

оверсемплинг творит чудеса.

Наивный. Тут где-то много про него спорили, а в итоге убедились, что на практике это не работает, потому что нет белого шума, без которого оверсэмплинг превращается в тыкву.

Правда нужно прикинуть, что будет по шуму усилителей

Про эффект Зеебека слыхал? Судя по схеме- нет. У тебя вся схема утонет в тепловых сдвигах и шумах.

[Andrey_B]

Нда. tonyk, вы уж определитесь, не заработает оверсемплинг по причине отсутствия шумов, или наоборот схема утонет в шумах. Причём тут старик Зеебек, вообще не понял. Срывайте уж покровы до конца, объясняйте почему другие схемы усилителей на ОУ с Кус=10 в тепловых сдвигах не тонут, а эта вдруг утонет ?

И не слушайте глупых споров, лучше выбирайте авторитетные источники, например: 1, 2, 3 и т.д. Это первые три ссылки из гугля, теория есть практически от всех производителей. Кстати и сам АЦП совсем не бесшумный, и внешний шум вполне заменяется пилой, которая также как и шум, тоже легко генерится ЦАП.

ЗЫ: под "поруганием" я имел ввиду хоть какую-нибудь конкретику.

[TEKTRON]

[uquote="Andrey_B",url="/forum/viewtopic.php?p=4108363#p4108363"][uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4104925#p4104925"]Это и есть оправдание применения не-Кельвиновского пинцета - одной рукой управиться можно.[/uquote]
Ещё вот такая идея пришла в голову: два пинцета. Пинцетом в левой руке подаём на тестируемый компонент ток, пинцетом в правой - снимаем напряжение. Автовыбор полярности сделать не особо сложно.
[/uquote]"Ну вот, утихла дрожь в руках..." (с) В.С.Высоцкий.
Мне такие подвиги уже не повторить...
Кстати, а чем же фотик держали и на его кнопку нажимали? Даже представить страшно

Если серьёзно, калибровать-то как? при каком расстоянии и взаимном расположении пинцетов? При какой проводимости оператора (жара(почти сауна)-R=минимум по очевидным причинам; мороз-сухо-R=максимум) её делать? ведь он (оператор) заполняет собой объём между источником сигнала и входом усилителя, тем самым влияя на паразитную ёмкость.
С другой стороны, коли зашунтировано милли- или микроомами... На НЧ вполне может сработать. Вот про 100 кГц - это вопрос...

[slav0n]

Наивный. Тут где-то много про него спорили, а в итоге убедились, что на практике это не работает, потому что нет белого шума, без которого оверсэмплинг превращается в тыкву.

шо такоэ "тыкву"?
оверсемплингу не нужен белый шум, он и без него замечательно работает

[slav0n]

я имел ввиду хоть какую-нибудь конкретику.

дебилы, сер

[Andrey_B]

[uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4108557#p4108557"]Кстати, а чем же фотик держали и на его кнопку нажимали?[/uquote]
Товарищи помогали.

[uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4108557#p4108557"]Если серьёзно, калибровать-то как?[/uquote]
Ну а как калибруют RLC с обычными крокодилами Кельвина ? Так же и тут, экранировка. Вот как на кнопки нажимать, когда обе руки заняты, это вопрос. Решать его придётся либо алгоритмически, либо в лоб - разместить кнопку на пинцете.

[TEKTRON]

[uquote="Andrey_B",url="/forum/viewtopic.php?p=4108982#p4108982"]Вот как на кнопки нажимать, когда обе руки заняты, это вопрос. Решать его придётся либо алгоритмически, либо в лоб - разместить кнопку на пинцете.[/uquote]И тут два пинцета плавно вырождаются...

...вырождаются плавно...

... в один!

До 100 кГц работает нормально, проверено лично

[indman]

[uquote="TEKTRON",url="/forum/viewtopic.php?p=4109534#p4109534"]До 100 кГц работает нормально,проверено лично[/uquote]
Мне тоже импонирует такой вариант

Спойлер

1.jpg

(49.9 КБ) 391 скачивание