RLC Meter, аналоговая часть

balmer

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?

Реклама

zöner

проще выкинуть внешние ключи и АЦП, взять МК с двойным АЦП (хотя бы F103) и мерить сразу напряжение и ток:

lc_opamps.png: (39.44 КБ) 1808 скачиваний

еще лучше - F303, тогда можно поднять частоту синуса до 100кГц и выше - мерить мелкие емкости/индуктивности, и задействовать встроенные ОУ с переключаемым Ку.

Реклама

balmer

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?

zöner

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.

Реклама

bob1

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?

Реклама

balmer

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.

Реклама

balmer

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.

balmer

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.

zöner

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.

balmer

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.

Galizin

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%.

balmer

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.

balmer

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.

zöner

добавьте хотя бы npn/pnp буфер на выход ОУ:

balmer

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.

khach

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.

balmer

С трансформатором получится соовсем другой прибор. Все мои варианты схемы лишь косметически отличаются от оригинального варианта.

Andrew Martin

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.

Bовка

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.

balmer

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.