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?

[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) 1802 скачивания

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

[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.

[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?

[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.

[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]

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.

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.

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.

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]

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]

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.

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.

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.

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.

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]

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.

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.

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.

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.

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.