Дизайн народного RLC-метра (RLC-3)

"Цифровые потенциометры" имеют весьма посредственную термостабильность и с работой на высоких (относительно) частотах будут проблемы (по крайней мере, от 100 kOhm на 10 kHz не стоит ожидать хороших и предсказуемых характеристик). Но вот что я прикинул - даже с 19-20 битами динамического диапазона цифровалки дискретность представления совершенно неприлично низкая, у RLC-2, если я не очень наврал, получается почти 31 бит. Боюсь, что с одним образцовым резистором до характеристик RLC-2 никак не добраться. Его (RLC-2) можно упростить, но это будет как раз обратное тому, что делали авторы, по возможности удешевляя конструкцию. А так да, разом заменить входы на AD620, оставив синхронные детекторы, поставить многоразрядный ADC - скажем, MCP3553, отказавшись от от двух каскадов x10. Но вот отказаться от переключения токового резистора - что-то это (мне) теперь стало сомнительно... Инструментальный усилитель с усилением 1000 уже будет валить на 10 kHz, но даже с таким усилением в сочетании с заявляемыми для ADS1252 19-ю битами все равно выходит хуже, чем у RLC-2. Так что я здорово усомнился в перспективе такого подхода к решению...

Имел в виду TIC32 с управлением по I2C
НО - низкая доставабельность и цена немного "ненародная" - 200-300р
Меньше 10 баксов - еще недавно двухстрочные модули на 44780 столько и стоили. Я примерно то и хотел предложить (но G157, это 128x64, крупная точка, 10 баксов с подсветкой. Достоинство - менее тормозные против TIC157).
По-любому, цена сопоставима с знакосинтезирующими. Однако, пока тут выдалось время, посидел-посчитал - с фронтендом выходит совсем хреново, как ни крути...

Уже писал, AD8253: доступен в семплах http://www.analog.com/static/imported-files/solutions_bulletins/industrial10-08a...

rx3apf: ... прикинул - даже с 19-20 битами динамического диапазона цифровалки дискретность представления совершенно неприлично низкая. Боюсь, что с одним образцовым резистором до характеристик RLC-2 никак не добраться

Давайте на простых примерах посмотрим, что мы ожидаем от проектируемого измерителя RLC-3 в случае применения 24-битного сигма-дельта ацп. Имеем последовательную цепь: образцовое сопротивление 1кОм и измеряемое 0.01 Ом. Прикладываем к ним 1 В переменного напряжения 1 кГц.

ток I=1000000мкВ/1000.01Ом=999.9900001 мкА

напряжение на измеряемом сопротивлении Ux=9.999900001 мкВ

напряжение на образцовом сопротивлении Uо=999990.0001 мкВ

пусть опора в ацп=2.048В, тогда КОДx=Ux/(Uref/2^24)=81.919=82, КОДо=Uо/(Uref/2^24)=8191918.08=8191918

По данным кодам МК вычисляет неизвестное сопротивление Rx=Ro*КОДx/КОДo=1000 Ом*8191918/82=0.01000986. Погрешность измерения равна 0.1%, не так уж и плохо для пограничного измерения. Те же вычисления для сопротивления 0.02 Ома дадут значение 0.02002, тоже неплохо.

Для высокоомных измерений поставим 100 МОм вместо 0.01 Ома. МК вычислит Rx=99901 кОм, погрешность измерения равна 0.1%.

Вот что мы ожидаем получить, проверьте мои выкладки. По-моему результаты неплохие, согласен это не 0.000001%, но лично я согласен и на 1%, поскольку даже 1% для практики более, чем достаточен.

Но это уже все ж 24 бита, а не первоначальные 19 (обещанные для ADS1252). 1% точности тоже не впечатляет, на самом деле. Терпимо для большинства применений, но применяя элементную базу лучшего уровня,чем в RLC-2, хотелось бы иметь и точность по крайней мере не хуже (ну да, в меру возможности калибровки, но тем не менее). По результам для RLC-2 утверждалось, что четвертый знак стабилен, сильно подозреваю, что с 24 битами это не получится, запаса никакого... И даже эти 24 бита еще надо как-то получить - т.е. переключаемые масштабируемые усилители на входе и уж, разумеется, никаких встроенных 10-битных ADC.

На самом деле, переключаемый токовый шунт, в том виде, как он сделан в RLC-2 - исключительно красиво и просто (гораздо приятнее, на мой взгляд, чем масштабирующие усилители x10). Просто в том числе и в настройке - ведь, если подумать, вовсе не требуется высокая точность шунтовых резисторов, гораздо важнее их стабильность. На этапе калибровки, подключив один прецизионный резистор 1000 Ом, вполне можно откалибровать все диапазоны. Но при этом и динамический диапазон цифровалки должен быть соответствующий. Скажем, 13 бит ширпотребных SAR ADC будет явно мало. Правда, типично они допускают варьирование Vref в довольно широком диапазоне - но это опять ключи и потенциальные проблемы стабильности.

Короче, мое мнение - нужно тем или иным способом, но иметь динамический диапазон по крайней мере не хуже 28 бит. И четыре стабильных знака в показания - иначе, IMHO, "воевать" просто не за что...

rx3apf: у RLC-2, если я не очень наврал, получается почти 31 бит...с заявляемыми для ADS1252 19-ю битами все равно выходит хуже, чем у RLC-2. Так что я здорово усомнился в перспективе такого подхода к решению...

Да, там бюджет порядков такой: 1000 для токов, 100 для усилителей и 20000 для ацп, итого 2*10^9 или 2^31. С такими параметрами импедансы должны бы измеряться от 50 мкОм до 200 ГОм, а этого пока нет, так что впору усомниться в правильном подходе к проектированию.

Поскольку народ начинает потихоньку беспокоиться, когда же будет готовое изделие, предлагаю окончательную блок-схему.

- (Синхронизируемый) DDS-генератор на ЦАП TLV5638 с источником единого опорного напряжения (или AD5621 на крайний случай),
- один образцовый резистор 1000 Ом, 0,0001%, 500 мВт,
- два измерительных усилителя AD620 (2 ГОм,2пФ), или лучше INA337 (10ГОм,2пФ),
- два 24-битных сигма-дельта АЦП типа ADS1252 (возможно следует ещё поискать),
- любая атмега с аппаратным умножителем, лучше с ацп (для диагностики, измерения смещения и т.д.),
- дисплей с последовательным входом,
- раздельные стабилизаторы питания +5В для аналоговой части и цифровой части (тут экономия себе дороже).

Чтобы нашему сообществу получить готовое изделие, надо будет потрудиться, причём каждому участнику. Давайте не будем жить по анекдоту: внучок спрашивает деда, любит ли он групповой секс, тот отвечает утвердительно, а на вопрос "почему", отвечает: "Ну дак, там сочкануть можно".

rx3apf: Но это уже все ж 24 бита, а не первоначальные 19 (обещанные для ADS1252). 1% точности тоже не впечатляет, на самом деле

Вообще-то там точность 0,1% (1-й класс точности, если не ошибаюсь), причём на пограничных измерениях, а про 1% было сказано, что я и на 1% был бы согласен.

Что касается 24-бит. Наверное, вы не обратили внимания в описании на ацп сказано, что при усреднении 4000 выборок, получаются как раз 24 бита. Я планирую усреднять (с помощью ПФ разумеется) где-то порядка 1000-10000 выборок, так что 24-бита там будут...

Да, там бюджет порядков такой: 1000 для токов, 100 для усилителей и 20000 для ацп, итого 2*10^9 или 2^31. С такими параметрами импедансы должны бы измеряться от 50 мкОм до 200 ГОм, а этого пока нет, так что впору усомниться в правильном подходе к проектированию
Ну так и входы неидеальны (емкости, смещении и его дрейф у примененных операционников). И я не вполне себе представляю, как влияет неидельность выборки-хранения при том, что напряжение на детекторах ощутимо пульсирует, особенно на 100 Hz.

DDS-генератор на ЦАП TLV5638
Выглядит неплохо. Я бы предложил MCP4921, он вдвое дешевле. Но - один канал. Но по идеологии - IMHO, правильно. Отдельный процессор, сериальный DAC, допускающий работу хоть с одним каналом загрузкой двух байтов по SPI. Тонкости конкретного выбора уже непринципиальны, поскольку фактически отдельный узел.

- два измерительных усилителя AD620 (2 ГОм,2пФ), или лучше INA337 (10ГОм,2пФ),
Дорого (относительно). Но, боюсь, альтернативы либо "развесисты" и хуже по характеристикам, либо, как AD8253, не слишком доступны, ибо "свежачок". Коэффициент 1, я полагаю ? (переключать усиление тут уже "малой кровью" не получится).

- два 24-битных сигма-дельта АЦП типа ADS1252 (возможно следует ещё поискать),
Штука недешевая. Но, опять же, "при всем богатстве выбора"... Однако - 19 бит (24 с нее не взять, у меня сомнения тут нет). Где возьмем еще пять (да мало пять, мало !). Два - можно "добавить", варьируя Vref. Мало...

Вообще-то там точность 0,1% (1-й класс точности, если не ошибаюсь), причём на пограничных измерениях, а про 1% было сказано, что я и на 1% был бы согласен.
Не, ну я же не до такой степени невнимателен. Разумеется, видел и 0.1, и 1%...
Что касается 24-бит. Наверное, вы не обратили внимания в описании на ацп сказано, что при усреднении 4000 выборок, получаются как раз 24 бита. Я планирую усреднять (с помощью ПФ разумеется) где-то порядка 1000-10000 выборок, так что 24-бита там будут...
А вот на это действительно не обратил внимание. Увидел про "честные 19", и допытываться не стал. Все равно - ну мало это. Поэтому продолжаю сомневаться в применимости одного образцового резистора. И уж, конечно, никаких
1000 Ом, 0,0001% - любой (любые) близкого номинала максимально доступной термостабильности, а сверхпрецизионный резистор приберечь для калибровки прибора. Просто не имеет смысла ставить внутрь что-то сверхточное, а потом все равно калиброваться по нему - внешний-то эталон нужен...

- раздельные стабилизаторы питания +5В для аналоговой части и цифровой части (тут экономия себе дороже).
И не пугаться отрицательного питания - иначе весь вход надо "приподнимать" на "землей", и вот тут наверняка выйдет "себе дороже". Хотя бы AD620 надо подпитать (даже суррогатно, инвертором от процессора через выпрямитель, и хорошо почистить).