自制6位半数显万用表

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预先声明：本制作电路设计，软件编程来自38度发烧论坛“孟欣、乐逍遥”等坛友，本人在此基础之上根据自己需求进行电路改进、PCB设计及整机制作。衷心感谢他们的研究和付出，让我制作出一块极低成本的高位测试仪表。

话说万用表是无线电爱好者必备的工具，是电气工作中不可或缺的好伙伴，无意间在38度发烧论坛上看到有网友自制6位半万用表，顿时心里痒痒的，仔细检索发现作者公开了制作的全部资料，于是搜集齐全后，决定自己做一个。要说6位半万用表，指的是具有较高分辨率的万用表，正常大家常用的三位半或者四位半万用表，其最高显示范围是±1999及±19999，而6位半万用表，其显示范围可以达到±1999999，分辨率要比三位半高了几个数量级，更高的位数代表着更高的分辨率，也就是这个仪表的检测细小变化的能力越强，如果问我要这么高的分辨率有什么用，我只能说我用不上，平时一块3位半足够了，真要买个HP3456A，3458之类的，完全就是浪费。

但是，实践的观点是Marx主义认识论首要的和基本的观点，伟大领袖曾指出：“无论何人要认识什么事物，除了同那个事物接触，即生活于（实践于）那个事物的环境中，是没有法子解决的。”科学理论的价值就在于回答时代课题、推动实践发展，之所以做这个表，完全是为了享受制作的乐趣以及学习探索万用表的原理。

《实践论》指出：实践、认识、再实践、再认识，这种形式，循环往复以至无穷，而实践和认识之每一循环的内容，都比较地进到了高一级的程度。”这是认识的辩证发展过程。根据这一基本原理，在各项工作中必须坚持“实践、认识、再实践、再认识”的认识路线，不断提高工作水平。

资料收集齐全后，开始制作，首先研读电路图，对项目进行初步认识。
万用表的架构，主要分为3部分：1、显示控制单元 2、测量单元 3、功能模块单元。

这个万用表，核心是采用STM32F103单片机作为主控电路，24-bit的LTC2440作为模数转换，再配合电压采样、欧姆电流源、T-RMS AC-DC转换等电路构成测量仪表，整机采用2单元设计，一块板专管显示控制，一块板专管测量及功能转换，数字模拟分开。




根据电路图画出PCB，送厂家加工，3天后收到



趁PCB打样的时候开始备料，PCB打好了，料也备好了
焊接即可，没有什么难度，按部就班焊






这是ADC LTC2440和基准电压源 ISL21009B
对于高位表来说，基准电压源很重要，因为它决定着仪表的精度
按说，6位半的表，基准电源至少需要用LM399这样的恒温基准甚至LTZ1000这样的超高精度基准
但是，考虑这是电池供电的便携式仪表，决定采用非恒温的基准电源
首选是MAX6350，但是其要求供电电压高，货源少，经过综合考虑，
决定使用Intersil的ISL21009B，3ppm/℃的温度系数，±0.5mV误差，也可以接受


分压电阻们，9.9MΩ和100KΩ构成100：1分压器
其中，这里采用精度0.1% 温漂15ppm的精密贴片电阻
100KΩ为2串2并提高整体性能，9.9M采用3MΩ、1MΩ、300K等电阻串联而成
同时，预留分压电阻网络安装位置，可以安装精度更高的TC1756型分压电阻网络


电流采样电阻，0.039Ω的4线电流采样电阻
个人认为，2A的量程，0.039Ω的采样电阻满量程输出只有78mV，
因此放大电路至少应该采用3运放架构的仪表放大器，以便提高精度


DC-DC电路，分为2路，输入为3.6V锂电池提供的电源
一路升压至6.3V供给基准及ADC等电路
另一路升压至18V，作为欧姆电流源的高压电源


LDO稳压电路，负责将DC-DC输出的6.3V降到5V供ADC，模拟开关等使用


欧姆电流源的保护电路


交流测量电路的程控放大器
通过模拟开关ADG409调节不同的放大倍率以测量交流信号
至于交-直流转换，采用凌特的LT1966，一颗简单的T-RMS转换电路
之前，在我的3位半万用表改造中有用到



欧姆电流源的基准电阻
本万用表测量电阻的原理是恒流法测电阻
也就是说对被测电阻通过一个恒定的直流电流，然后测量电阻两端的电压
就可以根据欧姆定律R=U/I计算出电阻阻值
其中，为了提高精度，恒流源的精度就必须保证
在这里，电流源的电压基准和ADC共用的5V电压基准
2倍到10V，通过精密电阻获得1mA-10uA的测量电流
这是基准电阻，均采用精密金属箔电阻，精度0.01%，100KΩ和1MΩ为0.1%精度


做好的模拟板




然后做数字板，这就简单了，没几个元件




通电试机，嗯，没有烟花，短路，冒烟起火



3.3V数字电路供电正常


硬件是机体，软件是灵魂，烧写程序，为运行做准备


电路都组装完毕了，接上模拟板和屏幕，开机！



初步测试，找了几个电阻测一下功能看看是否正常
短路测试



RX70 90KΩ 0.01% 精密线绕电阻



RX71 20KΩ 0.01% 精密线绕电阻，挡位功能正常
这里仅仅测试功能，精度什么的后续再说


电路搭建基本完毕，合二为一


下面开始制作外壳，找现成的，合适的外壳比较困难，于是打算自己制作一个
首先，找到一块铁质电缆线槽盖


对其进行折弯加工，制作外壳框架
工具简陋，一点一点来





试一试，和设计的一样，尺寸正好，哈！


电池没有用原先计划的18650电池，正好有块拆下来的聚合物电池
安装起来尺寸正好，就是容量小了点，只有900mAh
不过这个表平时耗电也不大，用没了充电就是了

上下层线路板，采用铜柱支撑固定



光这么一个铁皮框架是不够的
周边各个小区里转一转，看到有装修改造的地方就跑一跑，找到一些拆下来的废旧木料
收集起来，做个木头盒子吧


木料需要切割打磨
正好所住小区正在进行老旧小区改造，院子里工人在用切割机切管子
借用一下，将木料切成需要的形状，省得自己锯了
这是锯铁的砂轮片，锯木头浓烟滚滚，切口都炭化了
不过炭化了也没事，耐腐蚀嘛，然后借助砂轮片，顺便还把这些材料打磨了


继续干活，木匠的干活，好久没弄过木头了，手生的很
这些木头也不是好材料，里面长疤的长疤，胶合板开裂的，内部孔洞的，哎
锯啊，钻啊，磨啊，钉啊，反正是玩，玩的开心愉快







破木料，到处开裂掉渣，刷漆，作为保护




安装测试插孔，4mm的香蕉插座


懒得买铅字了，接口标识，手绘吧，自己用不嫌丑


进行最后的组装


完成，由于准备做的有机玻璃盖板还没到货，先敞口一段时间吧
现在，除了暂缺一个上盖外，已经可以使用了


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制作完的仪表，尚需要校准操作才能保证其性能可靠
为此，收集仪表测量等相关资料调查学习，提高认识
大大曾经指出：调查研究是谋事之基、成事之道。没有调查，就没有发言权，更没有决策权。
坚持实践观点，经常开展调查研究，对正确认识客观世界，改造客观世界和主观世界以及创造精神、实践经验，具有非常重要的意义。

首先空载试验，什么都不接，端口空置，
因为高位表分辨率很高，因此空载时尾数会有一些跳动
有可能是周围电磁干扰、环境因素，元器件噪声等引起


测一下手指和接线柱接触产生的接触电动势:lol:，这纯属捣乱
如果手湿的话，可以产生100mV左右的接触电动势
请注意这个接线柱，铁螺钉配铜螺母，严格说来对于高位表这是不允许的
因为可能产生热电势影响测试结果，我这只是临时应用一下


短路回零测试，电压档下，将测试端口短路，观察仪表是否归零
在此状态下，如果最末位有1-2字的跳动，算是正常，但是如果有几十字跳动不归零
那么就要检查放大器，ADC等有没有问题了


温度档，仪表支持PT-100、各型热电偶、B值3950的热敏电阻作为传感器
其中，PT-100档支持2-4线测量方式
这是用一个3线的PT-100热电阻传感器进行温度档测试，基本正常
温度测试，因为风吹草动手摸笔触都会对测量结果产生很大影响，因此，精度不要求太高，大致准确即可


各个电阻档进行测试
其中，电阻档支持2线及4线这2种测量方式
请注意：对于测试高精密的电阻，应该采用4线开尔文接法
因为测试线还没完工，暂采用2线法测量，当然，表是2线4线测量都支持的
2线测量高精度电阻，因为受到接触电势，接触电阻等影响，误差较大

一般精密电阻的标定阻值，都是25℃条件下的，测量时最好控制室温在25℃+2℃左右

RX-70 100KΩ 0.01%精密线绕电阻


RX-70 10KΩ 0.01%精密线绕电阻


RX-70 2.696KΩ 0.01%精密线绕电阻


RX-70 250Ω 0.05%精密线绕电阻


EE型 50Ω 0.1%精密金属膜电阻


二极管档测试，支持7V以下稳压管测量
这是4.3V稳压管，标4.3V，测出来4.8V误差挺大
对于这种齐纳管也算正常，本身精度就不高


LED测试，可以点亮LED


4线法测量RJ711型精密金属箔电阻
其中，中间2个接线柱提供测试电流，外侧两个接线柱测量电阻端电压
最大程度避免接触电阻和线路电阻的影响
被测电阻精度0.01% 温漂5ppm/℃


对于高位表来说，长期稳定性和短期稳定性也是一个重要的参数
长期稳定性实在是懒得测试了，简单测试一下短稳吧
还是那个1K的RJ711合金箔精密电阻，4线开尔文接法
从下午1点多到晚上10点（请注意屏幕右下角时间），差不多待了9小时，读数只有1个字变化





至于电压档的校准，一方面得有一个经过标定的基准电压源
或者有一个经过计量检定的更高位仪表，我用的是一个标定过的AD588基准电压源，可以提供5V和10V两档电压
用来校准电压档算是勉强，不过看着仪表基本是准确的，还是等以后有机会找高位表再校准吧
至此，这个6位半万用表，基本制作完成，过几天有机玻璃到货了，再做一个面板盖上

既然是万用表，那么，它都有哪些功能呢？
1、直流电压：200mV、2V、20V、200V共4档
2、交流电压：~200mV、~2V、~20V、~200V共4档
3、交、直流电流：量程2A
4、电阻档：200Ω、2KΩ、20KΩ、200KΩ、2MΩ、20MΩ共6档，支持2线和4线2种测量模式
5、温度档：支持PT100、PT1000、K型、N型、J型、E型热电偶及10K热敏电阻（B=3950）
6、二极管档
7、通断档，可设置蜂鸣器鸣叫的低阻阻值
挡位选择可选自动或手动模式
带有数据储存功能
支持蓝牙，手机或PC上可安装上位机软件进行无线测量
带有室温测量功能
总之，万用表该有的功能基本都有，日常使用完全够用了

现在，项目基本结束了，必须合计成本
首先是MCU，LCD，精密合金箔电阻，这几样加起来￥100大洋左右
其次是LTC2440 LT1966 ISL21009B这三个家伙，都是全新的，加起来￥90大洋左右
至于其他的运放，模拟开关，可以很容易找到拆机货，加起来￥10大洋解决了
PCB、接插件、LDO、阻容元件等，加起来￥20大洋吧
电池、外壳、木料，螺钉铜柱都是旧的，不要钱
下来￥300大洋以内搞定
当然，这个表还预留了升级的空间：
X10放大器的10：1分压电阻目前采用合金箔电阻，可以升级为精密电阻网络LT5400-8，大约￥50-60大洋一颗
100：1分压器可以采用高精度的分压网络电阻TC1776，CADDOCK产的大约￥120大洋，国产1756大约￥30一颗
基准可以采用LTC6655或MAX6350，大约￥30-50大洋
如果想节约成本，所用的分压电阻，基准电阻可以采用0.1%的精密贴片电阻，通过校准也可以保证基本性能，价格要便宜太多

在结尾科普一个高位表的知识：高位≠高精度
首先，很多人认为，高位表，就一定精确，这是完全错误的认识
作为一个仪表，提高分辨率是很容易的事，比如采用特殊算法把ICL7135分辨率提高到5位半
但是，这种提高完全没有意义，因为最后的位数，可能根本没有准确性而言
而仪表的精度，才是最重要的指标，比如常见指针万用表，一般是2.5级的，MF35可以达到1.0级
若想提高精度级，则是非常困难的事情，很有可能对仪表就是大换血，电路结构，元器件性能都要提高
这也就是为什么仪表精度级越高，价格越贵的原因。
同时，作为测量仪表，还要遵循量值的传递性和溯源性，这才是计量结果准确的基础。


最后上传资料（感谢原作者提供）：
这些基本资料完全可以制作出来
电路图：


固件：



说明书：





注：论坛下载附件会自动收取M币，可以从网盘下载资料

这是台式表的
https://pan.baidu.com/s/1zIs8DLQz1qlZEQ9z9XYcpA

提取码：0010-1011-1111-10

同时，38度论坛上最原始的开源的手持6位半以及后续的升级版本也有相关资料，和台式表电路结构差不多很类似，也放在这里了。
https://pan.baidu.com/s/1Nz-hRHCY4vjXKJLmmZOdnQ

提取码：1101-0111-10

板子还有剩余4套，想玩的可以联系我，免费送

全文完，谢谢观赏

junyee

大作啊，火前留楼

ly9577

咋回事，我的电脑卡了？好多图看不见。

hanbaoju

多少钱一台？有意

leohytao

难得技术贴，占位观看:praise::lol:

jbm1

成本多少啊！看看能不能上车试试，顶顶:lol:

myd23

厉害了，楼主真是牛人，精度也很高。
在38 度论坛看过，没想到在这里又一次看到了

suhaiyuan

大制作啊，这些元件以最便宜的价格凑齐，保证买到真货对非专业人员就是一道坎:lol:

our420

还没精？ 这不合情理啊

wawa

辛苦辛苦，其实吧，这么好的东西，用个塑料壳不是很好嘛，还轻便，木壳多沉啊

xzcgl

使用金属壳，电磁干扰会好一些，东西作这么好，木盒有点龙头蛇尾。

randy1975

留名留名，找机会上车:lol:

在路上795

这个必须要火啊

wgm468

谢谢分享，高手，民间人才济济啊

gps42212

这元件如果在力创购买估计成本还要翻倍。。。

忘情居士

可以发下原贴地址吗，我也准备做一个

密码设置错误

不错不错，又有新车开:lol:

zwz0106

有车吗 上车

qiujian

作品精彩，盒子有些不太协调。