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ESR.rar
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适合DIY的ESR表 许剑伟，2012-4-3 一、概述 ·量程概述： 总共只有一个量程。 1、R测量范围：0.01至18欧 2、C测量范围：0.15u至1000uF 3、R精度：5%+20毫欧，测了十几个电容或电阻，ESR通通是误差1%+0.01欧以内。长期稳定性没有测试，所以标定为5% 4、C精度：72kHz和3kHz同时测量，得到两个电容值。小电容误差也是1%左右误差。随着容量增加，误差变大。 相对误差表示为3kHz时容量误差可表示为0.05+C/300，72k是电解0.05+C/15，式中C的单位是uF，如果是高Q电容则误差小很多 容量大了误差变大。6kHz电容测量范围3uF至300uF，72kH测量范围0.15uF至20uF。 ·创意设计： 1、采用单片机端口直接进行同步检波 2、采用单片机生成方波和精密的同步信号 3、采用类似LCR数字电桥的方法检波。90移相后同步检波，得到电容量。不过，由于采用二线法，容量达到10uF以上，受导线电感影响较大，容量测量精度下降，这个问题得降频率解决，即采用双频法测大电解C与ESR。 4、采用恒阻激励。为解决恒阻激励的非线性问题，把RC对方波响应展开为级数，取级数前现两项计算Rs与Cs，大大提高了2uF以下高Q的CBB电容的测量精度 5、使用过采样技术，AD转换器同10bit上升到12比特左右，因此，只需一个量程就实现了0.01至20欧的测量，并且下限有余量。 6、带有自动稳零功能，确保零点长时间稳定。运放存在直流零点漂移，单片机端口也有直流漂移。特别是单片机，要驱动升压电路，工作电流大，稳定性受到一些影响，冷态与热态存在2mV级别的漂移。最终反应为开机后，零点会有小量漂移，这对100毫欧以下的ESR的测量很不利。所以，新版程序加入稳零算法。用36kHz频率对72kHz信号同步检波，滤除信号源的影响，而保证单片机状不变，精准测出零点漂移情况，并在软件中修正实现稳零。 ·缺点： 1、没有消除导线电感及被测件内部残余电感对方波的微分响应的影响。 2、还没有设计前端保护电路及电池稳压电路，还不是完整的手持表。建议前端用两个1N4007限幅一下。 ·使用方法 屏上第一行显示ESR，行首显示字符“R”。 屏上第二行显示被测元件的副参数，行首显示字符有6种，分别是C、D、X、Y、Z、Vc、J0。 用K键切换菜单，可在“ESR”、“Vc校准”、“J0校准”这三个菜单之间切换。 开机进入“ESR”菜单，用K键切换副参数，可在C、D、X、Y、Z这5个参数间切换。 C参数是电容的容量，共两个，第1个是72kHz方波测得，第2个是3kHz方波测得 D参数是零点直流，有两个参数，第1个是清零时刻的零点值，第2个是当前时刻零点相对于清零时刻的漂移量。调试ESR表使用。 X参数是72kHz下x轴测值，有两个参数，第1个是清零时刻测值，第2个是当前时刻测量相对值（即扣除清零值和直流漂移）。调试ESR表使用。 Y参数是72kHz下y轴测值，有两个参数，第1个是清零时刻测值，第2个是当前时刻测量相对值（即扣除清零值和直流漂移）。调试ESR表使用。 Z参数是 3kHz下y轴测值，有两个参数，第1个是清零时刻测值，第2个是当前时刻测量相对值（即扣除清零值和直流漂移）。调试ESR表使用。 测量前应进行短路清零。用3厘米长的粗铜线短路，然后按下C键。清零数据会保存到单片机内部的EEPROM中。有可能存在零点漂移，建议每次使用复查短路情况，如果明显不归零则应清零处理。 二、校准 要校两个参数，Vc和J0。Vc参数应是525左右，J0是13左右。校准前，如果J0是40以上的值或-30以下的值，请先把J0置0，然后进行以下校准。 1、用3cm粗铜线进行短路清零，这是第一步，是前提。 2、幅值校准：接入一个15至20欧色环电阻。按Menu键，切换到Vc校准菜单，用“C”和“K”增减Vc值，使得R的显示值与被测电阻尽量接近。 3、相位校准：接入已知ESR的0.47uF/630V CBB电容（ESR一般在20至30毫欧）。按M键，切换到J0校准菜单，用“C”和“K”增减J0值，使得R的显示值与电容ESR尽量接近。 4、按住M键3秒钟，然后松开，将自动保存参数，屏上有提示。 5、再按M键，返回到ESR测量状态 三、检波原理 1、关于方波的RC积分后的同步检波计算 电容上的电压，正负半周是严格对称，负号相反绝对值相同。所以，任意起点半周期内，起点与终点电压是对称的。 即U(0)=U(T)，式中T为半周期时间，得： 同步检波实为对U(t)半周期积分得平均电压V，得 输出电压中含有双曲函数，展开为级数形式： 展开后得到 : 2、90度移相后的同步检波输出 3、方波测量ESR的计算方程 ESR的等效压降为Vr，限流电阻压降为VR，电容压降Vx，零度相敏检波测得电压为V=Vx+Vr，90度相敏检波得到电容压降Vy 那么，由基尔霍夫定电压定律得知 再用电流定律代入得 ，式中r为电容的ESR，R是限流电阻 得 ，其中 ，这就是软件中采用的ESR计算公式 严格的说，由于r的存在，所以Vy也是无法直接测得的，但r相对于限流电阻很小，所以Vy依然可以用测值表示。 4、方波测量电容C的计算方程 由90度检波公式得 四、电感响应方波得到的微分电压对测量的影响 本电路是无法测量电感的。甚至连表笔电感也会影响测量。10cm长的表笔，大约影响10毫欧。 用短路法最容易理解，当我们短路之后，用示波器测量接线柱上的波形，会看到极短的正负脉冲信号，这正是表笔电感对方波信号微分的结果。 微分电压为 相敏检波时，只在半周期内积分，得到平均电压 小电阻r对方波响应的，积分的结果是 对比以上两个表达式，不难发现测r时，表笔电感的存在会造成多测量了L/T的结果。表笔电感约为0.2uH，T=1/(72000*2)秒，所以L/T=29毫欧 表笔形状改变电感量L也会变化，所以影响了开路清零。即开路清零时与正式测量时，表笔电感是不同的，造成低阻误差0.00x毫欧 此外，方波含有谐波分量，频率很高，表笔电阻变大，所以表笔形状变化也可能引起表笔电阻变化。 综合起来看，10cm长度的表笔，形变后，可能对测量引起了15毫欧的影响。 五、问题解答 1、限流电阻真值是多少，是否需要精确标定？ 限流电阻 = 100欧 + 三极管内阻约3欧 + 单片机内阻150欧/三极管放大倍数约1欧 + 电容ESR约0.5欧=100+3+1+0.5=104.5欧 不需要精确标定，因为 ，R误差可以通过调整A得到补偿，当V相对于A很小时这种补偿方法对线性度影响很小。 2、软件中如何处理工频干扰消除 低阻测量中，工频干扰可以忽略。但电路板上轻微受到影响。AD采样时，进行500次采样，耗时约20毫秒，正好可以抵消工频干扰。 3、为什么不能测绕线电阻 绕线电阻的残余电感太大，微分效应过大，严重影响ESR测量。 4、表笔电感的影如何消除 很难完全消除。建议短路清零时，用一段3cm的粗铜线清零，这样，清零与测量时，表笔形状相近。 5、热电势对测量是否有影响 有影响，但不明显。 6、如何选择元件。 电阻用金属膜电阻即可。 小电容，采用独石、CBB、涤纶均可。 4.7mH电感，内阻取20至50欧即可。 测试信号输出端的100uF电容，使用ESR小于0.5欧且漏电小的电解电容。粗铜脚电解的ESR小。漏电必须小一些。表笔短路，在最后一个菜单上检查AD读数，并用C键进行相位切换使得XW=0，读数小于1300字说明电路的零点偏置电压正常(我的表是850左右)。如果偏置过大，有可能是这个100uF电解漏电造成的，也有可能是地线连接不规范。大电流地线，应使用粗线连接到电源端子，请按原理图连接。 LCD1602可以使用5V的。具体接线方案，不同的液晶片子可能有所不同，但不要在负2V电压上吸取过大电流。负压是单片机产生的，负载能力很差，空载是-2.7V，仅接上OP07负载后就降到-2V。 单片机采用3V的STC12LE5A60S2 7、夹具如何制作 尽量短一些即可。 如果是长线，建议把两条线固定在一起，在末端开叉，以减小测量过程中夹具导线的电感量变化，防止精度下降过多。 8、运放有何要求? 单片机零点端口直流是5mV左右，OP07放大52倍后，变为260mV。 如果运放零点失调很大，放大52倍之后有可能超出AD的量限。比如，运放失调-10mV，加上端口本身的直流电压，得到-5mV偏置，放大后变为-260mV，而STC内部AD是无法转换负电压的。仪表无法工作。 |
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