DIY高精度数字万用表-2023修改整理

千里之行，始于足下让知识带有温度。第第2页/共2页精品文档推荐DIY高精度数字万用表DIY高精度数字万用表

概述：

数字多用表是常用的测量仪器，目前市场常见的是3.5（三位半）和4.5手持表，用于普通测量，另外高端的则是6.5位以上的台式表，价格较高，用于高精度测量。

随着电子技术的长进，高性能低成本的器件层出不穷，使得制作一部低档的6.5位数字多用表成为了可能，这里介绍这款六位版，就是在性能上、功能上和成本上综合考虑的一种设计实现计划。

设计思想：

选用成品的通用元件：高端DMM采纳以恒温深埋齐纳基准——前端为DualJFET的混合低噪声运算放大器——多斜率积分高速高辨别率ADC为主轴的测量系统，其中每个部分的制作难度都十分高，而且需要昂贵的仪器举行调试、校准，这样的要求在业余条件下是难以满足的，所以这里采纳了相对低成本牢靠通用IC精密带隙基准——单片低噪声斩波稳零放大器——24Bits低噪声ΣΔADC来替代，这样的既可以削减元件选购难度，降低整体成本，最重要的是能得到牢靠的性能保证，就是说可以按照DataSheet上标明的最差指标可以计算出系统的整体性能。

放弃高电压，大电流量程：首先对这些量程举行高精度测量本身难度就十分高，而且对系统的输入挑选、庇护系统提出了很高的要求，元件质量要求高，PCB面积占用大，最重要的是要为用户人身平安负责，为了避开浮现平安问题所以没有设置危急的测量量程。

放弃长久稳定性：要靠数字多用表本身来保证长久稳定性意味着囫囵系统每个部分都要有很高的长久稳定性，基准要用深埋齐纳基准，分压电阻要用精密电阻网络等等，成本会显著提高，相对而言购买或制作标定好的基准（LYMEX有售）要廉价的多，而且在举行对照测量时可以将整体的精度提高到临近外部基准的水平。

放弃沟通测量：因为没有设计沟通测量系统的条件，所以没有做。

采纳手持设备架构：因为现代MCU的集成度十分高，开发工具越来越简便，加之笔者最近在学习STM32，所以就做成手持设备了。

总的讲设计要素的优先关系如下低成本〉小巧〉低功耗〉高性能

声明：

本文涉及的内容涵盖危及生命的电学测量，特殊提示试验者确保人身平安！

彻低出于业余兴趣撰写该文，因为能力有限疏漏乃至错误在所难免，因此不对该文章（包括附带的其他资料）的正确性负责，同时也不对因援引该文或使用附带资料导致的信誉损失、商业利益损失、财产损失、人身伤亡等（包含上述内容，但不见限于上述内容）负任何连带责任。

彻低出于学习目的撰写该文，该项目被视为非商业性的，作为学习模拟技术/STM32的验证平台而被创建，因此没有义务回答非技术问题。

出于互联网之free&open精神，将对项目涉及的硬件，固件，上位机软件，开发相关的心得，技术参考等会（等待完美后）开源，希翼但不要求您在援引该文或使用上述开源资料时提及。

功能和指标：

电源：

3.0V~6V供电可用单节磷酸铁锂（3.2V），单节钴酸锂（3.7V），单节锰酸锂（3.6V），三节碱性电池（

4.5V），三节镍镉或镍氢电池（3.6V），功耗250mW（开启数据保存），2.9V低电压关机（为了庇护锂电避开过放电），软件电源开关，待机电流《5uA.

测量：

1ppm辨别率1ppm噪声5ppm线性度1ppm温度系数。

电流测量100mA，10mA，1mA压降《0.125V，500mA熔断器。

电压测量100mV，1V》10G高阻抗输入，10V，100V9M低阻抗输入（新版批量选购1.1M的电阻就是标准的10M，后文详述）。

电阻测量100R1K10K100K1M采纳恒流方式（对应为1mA，1mA，100uA，10uA，1uA）开路电压5V，支持4线模式。

温度测量采纳PT100传感器，可处理到-200摄氏度~850摄氏度，辨别率0.01度。

除温度测量外都有25%的超量程测量（例如1V可测到1.25V）当开启自动量程转换时延续三个测量读数都超量程时向上换档，延续三个测量读数都欠量程（《0.11）时向下换档。

系统和软件：

支持SD卡数据存储，导入校准数据，从SD卡更新固件（新版功能）。

支持实时时钟，可设置自动关机，以及定时唤醒数据采集模式。

支持自动量程，0位补偿，数字滤波。

带有容易的协助。

具体的测量数据可见lymex的专题文章

/read.php？tid=4594#

一些测试视频

flash：http://player.youku/player.php/sid/XMjEyMDM1MDI0/v.swf

flash：http://player.youku/player.php/sid/XMjEyMDM1NTg0/v.swf

flash：http://player.youku/player.php/sid/XMjEyMDM2MTI0/v.swf

flash：http://player.youku/player.php/sid/XMjEyMDM0Mzg4/v.swf

设计原理：

（更具体的设计基础见DIYDMMReference.doc，这里只是整体大略介绍下）

电源系统：

电池供电，首先经过有Q71构成的反接庇护电路，之后分为两路，一路经HT7130稳压到3.0V供MCU，另一受Q72的控制作为外设的电源，它衔接至两个由LT1372构成的Boost

升压器，分离升至15V（供欧姆电流源和OLED偏压）和5V（供模拟部分）

这里采纳HT7130主要是考虑到其且具有极低的静态功耗，特殊适合为待机的MCU供电。

DCDC变换器采纳LT1372是由于其低成本，且该器件具有NFB功能，可以便利的构成Cuk拓扑结构，组成负电压输出的开关调整器（新版要用到+-15V），虽然因为静态功耗较大，在小电流输出下效率较低，但总体上还是不错的。

MCU系统：

MCU采纳STM32F103R6T6（其实101系列就行，但是市面上没有零售）靠内部的RC振荡器工作在20MHz的频率上（更快没实际意义，且更费电），后备电池使用0.22F的超级电容，（为了兼容性，又做了个100uF钽电容的焊盘）RTC晶振使用MC-3066pF32.768K，注重要接入200K的R66否则简单振坏。

MCU使用5线SWD端口举行Flash烧写和调试。

PA0构成软件电源开关，可以从待机模式唤醒MCU。OLED使用串行模式，4X3矩阵键盘，SD卡采纳SPI模式。其他端口用来控制模拟板。

输入挑选：

先看电压-电阻部分

继电器K1挑选将HI输入端子直接接入模拟开关或者举行分压。

继电器K2挑选将欧姆电流源注入HI或者LOW。

上面的两个继电器都使用磁保持型的，避开长久通电发热导致热电势误差。

HS，LS，以及HI的输入通过R01-R06以及R17-R1AD17-D16组成的庇护电路被限制在+-2.0V，然后加上从9串：11并的1.1M分压阵列99：1分压后的电压一起进入8选一模拟开关。

电流部分先经过500mA熔断器-全桥的庇护电路，经过继电器挑选接入100R10R或1R的分流电阻，其上的压降取出后也被送入模拟开关，U01A构成的尾随器将提升二极管桥中点的电位至电流输入端子电位，从而减小了他们的漏电流。

U01B为测量系统提供中点参考电位（也就是LOW端子的电位）。

这里需要提下的是分压电阻采纳了50ppm的晶圆电阻构成阵列，下面PCB敷铜均温，从实际效果看还是十分不错的。

U01因为要求不高所以采纳了低成本的MCP6002。

模拟开关原方案用MAX328的，但因为货源缘由，用ADG508代替了。

程控放大：

这里采纳了AD8629作为主放大器，该器件为低噪声斩波稳零放大器，U20A按照U27挑选的反馈信号配置成X1或X10放大器，U20B是一个驱动驱动容性负载的缓冲器，用以驱动ADC。

同样的这里的分压电阻采纳了3串：3并构成的9:1分压器，因为要求不高模拟开关采纳了采纳了高速CMOS的74HC4053

RefandADC：

U44是2.5V精密带隙基准，采纳ADR421B他能稳定地驱动1uF的容性负载，最大3ppm/C的温度系数，1.5uVpp0.1~10Hz噪声

U43采纳24Bit低噪声ΣΔADCLTC2440可提供临近21Bits的有效位。

U41为低噪声LDO调整器LP2985，为模拟部分提供5V电源。

欧姆电流源：

U31为低偏置电流精密运放AD706，其中U31A和Q31起到参考电压缩放-转移的作用，将2.5V的基准转换成比标准电阻（RJ31~RJ34）公共端低1V输入到U31B的正，模拟开关用于挑选4个标准电阻（开尔文接法），Q32是PJFET受U31B控制保持标准电阻两端的电压为1V，Q33~Q35与D31组成庇护电路（Q34，Q35实际为高反压PNP管2N6520，Q33为低漏电流N-JFETPN1117A）。

DZ1与R30构成降压电路使得U31B的输出能足够的正使Q32截止。

外观介绍：

最上方的是OLED显示屏，蓝绿色128X32点阵，亮度比较高，在室外强光下也可以看清晰，整体感觉比较像VFD，

下面是3行4列的键盘阵列，在测量模式下他们的意义如下

（在协助模式下显示的提醒，按下对应位置的按键就会有更具体的英文说明）

VLTOHMAMPTMP

UPARNULNEW

LOWDFZROSTR

VLT电压测量。

OHM电阻测量，假如已经是电阻测量模式了再次按下，就是在4线和2线制之间往返切换。

AMP电流测量。

TMP温度测量。

UP切换到更高的量程，同时关闭自动量程切换。

AR切换是否开启自动量程转换。

NUL捕获当前值作为偏置补偿。

NEW备份当前的数据文件，创建新的数据文件作为当前文件。

LOW切换到更低的量程，同时关闭自动量程切换。

DF切换是否开启数字滤波。

ZRO将偏置补偿置零。

STR切换是否开启数据文件保存。

再下面是

PWDPLEDSDLEDRST

PWD电源按钮，待机时按下开机，工作时按下呼出系统菜单（位置对应3行4列的键盘阵列）

Help1M30MTime

Off5M1HCal

Auto10M2HVer

这些符号的意义如下：

Help显示协助菜单

Off关机

Auto切换是否10分钟自动关机

Time设置系统时光

（时光菜单的协助）

（时钟设置菜单）

Cal呼出校准菜单，关于校准内容后面会具体介绍

（校准菜单）

Ver显示固件版本号

1M5M10M30M1H2H进入1分钟到2小时光隔的唤醒采样模式（该模式下按PWD键可以退出唤醒采样模式）

PLED指示电源良好（工作状态）

SDLED指示正在举行SD卡的IO操作

RST为复位键，复位除系统时钟外的全部状态

再下面是SD卡座

再下面是输入端子，水平间距是标准的19.05mm（3/4吋）垂直间距时12.7mm（1/2吋）

上排两个从左到右为LS端子，HS端子

下排三个从左到右为AMP端子，LOW端子HI端子

数据文件存储：

当用户安装了SD卡后即可将采集的数据存储其上，当前的存储文件名位为data.csv（可以用Excel直接打开，因为是纯文本格式notepad也可以直接打开，编辑）。

在按下New键后data.csv就会被命名为data_000.csvdata_001.csv等等，并且创建一个新的data.csv用来保存后续的数据，普通状况下，建议用户完成一组测量后按下先按下Str停止存盘，挑选新的功能或量程，按下New切换文件，并再次按下Str开启数据保存。

校准：

DMM的ADC采样后转化成满量程为+-1.0的值，然后经过y=kx+c;的线性校准作为输出的读数。在DMM内存为每个量程维护了一组kc值构成一个校准表作为当前校