4位半万用表+LCR电桥+7.2MSPS

视频链接：

所有完工后会录制实际演示视频

项目简介

本项目是基于STM32F407VET6+ADS1220完成的LCR电桥+4位半万用表+7.2MSPS采样示波器（代码部分还未完工）多功能仪表，可用作个人学习，使用。

作者主要优化了LCR电桥部分电容测量（达到了pf级的测量），因为这个用的比较多，理论上电感是同理的，但是作者还没有来得及优化。

项目功能

多参数精密测量功能

电压表+电桥+低采样率示波器
电桥主要功能展示（电容值为标称，因为没有专业的LCR电桥）：
3pf：

5pf：

3pf并联5pf：

33pf：

33uf：

直流电压表（这里只有RIGOL的稳压电源来用作参考）
前面是正负级反接测量负压显示。

测量	实际

LCR电桥部分

主参数测量：
测量频率有：
100Hz，120Hz，1kHz，10kHz，100kHz(目前测量会有一点飘)。

L (电感):目前只测量了2.2mH，4.7mH等mH级电感，作者现在没有其他电感。

C (电容)：测量范围涵盖1pF 级到 200uF 级（需配合低频）。

R (电阻)：测量范围涵盖 5Ω 到 1MΩ。

副参数测量：

ESR (等效串联电阻)：评估电容老化程度及电源纹波承受能力。

D (损耗因数)：评估电容的介质损耗（Loss Tangent）。

Q (品质因数)：评估电感的高频性能及能量损耗。

4位半万用表

实现了200v以内的直流电压测量。

7.2MSPS示波器

不想浪费f407的资源，于是配置了交替采样的7.2MSPSADC，根据奈奎斯特定理，采样了3.6M的正弦波，fft分析后确实有7.2MSPS的采样率，但是由于DMA和DAC的资源冲突，两者不能共用，这个版本中没有焊接和配置代码，因为上一版作者直接使用交流耦合后进行增益和偏置，这一版想增加直流耦合，但是继电器还没有回来，所以就没有开始焊接。

项目参数

4位半的万用表（其实ADC性能远远不止，但是由于噪音和天线效应导致最后几位一直跳，没有参考意义了）。

pf级电容测量：目前测量了3pf，5pf，10pf，33pf，级别的测量，表现非常优秀。

原理解析

此处可填写项目的设计原理，将设计的原理拆分解析，示例：

本项目由以下部分组成，电源部分、主控、电容电感测量部分、ADC调理部分万用表部分。本项目主要是通过ADS1220这颗强大的24-bit的ADC，以及对应的基准源REF3425完成了主要部分的测量。

图1--电源电路：
输入是使用DC端子输入或者xh2.54输入，后期会配备电源板来提供供电。
使用 $\pi$ 型滤波+SPX3819高性能LDO为主控供电，这里对模拟电源和数字电源做了隔离，模拟地和数字地也做了隔离。
使用tps60403电荷泵产生-5V，ADP150-2.5产生+2.5v，TPS72325产生-2.5v。都使用的是LDO芯片来保证噪声较低，避免引起测量噪声。
重点！！！！！！！：在布线时，并非所有电路都可以做作者一样的模数地隔离，因为本项目的通信频率本身不高，所以这里直接做了一刀切，但是会导致地平面缺失，低速通信其实并无影响（毕竟ADS1220的通信只有20SPS），但是如果高速通信可能会引入很大的问题。

图2-直流电压表电路
这里使用的分压电阻其实是不合理的（但是作者比较懒，也不是那么影响就不在意了，最好应该10M欧的抽头，而且尽量使用精密电阻，作者这里直接简单测量后使用了1%精度的，也还行，但是还是有误差），这里使用mos管用作电压钳制，利用opa170来做跟随器，ADG1408用作主要功能的多路选择，主要测量ADC为ti的ADS1220。

图3-LCR电桥部分
这里使用了NE5532对f407的dac输出波形进行低通和高通滤波，滤除一个平滑的正弦波（实际只有10kHz，100kHz比较正弦，因为通带有点宽，作者一开始太贪心了，想要更多的测量频率，而且NE5532并不适合做这个运放，因为它没有什么驱动能力，但是奈何它太便宜了，作者手上还有很多，所以就使用这个了，对大电容的测量比较不友好）
主要测量原理为：

V_{out}=-\frac{Z_{x}}{R_{ref}}V_{src}

其中X为待测元件， $R_{ref}$ 为参考电阻， $V_{src}$ 为f407的dac正弦波输出， $V_{out}$ 为运放的输出，这里必须使用JFET运放，尽可能轨到轨的单运放，反相端接地，这样子可以消除寄生电容，然后根据“虚短，虚断”便可以得到基本计算公式。

然后使用CD4053进行IQ解调，其实本质就是与DAC同频的PWM波（方波）驱动CD4053，就相当于输出波形和需要解调的频率的一个方波相乘了，完成了IQ解调，调整ARR就可以得到相位差为 $90^o$ 的方波，然后经过三阶低通滤波就可以得到直流分量交给ADC采集，然后完成数学运算，具体由Gemini给出的复数运算得到相位差：
根据基尔霍夫电压定律（KVL）与欧姆定律的复数形式，该系统的传递函数
$H(j\omega)$ 定义为：

H(j\omega) = \frac{\dot{V}_{out}}{\dot{V}_{src}} = \frac{Z_x}{R_{ref} + Z_x} \\ \dot{V}_{out} (R_{ref} + Z_x) = \dot{V}_{src} Z_x \\ Z_x = R_{ref} \cdot \frac{\dot{V}_{out}}{\dot{V}_{src} - \dot{V}_{out}} \\ Z_x = R_{ref} \cdot \frac{\dot{V}_{out}}{\Delta \dot{V}} \\ \dot{V}_{out} = a + jb \\ \Delta \dot{V} = c + jd \\ Z_x = R_{ref} \cdot \left[ \frac{(ac + bd)}{c^2 + d^2} + j \frac{(bc - ad)}{c^2 + d^2} \right]

原理并不难，这里代码交给AI运算就好。

软件代码

作者优化完之后会开源接受指导与批评，目前只提供hex烧录代码。

注意事项

R5，R49和R82是磁珠，没有可以选择0欧电阻
左边两个是lcr电桥，右正左负，右边两个是电压表，同理
滤波电容可以自己调整，要求并不严格
滤波器设计有ADI软件完成：https://tools.analog.com/cn/filterwizard/
布板不建议参考，因为低速，所以连上就可以用
作者是在读本科生，设计能力有限，如果有问题，请多谅解与指正，接受各位的批评

组装流程

先装电源测试各个电压，一步一步来->MCU
其他并无先后

序号	文件名称	下载次数
1	电压表+LCR_JLC_V2.epro	26
2	DAC滤波器设计.ms14	29
3	T_AvoMeter.hex	23

工程标签

简介

本项目是基于STM32F407VET6+ADS1220完成的LCR电桥+4位半万用表+7.2MSPS采样示波器（代码部分还未完工）多功能仪表，可用作个人学习，使用。

开源协议

GPL 3.0

描述