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，用于一般测量，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。

随着电子技术的进步，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方案。

设计思想：

选用成品的通用元件：高端DMM采用以恒温深埋齐纳基准——前端为Dual JFET的混合低噪声运算放大器——多斜率积分高速高分辨率ADC 为主轴的测量系统，其中每个部分的制作难度都非常高，而且需要昂贵的仪器进行调试、校准，这样的要求在业余条件下是难以满足的，所以这里采用了相对低成本可靠通用IC 精密带隙基准——单片低噪声斩波稳零放大器——24Bits低噪声ΣΔ ADC 来替代，这样的既可以减少元件采购难度，降低整体成本，最重要的是能得到可靠的性能保证，就是说可以根据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：首先对这些量程进行高精度测量本身难度就非常高，而且对系统的输入选择、保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安全负责，为了避免出现安全问题所以没有设置危险的测量量程。

放弃长期稳定性：要靠数字多用表本身来保证长期稳定性意味着整个系统每个部分都要有很高的长期稳定性，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）要便宜的多，而且在进行对比测量时可以将整体的精度提高到接近外部基准的水平。

放弃交流测量：由于没有设计交流测量系统的条件，所以没有做。

采用手持设备架构：由于现代MCU的集成度非常高，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，特别提醒实验者确保人身安全！

作者完全出于业余爱好撰写该文，由于能力有限疏漏乃至错误在所难免，因此作者不对该文章（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。

作者完全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，作者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（等待完善后）开源，希望但不要求您在援引该文或使用上述开源资料时提及作者。

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（为了保护锂电避免过放电），软件电源开关，待机电流《5uA.

测量：

1ppm 分辨率 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 ，100V 9M 低阻抗输入（新版批量采购1.1M的电阻就是标准的10M，后文详述）。

电阻测量 100R 1K 10K 100K 1M 采用恒流方式（对应为1mA ，1mA， 100uA，10uA，1uA）开路电压5V，支持4线模式。

温度测量采用PT100传感器，可处理到 -200摄氏度~850摄氏度，分辨率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连续三个测量读数都超量程时向上换档，连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。

带有简单的帮助。

详细的测量数据可见 lymex 的专题文章

/read.php？tid=4594#

一些测试视频

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

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

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

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

设计原理：

（更详细的设计基础见 DIY DMM Reference.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构成的反接保护电路，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，它连接至两个由LT1372构成的Boost

升压器，分别升至15V（供欧姆电流源和OLED偏压）和5V（供模拟部分）

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

DCDC变换器采用LT1372是因为其低成本，且该器件具有NFB功能，可以方便的构成Cuk 拓扑结构，组成负电压输出的开关调节器（新版要用到+-15V），虽然由于静态功耗较大，在小电流输出下效率较低，但总体上还是不错的。

MCU 系统：

MCU 采用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-306 6pF 32.768K，注意要接入200K的R66否则容易振坏。