1 - 基于AD4011的低功耗设备测试工具

沉默随风 · 2019-12-27 16:20 上传

一、概述
本设计使用ADI 18bitADC AD4011为核心器件，结合PC端上位机程序，实现可编程输出电压，图形化统计测试低功耗设备的电量消耗情况等功能。旨在提供便捷的，低成本的低功耗设备测试和评估方案。

主要技术参数：
电源输入：9-15V DC
输出：1.5~9V 数字可调 1000mA MAX
ADC精度：18bit
最小测量精度：1uA
采样速度：250KS/S MAX
二、硬件架构图

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主要分为这几个模块吧。

三、硬件模块

1.可编程电压控制器

由于考虑系统对电源精度要求并不算高，而且本设计的侧重点也不是数字电源的实现与控制，于是借鉴并尝试了一种半数字控制的模型，原理图如下：

分析起来其实很简单：
首先是基础的DC-DC转换器，可以选的芯片有很多，用法都一样，反馈端不是直接连接到DC-DC芯片上，而是将反馈电压与PWM滤波后的电压做差分处理，再接到DC-DC反馈端，同时输出电压受到MCU监控，这样既保证了反馈速度，又达到了数控的目的。
PWM信号接入二阶低通滤波器，输出得到模拟直流电压，信号大小可根据PWM动态调整。

有源二阶滤波器：

关于二阶有源滤波器这里就不做介绍了，简单的理解为这个电路将PWM作为DAC的转换。

DC-DC芯片的原理一般是根据采样反馈电压与内部基准源相比较，动态调节输出使反馈电压稳定等于基准电压，内部基准一般有0.6V和0.8V两种,取决于具体的DC-DC芯片。
本设计选用同步降压DC-DC转换器SY8120，最大输出2A，物美价廉。

再来看一下差分放大器的原理，忘记了有必要拿起模电书看一看了。

根据理论来推导一下输出公式，如原理图中，DC-DC采样电阻，设高边采样电阻为Rh,低边采样电阻为Rl,差分放大器反馈电阻R2=R1=R3=1K,R4不接为无穷大，Vpwm为PWM滤波后输出电压，可推导输出公式：
反馈点电压：

DC-DC转换器需要将反馈脚的电压稳定在0.6V，Vop表示差分放大器输出电压，即：

这里代入参数，R4不接即取无穷大，简化为

代入Vf，得：

这个公式就非常简洁了，输出电压与PWM滤波电压是正比关系，本设计中RH取值120K,RL取值47K，算得最小输出电压1.065V,也就是说电路最少必须从1V左右开始调整。

调试一下二阶滤波器：

滤波器噪声：看得出来PWM二阶滤波器噪声还是有点大的，这里用的是廉价的LM358,换好一点的运放可能会好一点，另外如果MCU支持DAC的话，直接使用DAC产生模拟信号应该会好很多的。

看一下测试波形：
输出5V 空载时的波形：
直流：

交流：

5V @200mA波形：
直流：

交流：

0V到5V的开启和关闭曲线，这部分是通过PID算法调整的，可以根际情况来调整到合适的曲线。

上位机测试（红色：电压，原谅色：电流）：

可以看出，简单设计下的效果还是有体现的，纹波达到了168mV，一些要求较高的场合可能不适用，当然，示波器在测量小信号下的误差是比较大的，另一点是PWM滤波器的噪声本身就很大，如果用DAC来做效果肯定会更好。总之不可否认该设计的可行性，而且设计中没有使用较大的电解电容滤波，还是有很高的优化空间，毕竟低成本数字调压，几乎适合所有的微控制器+DC-DC转换器，输出电流和开关频率完全取决于DC-DC转换器，可以说灵活度很大。

2. 输出电流采样
本设计的目的低成本的实现对低功耗设备的功耗测量和统计，主要针对一些物联网设备或移动设备，这些设备一般都有多种工作模式，最常见的是工作状态和待机状态，这两种状态下的电流差别巨大，通产在10000倍以上，所以用固定的采样电阻可能难以实现，所以借鉴万用表的切换量程的方法，也就是在不同级别的电流下换用不同的采样电阻来对量程做切换。
本设计分别使用100Ω和0.1Ω的精密电阻来做uA级和mA级电流的采样，用MOSFET来做无缝切换，避免切换量程的时候设备重启，电路图如下：

因为使用的是N沟道的MOSFET,所以两颗采样电阻放在了低边。
这样的话本来要配置两颗ADC来做不同量程的信号采集，但考虑到成本问题，而且本次使用的ADI的18bit ADC，ADI的器件，大家懂的，好用但很贵，本着节省的精神，这里只用一颗，型号是AD4011,具体参数大家可以到官网上看：https://www.analog.com/cn/products/ad4011.html

这个芯片的操作非常简单，还有中文版的Datasheet,虽然官方没有提供C code,但根据Datasheet实现驱动代码很简单，调试过程中也很顺利，重点是这颗芯片使用时不需要进行复杂的配置，整个芯片内就只有一个寄存器，而且基本不用配置，直接做好IO时序读取转换结果就行了。
电路图：

时序图：

根据这个时序图直接读转换结果就OK了。
另外提及一下，想要仿制或使用AD4011的同学注意了，这颗芯片可能由于出货不多还是其他原因，某宝上的卖家并不多，而且价格贵的吓人，Mouser上大概150RMB左右/颗，某宝上单颗价格更是在200RMB以上，很多同学望而却步，这里有个建议提供给大家，AD4011和AD7691无论在管脚和操作时序上都是一样的，最大差别可能是速度上的差别，AD4011是500KS/s，AD7691是250KS/s，如果说短时间内拿不到AD4011或者考虑样品成本的情况下，可以先用AD7691试试，毕竟某宝现货10块钱-20块应该可以搞定。

采样选择器则使用一个信号继电器做信号的切换，有考虑过模拟开关芯片之类的，成本更低，但是不知道对AD采样有没有影响，所以还是麻烦一点，使用微型的信号继电器，尺寸应该是10mmx6mmx5mm左右。

ADC前端使用一颗精密运放做了一级放大处理，提醒大家在使用精密ADC器件是最好搭配模拟前端一起使用，一个是起到保护ADC的作用，避免器件因电压过高而损坏，另外一点是可以将信号放大的同时减少很多干扰。
电路图如下：

运放同样是来自ADI的精密放大器AD8605，https://www.analog.com/cn/products/ad8605.html#product-overview
这里对采样信号做了一次11倍的放大处理。

3.采样测试

找了个电机做负载试试，运放输出端好像干扰很大，可能是接的感性负载原因，按照计算公式来说电流到电压应该是接近1：1的关系，万用表测得平均电流41.1mA，实际放大器输出47.8mV，当然，采样电阻和放大器参考电阻都有误差，不可能与计算结果完全一致。

软件校正后的输出精度其实还可以。

看一下uA档的测量情况，找了一个设备在休眠模式下测试：

可以看出来uA级的精度还是可以的。

4.温度传感器
温度传感器在本设计中其实没什么作用，相当于白给，主要作用是监视PCB板温度，避免器件过热。
用料是大赛提供的TMP1075，来自Ti。
官方描述：TMP1075 是最流行的数字温度传感器的直接替代产品，且具有多项增强功能。TMP1075 可通过 12 位分辨率（0.0625°C 的温度分辨率）在 ?25°C 至 +85°C 范围内提供高达 ±0.5°C 的典型精度，在 ?55°C 至 +125°C 范围内提供高达 ±1°C 的典型精度。
IIC通信接口，调试起来也是比较简单的，一个16位的TEMP寄存器存放转换结果，一个配置寄存器，用来配置转换速度和警报触发条件，两个温度上下限寄存器，一个只读的器件ID寄存器。
一般应用默认就OK，读取的时候先发送器件IIC地址、在是寄存器地址、最后连续读取两个字节数据就OK了。

读取到的数据处理

读到两字节数据，格式是First MSB，即最高有效位在前，整数部分就是正常的转换，0X20就是32，小数部分是这样的，将1个温度单位分成256份，用16进制表示，0XC0表示0XC0/(0xFF+1)，得到小数部分。
具体的驱动程式在文章最后的工程代码中。

5.通信

采样结果要通过PC上位机软件显示出来，这里使用最常用的UART串口通信，由于是电源类的设备，非常有必要做对通信端口的电气隔离保护，为了可靠和便于实现，本设计使用USB转UART + 光电耦合器件来完成和PC端的通信。
奉上原理图：

USB转串口芯片使用的比赛提供的器件，来自MicroChip公司的MCP2221,芯片是支持USB转UART和IIC的，这里只使用UART的，外围基本上没什么东西，也不需要为它配置晶体。

我这里使用的是一般的开关光耦，可以支撑9600及以下的UART通信波特率，需要更高波特率的朋友需要用高速光耦了。9600波特率表示9600HZ的数据调制速度，UART再无校验的情况下的帧组成由1bit起始位+8bit数据位+1bit停止位构成，也就是10bit表示1Byte，传输速度=9600/10=960B/s;也就是理论速度0.96KB/s。
相比USB这些常用数据传输方式来看确实是不够看，但在对本设计来说已经足够用了。

6.微控制器

主控本来按计划会使用MicroChip的PIC18F系列的单片机，后面实在不想去购买配套的烧录器，Microchip就是这里不好，调试工具太不亲民了。

所以最后还是用回STM32了，F103系列，没用到什么很高级的功能，PWM和UART。

7.PCBAPCB就不多介绍了，参考了Arduino MEGA2560板子的外形设计，文章最后有完整的设计文档。主要看一下效果图：

2D显示

3D显示

实物手焊板
PCB是改过两次的，主要是方案的改动导致的，第一次打样的镀金板，因为方案问题，被废了，心痛啊，还好嘉利创的打样费还算可以，后面的镀锡板很便宜。

7.上位机软件
上位机软件其实是本设计的重点，也是花费精力最多的地方，其实主要是刚接触Qt，版本5.13，现学现用了，参考了许多资料，相信这种界面对于大神来说也不过弹指之间就能搞定了。
简单介绍一下：
用到的串口类：QSerialPort
二维绘图库：qcustomplot
功能就是实时电流、电压曲线绘制，有点像简版的示波器，可是速度可远不及示波器，因为主要功能还是统计功耗，目前显示频率是5次/S,应该够用了，显示效果尚可。

目前功能如下：

可设置输出电压，最低1.5V,最高9V，步进0.01V，关闭输出，输出电压为0
实时电压曲线显示：范围 0~10V
实时电流曲线显示：范围 0.001mA~1000mA（两档自动切换）
实时温度显示，范围-55~125℃，最高精度0.0625℃，12bit
功耗统计（mAh、mWh），电流最大值、电流最小值、电流平均值

后期将继续优化和改进，准备加入曲线缩放、截图、数据导出和保存等功能，基本上参考示波器的功能来做了，哈哈。

三、视频演示

视频剪得稀碎，大家凑合看看吧，哈哈。

四、项目资料

Power-x上位机软件.7z (16.26 MB, 下载次数: 5)

PowerX_firmwaveV1.0(固件源码).zip (11.4 MB, 下载次数: 8)

BOM.zip (14.59 KB, 下载次数: 4)

PCB.zip (4.66 MB, 下载次数: 13)

原理图.zip (748.99 KB, 下载次数: 5)

1_低功耗设备评估工具_说明文档.doc (5.52 MB, 下载次数: 4)

五、结束语
首先感谢Mouser对这次活动的大力支持，提供了许多价格不菲的元器件，为我们提供了宝贵的学习资源和交流平台，文中内容均为原创，文中许多地方仅为本人个人观点，如果有写错或者其他有误的地方强烈地欢迎各位指点和交流，这样才有助于我们提高，提前感谢各位!
看一下主要用到的设计软件：Altium Designer 20、MDK5、STM32CubeMX、Qt5等，当然界面设计需要的图标等素材还会用到PS等工具，强烈建议配备双显示屏。

1 - 基于AD4011的低功耗设备测试工具

沉默随风 LV2

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