Tester USB, czyli podejście numer dwa

Niedawno opublikowałem recenzję testera USB z pewną „osobliwością”. Zarówno pod recenzją, jak i pod filmem rozgorzała dość ożywiona dyskusja, więc dziś spróbuję wyjaśnić, o co właściwie chodziło.
Krótko mówiąc: skandale, intrygi, śledztwa.


Tak naprawdę dziś zrecenzuję od razu dwa testery, a odpowiedź na pytanie o „chińską matematykę” znajdzie się na samym końcu recenzji. Ci, którzy chcą od razu poznać wynik, mogą śmiało przewinąć na sam koniec.

Zamówiłem kilka testerów USB. No, kilka — zestaw 10 sztuk, cena była w porządku, więc zamówiłem. Kiedy przesyłka dotarła, pomyślałem, że może napiszę recenzję.
Oczywiście wiele osób powie, że wszystkie te „testery” recenzowano już milion razy, i oczywiście będą mieć rację. Ale jakoś nie pamiętam ani jednej recenzji, w której oprócz sprawdzenia podstawowych parametrów weryfikowano by też poprawność zliczania pojemności przepływającej przez urządzenie. Nic dziwnego — komu przyszłoby do głowy, że przy prawidłowym pomiarze prądu i napięcia urządzenie może źle liczyć? Przecież to matematyka z podstawówki.
Tak czy inaczej, powstała kolejna krótka recenzja, w której pokażę dwa znane już testery USB, ale sprawdzę je dokładniej.


Zamówiony towar dotarł dość szybko, starannie zapakowany w kartonowe pudełko.


Zgodnie z zamówieniem zestaw zawiera 10 sztuk. Jedenasty tester i pudełko zapałek pokazuję „dla towarzystwa”.


Deklarowane parametry. Co ciekawe, nigdzie nie podano deklarowanego błędu pomiaru. Dlatego formalnie, nawet gdyby pojawił się problem, trudno byłoby złożyć reklamację u sprzedawcy. W gruncie rzeczy to słuszne, bo nazwanie tego urządzenia przyrządem pomiarowym byłoby sporym nadużyciem.


Z zewnątrz jest identyczny jak poprzedni tester, różni się tylko kolorem obudowy. Choć tak naprawdę nawet to nie jest aż taką różnicą, bo sprzedawca oferuje te testery w dwóch wersjach kolorystycznych: ciemnej i jasnej.


Rozbiera się go równie niewygodnie: plastik jest dość kruchy, a zatrzaski mocno trzymają. Tutaj widać jednak co najmniej jeszcze jedną różnicę — wyświetlacz jest OLED, a nie LCD.


Widać, że wyświetlacz jest nieco większy, a płytka ma niebieski, a nie czarny kolor.


Znacznie większe zmiany widać jednak po drugiej stronie płytki. Przede wszystkim jakość montażu jest wyraźnie lepsza, nie ma też śladów topnika na płytce.


Ponieważ zastosowany tutaj wyświetlacz OLED nie wymaga osobnego kontrolera, płytka wygląda na bardziej pustą.


Oznaczenie kontrolera zostało starte, choć moim zdaniem możliwości nie ma tu zbyt wiele — najpewniej jakiś STM.
Urządzenie jest zasilane przez stabilizator liniowy, tak samo jak poprzednia wersja.


Przy złączu wyjściowym znajduje się jednak znacznie ważniejsza różnica. Po pierwsze, bocznik ma rezystancję 25 mΩ, a nie 50 mΩ, więc spadek napięcia na nim jest dwa razy mniejszy i przy prądzie 2 A wynosi 0,05 V zamiast 0,1 V.
Ponadto zastosowano tu wzmacniacz operacyjny wzmacniający napięcie z bocznika, co jest znacznie lepszym rozwiązaniem niż podawanie sygnału bezpośrednio na mikrokontroler.
Chodzi o to, że mikrokontrolerowi trudno mierzyć tak małe napięcia, co zwykle obniża dokładność, szczególnie w okolicy zera.


Większą część płytki zajmuje pole masy, ale ścieżka zasilania również jest dość szeroka. W specyfikacji deklarowany jest prąd do 5 A. Moim zdaniem to bardzo optymistyczne założenie, zwłaszcza że nie widzę większego sensu w prądach powyżej 3 A — problemy zaczną się już od przegrzewania złącza USB, a nie od strat na ścieżkach.
Mimo wszystko duże pola miedzi i szeroka ścieżka zasilania wpływają na parametry wyłącznie pozytywnie.


Jak pisałem wyżej, zastosowano wyświetlacz OLED. To zaleta, bo na jednym ekranie można zmieścić więcej informacji niż na tanim wyświetlaczu LCD. Jest jednak i wada: jasność jest wyraźnie niższa. Przy podłączaniu pojawia się efekt stopniowego włączania, trwający około 0,5 sekundy — ekran jakby „rozświetla się”.
Duży wpływ ma też ciemny plastik. Bez niego ekran świeci jaśniej, choć różnica nie jest ogromna — na zdjęciu widać ją lepiej niż w rzeczywistości.


Przy połączeniu szeregowym (bez obciążenia) część testerów wskazywała mniej więcej tę samą wartość, ale niektóre „wyłamały się ze stada”. Na przykład jeden pokazał 5.09, podczas gdy kolejne testery wskazywały 5.12.
Od razu zaznaczę, że choć wyświetlacz ma rozdzielczość do 0.01 V, w praktyce wskazania zmieniają się skokowo co 0.03–0.04 V, co widać na zdjęciu.


Porównanie dokładności pomiaru napięcia. Interesowała mnie wartość względna, więc nie mierzyłem napięcia zasilacza — wystarczyło mi, że jest stabilne.
Widać, że rozrzut wynosi około 0.07 V, a wyniki rozkładają się mniej więcej równomiernie.


Trafił się jednak jeden dość dziwny egzemplarz, który „sam z siebie” wskazuje prąd. Nawet bez obciążenia pokazuje 0.01 A i odpowiednio zlicza zarówno mWh, jak i mAh.
Przy okazji ustaliłem, że ten model nie ma „dolnego progu”, a dokładniej wynosi on 0.01 A, a nie 0.2 A jak w poprzednim modelu, który recenzowałem. Czy to dobrze, czy źle — trudno powiedzieć, zależy od sytuacji. Moim zdaniem lepiej, gdy pomiar zaczyna się niemal od zera.


Pełny test wykazał, że większość „testerów” nieco zaniża napięcie. Poniżej na zdjęciu widać dziewiąty „obiekt testów”.


Pobór prądu własnego prawie nie zależy od napięcia wejściowego i wynosi około 7.5 mA. Prąd ten nie jest uwzględniany podczas pomiaru, więc nie wpływa na wynik.


Test przy prądzie 1 i 2 A. Poniżej pokazuję zdjęcia parami; kolejność „obiektów testów” jest taka sama jak wyżej.
Ogólnie większość nie przekracza błędu o jedną jednostkę na ostatniej cyfrze, co jest bardzo dobrym wynikiem. Są jednak egzemplarze o mniejszej dokładności. Najgorzej wypada egzemplarz numer 5 — błąd sięga 5% przy prądzie 1 A.


Pomiar prądu w zakresie od 100 mA do 3 A. Do 1 A włącznie pomiary wykonywano co 100 mA (100, 200, 200), powyżej — co 200 mA (1.2, 1.4).
Egzemplarz numer pięć, najgorszy z całej grupy. Widać, że w całym zakresie wskazuje wartość o 30–50 mA niższą od rzeczywistej.


To samo, ale tester numer dziewięć — jeden z najdokładniejszych w tej partii. Różnica względem rzeczywistego prądu wynosiła 10–20 mA i była równomierna w całym zakresie: przy mniejszych prądach tester zaniżał wskazania, a przy większych je zawyżał. Warto zwrócić uwagę na prawidłowy pomiar prądu 100 mA.
Większość testerów z tej partii osiąga podobne wyniki.


No i oczywiście test poprawności pomiaru pojemności, a przy okazji sprawdzenie, czy parametry zmieniają się w miarę nagrzewania.
Prąd obciążenia wynosił 2 A, czas — 1 godzinę, więc tester powinien wskazać 2000 mAh. Ponieważ jednak zliczanie odbywa się na podstawie wbudowanego miernika, sprawdzamy też „matematykę” testerów, porównując ją ze zmierzonymi wartościami.

Tester numer pięć, najgorszy.
Wynik jest zbliżony do rzeczywistego, ale ponieważ tester nieco zaniża wskazania, powinien pokazać 1970 mAh, a pokazał 1903 mAh. W zasadzie można to zaakceptować.
Co ciekawe, pojemność w mWh również jest zaniżona: zamiast 9593 tester pokazał 9266. Wbudowany timer nieco „spóźnia się”, ale nie na tyle, by tłumaczyło to taki wynik.


Tester numer dziewięć, jeden z najdokładniejszych.
Podczas testu wskazania „skakały” w okolicach 2.01–2.02 A. Najprościej przyjąć, że prąd wynosił 2.15 A, a napięcie 4.87 V.
Widać też niewielkie zaniżenie pomiaru mAh: zamiast 2015 otrzymaliśmy 1956. Z pojemnością w mWh jest podobnie.
Co ciekawe, timer tego egzemplarza nieco „spieszy się” — o 11 sekund na godzinę.


I jeszcze, dla samego eksperymentu, test dziewiątego egzemplarza przy prądzie 1 A. Wynik jest zaniżony o 3% względem obliczonego: zamiast 1000 tester wskazał 970 mAh. Taki sam błąd występuje przy pomiarze mWh.


Na wszelki wypadek, żeby nie było nieporozumień: wszystkie testy przeprowadzono w tych samych warunkach i przy użyciu tych samych urządzeń co poprzednio. Powtarzalność eksperymentu wynosi 99%.


A teraz „skandale, intrygi, śledztwa”, które obiecałem na samym początku.

Kiedy wszystkie materiały do recenzji były już gotowe, dostałem jeszcze kilka testerów innego modelu. Właśnie wokół tego typu testera toczyły się burzliwe dyskusje i po prostu nie mogłem przejść obok nich obojętnie, dlatego nieco odłożyłem publikację recenzji i postanowiłem przetestować również ten model.
Pisano mi, że winny jest „niewłaściwy” zasilacz, nieprawidłowy test z użyciem obciążenia elektronicznego, duży błąd pomiaru itd. Ale recenzja nosiła tytuł „Tester USB, czyli niuanse chińskiej matematyki”, więc właśnie tę matematykę sprawdzimy, a przy okazji dowiemy się, „kto jest winny”.

Testery kupiłem u innego sprzedawcy, link do produktu, cena wyniosła 2,80 USD bez kosztów wysyłki, ale ponieważ zamówiłem więcej niż jedną sztukę, zapłaciłem tylko trochę więcej.


Rozebranie testera wykazało, że stary i nowy model różnią się tylko wartością rezystora pomiarowego: w nowym ma on 25 mΩ, a w starym 50 mΩ. Wszystkie pozostałe elementy są identyczne.


Różnicę można zresztą zauważyć nawet bez rozbierania obudowy.


Na początek podstawowe testy.
Dokładność pomiaru napięcia jest oczywiście gorsza niż w pokazanym wcześniej wariancie, ale niewiele.


Za to pobór prądu jest mniejszy: 5–6 mA zamiast 7,5 mA.


Wyniki pomiaru prądu są już wyraźnie gorsze. Jak zwykle sprawdzałem przy dwóch wartościach prądu: 1 i 2 A, ale na zdjęciu widać, że wskazania wyraźnie odbiegają od rzeczywistych.


Test w całym zakresie, od 100 mA do 3 A. Procedura jest taka sama: do 1 A co 100 mA, powyżej co 200 mA.
Ponieważ w tym modelu napięcie na rezystorze pomiarowym jest mierzone bezpośrednio przez mikrokontroler, przy małych prądach widać duży błąd pomiaru. Na przykład prąd 100 mA w ogóle nie jest wyświetlany, a zamiast 200 mA tester pokazuje zaledwie 60 mA.

Pisałem wyżej, że przy bezpośrednim podłączeniu mikrokontrolerowi trudno mierzyć małe napięcia z rezystora pomiarowego. No i właśnie taki jest tego rezultat.


Najbardziej interesowała mnie jednak dokładność zliczania pojemności. W gruncie rzeczy nie chodziło mi o samą dokładność, lecz o to, czy będzie różnica w porównaniu z poprzednim egzemplarzem.
I jest — całkiem jednoznaczna. Ale najpierw o tym, co gorsze: wskazania prądu rosły w miarę nagrzewania się urządzenia, i to wyraźnie bardziej niż w modelu z poprzedniej recenzji. Na przykład ten egzemplarz początkowo wskazywał 1,99 A, ale po 20 minutach było to już 2,13 A.
Za to wynik pomiaru pojemności jest całkowicie prawidłowy. Z obliczeń powinno wyjść około 2130 mAh, a tester pokazał 2109 mAh, co dobrze zgadza się z obliczeniami, bo przed nagrzaniem zmierzony prąd był jednak nieco mniejszy.


Dobrze, weźmy jeszcze jeden egzemplarz. Początkowo jego amperomierz mocno zaniżał wskazania, ale po nagrzaniu zaczęły one zawyżać.
Wynik powinien wynieść 2090–2100 mAh, a tester pokazał 2067 mAh. Trzeba przy tym pamiętać, że na zimno pomiar prądu również był zaniżony.


Wróćmy teraz prawie pół roku wstecz, do testu takiego samego testera.
Prąd zmierzony przez „tester” wynosił około 2,10–2,14 A, więc powinien naliczyć maksymalnie 2140 mAh, a w rzeczywistości raczej około 2100 mAh. Tymczasem wynik wyniósł prawie 2500 mAh.
Właśnie to próbowałem przekazać czytelnikom i widzom, ale niestety nie wszyscy zrozumieli :(

Jaka jest przyczyna?
Przyczyna jest banalna: błąd w oprogramowaniu. Oczywiście zapytacie, co ma do tego oprogramowanie, skoro wyraźnie widzieliśmy na płytce inny rezystor pomiarowy.
Chodzi o to, że przy bezpośrednim podłączeniu rezystora pomiarowego, bez dzielników ani wzmacniaczy, jego wartość można zmienić tylko razem ze zmianą programu, w którym uwzględniono inną rezystancję rezystora, a co za tym idzie — inne napięcie na nim.
Wygląda jednak na to, że zmieniono nie tylko to, ale zastosowano też inny algorytm zliczania mAh.
Mogę więc z 99-procentową pewnością powiedzieć, że jeśli macie rezystor pomiarowy z oznaczeniem R025, pomiar prądu będzie gorszy, ale tester będzie prawidłowo zliczał pojemność. Jeśli zaś widnieje na nim oznaczenie R050, będzie dokładnie odwrotnie: pomiar prądu będzie nieco dokładniejszy, ale zliczanie pojemności całkowicie zawiedzie.
Podejrzewam, że jeden producent ukradł drugiemu kod źródłowy, ale zmienił wartość rezystora pomiarowego. Fragment kodu odpowiedzialny za pomiar prądu został poprawiony, ale gdzieś pojawił się błąd w zliczaniu pojemności. W efekcie „mamy, co mamy”.


Film, w którym opowiadam o testerze z poprzedniej recenzji.


To już wszystko z mojej strony, czas na krótkie podsumowanie.

Jeśli wybierać spośród dwóch modeli pokazanych w recenzji, bardziej spodobał mi się pierwszy. Ma lepiej zaprojektowany układ, wskazania nie zmieniają się wraz z temperaturą, a dokładność pomiaru małych prądów jest lepsza. Mimo wszystko zdarzają się jednak przypadkowe niespodzianki — można na przykład trafić na egzemplarz, który przy zerowym prądzie coś wyświetla. Test wykazał również, że wynik pomiaru pojemności jest zaniżony o około 3% — zarówno w mAh, jak i w mWh.

Drugi tester mierzy pojemność prawidłowo, ale przez kiepską konstrukcję układu zamiast pomiaru prądu można uzyskać cokolwiek, tylko nie rzeczywistą wartość. Nie da się tego skalibrować, bo ten błąd jest niejako „wpisany w geny”.

A ja, tak na własny użytek, nie tylko wyjaśniłem problem nieprawidłowego pomiaru pojemności przez poprzedni tester, ale też znalazłem różnicę między modelami, która pozwala rozpoznać tester z poprawną matematyką i ten z „chińską”.

To już wszystko. Mam nadzieję, że recenzja była przydatna i pomoże odpowiedzieć na niektóre pytania, które pojawiły się w komentarzach do poprzedniej recenzji.