带VFD显示屏和功率测量功能的电流电压表

接着聊聊带VFD显示屏的设备，这次我想介绍一款挺有意思的产品：一只精度相当不错的电流电压表，业余电子爱好者应该用得上。


最初我是在淘宝上看到这款电流电压表的，当时售价大约13.5美元，价格还算厚道，不过还得加上代购服务费。唯一让人欣慰的是，当时中国境内包邮，不过这种情况并不常见。
后来我开始在AliExpress上找这款产品，发现价格也没贵多少，大约19～20美元。我本来想先买一块试试，结果发现卖家买两块起就有批发折扣，算下来每块约17美元，两块一共34美元。显然，这和在淘宝买的差价很小，于是我决定在AliExpress下单。
最有意思的是，几天后，淘宝这个商品链接的库存也刚好少了两件:)

可惜现在卖家涨价了，两块板子已经不是34美元，而是50美元。可能是因为换成了另一个版本的电路板，也可能另有原因，我也不清楚。总之，先来看看这东西到底怎么样。


易碎品经过一堆邮政服务转运，对买家和商品来说都是一场煎熬，我当然也担心了一路。结果发现完全是白担心，包装没什么问题。


包装清单
1. 电流电压表
2. 一对接线端子
3. 几个小按钮
4. USB-miniUSB线。


线缆没什么好说的，就是最普通的USB-miniUSB线。其他东西就有点奇怪了：每块板子配了两只接线端子。如果说其中一只显然是用来接电流表的，那另一只接哪儿就成了谜，因为它只能装在电源接口的位置。
两块板子一共给了9个按钮，明明每块板子只需要3个，也就是说多出来3个备用。


电路板尺寸不小，部分原因是显示屏占地方。板子尺寸为100х60х17mm。

参数：
测量电压：30 V
测量电流：5 A
供电电压：5 V
工作电流：最高300 mA



商品页面上的尺寸：


这里甚至还标出了安装孔和按钮的位置尺寸，这张图很有用。


再近距离看看电路板。可以看到，显示屏占了相当大一块面积。


显示屏上方有两颗SMD LED，用来更直观地区分各项信息显示的位置，稍后我会演示。


这是一个九位七段显示屏，和我之前评测过的音量控制器用的是同一款。看来中国这类显示屏很多，所以寄装到哪儿都行。


一开始我以为显示屏是二手的，但仔细检查后发现它只是脏了，很可能是沾了助焊剂。不过这也不能排除它确实是二手货。


显示屏下方有三个控制按钮，采用“中式”布局，也就是加号在左边，减号在右边。
加号/减号按钮用于调节显示屏亮度，从零（显示屏关闭）到最高亮度；Function按钮用于切换显示模式。所有设置都会保存，也就是说下次开机时，亮度和模式会保持关机前的状态。我觉得这样设计是对的。


所有元件都装在电路板背面，整体做工只能给个勉强及格。


显示屏的电源转换器：下方的是灯丝供电，右侧的是阳极升压转换器。
还能看到负责控制显示屏显示内容的驱动器。


从另一侧可以看到微控制器和USB-UART转换器。 是的，还有一个蜂鸣器，通电时会发出短促但响亮的“哔”声。据我理解，它也用于报警。


这就是我一开始提到的内容，也可能是卖家涨价的原因：我的电路板版本是1.3，而商品页面上标的是1.2。关键区别在于，这块板上直接集成了USB-UART转换器和miniUSB接口，可通过它连接电脑传输数据并供电。


ADC部分。这款电流电压表的优点是采用了独立ADC，而不是使用微控制器内置的ADC。卖家标称采用18位ΔΣ ADC，采样率为3.75 SPS（18位）、15 SPS（16位）、60 SPS（14位），同时还标称显示分辨率为5位。
不过朋友们，这焊接做得可真“漂亮”……我都无话可说了，至少找不到什么文明的说法，而且两块板都是这样。问题甚至不在于脏，而在于助焊剂具有吸湿性，可能影响电路参数，尤其是空气湿度变化时。
按理说应该清洗干净再涂上保护漆，但这样做之后，几乎肯定得重新校准。


板上有一些看不懂的JP1-JP4焊盘：一对在ADC附近，另一对在分流器附近。其中一个跳线已经短接，另一个用于连接分流器正端和电压表输入负端。我想，不看电路图的话，很难弄清楚它们到底有什么用。
分流器阻值为17.5 mΩ。


USB接口附近有一个标记为OC的开集电极输出，推测OC是Over Current（过流）的缩写。由于这块板可以设置保护阈值，它很可能是保护输出；不过出于下文提到的一些原因，我暂时还没验证。


两块板虽然相同，但还是有一些细微差别，比如电容类型不同，分流器外观也不一样，尽管阻值相同。


整体做工有些地方实在让人沮丧：焊锡堆得像小山一样，而且从样子看，似乎是用温度不够的烙铁焊的。顺便说一下，电源接口附近还有一组额外的晶体管，推测是用于电源输入端的反接保护。
其中一块板上的接口很脏，像是被重复使用过。


接线方式和普通电流电压表完全一样，问题也就出在这里。分辨率低的小型廉价仪表可能察觉不到这种接法的问题，但这款电压表的分辨率明显更高，于是分流器上的压降就成了问题。也就是说，电压表测量的是分流器前端的电压，而不是后端的电压，因此负载越大，测得的电压就越低。由于这款电压表的分辨率更高，测量误差也会更加明显。
如上所述，分流器阻值为17.5 mΩ，标称电流为5 A，也就是说，在这个电流下，分流器上的压降已经达到87 mV；再算上其他部分的压降，总共差不多有0.1 V，这可不小。按理说，当然可以通过“实时”修正来补偿这部分压降，因为它可以用数学方法计算出来，但没人这么做。
此外，电压表负端的接线点也可能像往常一样带来麻烦，有些测试中我干脆就没接它。


商品页面上那张接线说明图倒是让我心情好了一点 :)


亮度调节可以彻底关闭显示，连灯丝也会熄灭，这可以从耗电电流下降看出来（左图）。总体功耗不算大，最大亮度时不到1 W。


前面我提到过，显示屏上方有两个LED，它们会根据显示模式点亮：红色的在电流显示区上方，蓝色的在电压显示区上方。总共有6种显示模式：
1. 电流表+电压表，显示4位
2. 电流表+电压表，电压表分辨率提高到5位，电流表则降至3位
3. 与第2种类似，但“反过来”
4. 电压表，分辨率为7位
5. 电流表，分辨率为7位。
6. 功率表。


商品页面上也有类似的说明，不过有几处不太准确。 模式切换顺序、背光颜色都不一样，而且在功率计模式下，实际上两个LED都会亮。
总的来说，这种指示方式原理简单、用起来也方便，我挺喜欢的。不过LED亮度有点弱，再加上滤光片，效果恐怕会很糟，得想办法解决。


第一次测试使用的是一个标准电压源，我之前曾经评测过它。
实际测量值列在Fluke 8508A这一栏。


我用最高分辨率模式进行了测试，结果发现最低位始终是0，而它前面的两位跳动幅度很大。
照片展示了读数切换的过程，没有中间值。


正因为如此，我才拍了8张照片，而不是4张，这样才能看清测量结果是什么样的。由于测量量程会自动变化，电压达到10 V后，末尾那个无意义的0就消失了，最后两位开始变化；不过步进仍然约为280 µV，也就是0.28 mV，或者0.00028 V，怎么说都行。

原则上这没问题：假设ADC的整个量程覆盖0到最大30 V，那么18位分辨率对应1/262144，也就是114 µV。换句话说，开发者只是把ADC读到的所有数据都显示在屏幕上，并没有特别考虑哪些位有意义、哪些没有。实际上最多只能算5位有效数字，这也正是规格中标明的。


接下来放一些图片，直观展示一下这些电路板的表现。商品页面上说，电路板是用精密测量仪器校准的。当然，我手头的仪器没那么高级，所以展示效果肯定没那么直观。
先从约1 mV的电压开始，应该没人会测比这更低的电压吧。
我觉得整体表现相当不错。顺便说一下，从5 V电压的照片上可以看出，分辨率是280 µV，也就是说读数大约以这个步进变化。


电流测量从约0.5 mA开始测试，读数从0.22 mA起步，之后基本按0.11 mA递增，也就是0.22、0.33、0.44 mA，以此类推。
为了展示效果，大部分照片都是成对拍摄的，电流保持不变，但可以看到测量的最小步进存在跳动。


这时我想，既然如此，为什么只测一块电路板呢？两块一起测显然更直观，而且还能检查它们之间的校准一致性，多少也算有点统计意义。
我拿了两块电路板，把电压测量输入端并联起来，再用充电宝供电，这样就不用接市电了。
这时出现了一个有意思的问题，如第一、第二张照片所示。最后接通电源的那块板，显示的不是零，而是一串乱七八糟的数。
我只好拿了两个充电宝，把两块板的电源彻底隔离。之后屏幕上的读数也不总是零，但两块板显示的数值相同。比如两块都显示零，接着一块板的最低三位显示280，然后另一块也显示同样的数，或者两块同时显示。实际上就是最后一位在跳动，只不过这里一位相当于280 µV。


由此我可以说，无论是5位精度本身，还是两块板之间的校准一致性，都非常不错，至少不比我的万用表差多少。


可惜电流测量就没这么理想了，其中一块板的读数明显偏高。


不过接下来我遇到了一个真正的惊喜。下单时我还在想，厂家为什么把参数限制得这么死，只有30 V、5 A，明明我希望能再高一点。
测试时我发现：
1.最大可测电压为37.5 V。第二张照片里的电压表已经顶到上限，之后读数就停在这个值不动了，而且每块板的上限还不一样。
2.我把电流升到了8.5 A，它仍然能继续测量。后来我只是心疼分流器，没再往上加，因为它已经明显发热了，耗散功率约为1.2 W，而我拿来测试的恰好是带细分流器的电路板。不过原则上，换个功率更大的分流器就行。顺便说一下，预热造成的读数漂移非常小，这点很让人满意。



一开始我就提到，这块板支持连接电脑，而且卖家很爽快地提供了软件，但事情并没有那么简单。
按设计，软件会在屏幕上显示电压、电流和功率，用起来确实方便。


此外，这里还有一个单独的按钮，可以进入校准模式，输入实际电压或电流值。据我理解，电路板应该会把这个值作为正确值使用。 此外还有一个恢复出厂设置的按钮。


我上面还提到过，这块板可以在超过阈值时发出提示。电流和电压的阈值在软件中设置，而且上限和下限都可以设定。


本来一切都差不多完美了——当然，软件是中文的这一点除外——前提是它能正常工作。
首先，我的杀毒软件会报毒，不过我已经习惯了中文软件的这一套；此外，它只能以管理员身份运行。但我最多只做到让接收数据包的计数开始变化、显示位数发生改变：普通启动时显示0.0000，而且收不到数据；以管理员身份启动后，显示变成00.000，也能接收数据，但除此之外什么都没发生……
我给卖家发了消息，但目前还没收到回复。

进一步测试发现，软件可以毫无问题地设置报警阈值，而且确实有效；但当前电压和电流仍然不会显示在软件界面上。



上面写了不少内容，也放了不少图片，不过要了解这款电流电压表到底怎么样，直接看结论可能更简单，也算是浓缩版吧。

优点——VFD显示屏，我买它有一部分原因就是这个；电压和电流使用独立的ADC；精度不错（电压表的精度和我的“юнит”差不多）；有多种显示模式和额外指示；亮度可调；拍照时没有闪烁（有时这点很重要）；可以连接电脑；可以设置报警阈值。实际测量范围远超标称值，而且高出不少。读数每秒更新约4次。

缺点——测量电流时精度还是“有点拉胯”；软件是中文的，我感觉要费一番功夫才能让它正常工作；做工不算好；分流器上的压降会影响电压表的测量结果。

总结——我现在坐在这里琢磨该把它粘到猫身上用在什么地方。对于电源或电子负载来说，它的测量精度和显示位数似乎有点过高；当作独立测量仪表用又不太方便，功能也不算丰富。我买它纯粹是因为想要，原本打算做一个双通道线性电源。至少有一块样品测量电流时存在明显误差，而且测量小电流时这块板也挺吃力。不过朋友们，电流为1 mA时，分流器上的压降只有17 µV！它居然测出来了！
不明白为什么要在屏幕上显示7位数字，其中一位根本不起作用，另外两位的切换步进又很大。仪表只有在电压达到10 V及以上时才能显示标称的5位精度，在此之前只有4位。

总之就是这么个让人纠结的东西。不过我个人还是觉得这些板子优点多于缺点，也打算找个地方用上，至少它的性能和外观都不错 :)