Любительский универсальный калибратор

[serg-el]

Это который в "усилителе #1"?
На схеме его нет.
Ориентируюсь на то что вижу.

[Mickle]

На принципиальной схеме "платы DCV/DCI" только то, что находится на плате Внешние узлы показаны на блок-схеме в начале темы. Они тривиальны и описывать их здесь нет смысла.

[Mickle]

Откорректировал схему платы сопротивлений по рекомендации serg-el. 100 МОм теперь коммутируется отдельно от всех остальных.



Хотел сделать плату более-менее универсальной, под варианты установки резисторов в разных корпусах (С5-61, С5-60, МРХ, Caddock, Vishay и др.), но на деле это похоже на утопию. Либо вновь придётся изощряться при компоновке, либо ограничиться имеющимися типами резисторов
В целом же получается калибратор не очень-то любительским (по ресурсоемкости). Думаю пока придётся остановить коня на скаку.

[3g57]

Mickle писал(а):

Откорректировал схему платы сопротивлений по рекомендации serg-el. 100 МОм теперь коммутируется отдельно от всех остальных.

Миша.Здравствуй.
Я так понял плата уже в процессе изготовления.
Вопрос: Как её коснутся изменения?

[Mickle]

Платы напряжений/токов прибудут на след. неделе. Платы резисторов не заказывал, т.к. ещё не закончил (вернее, не начал) трассировку. Резистор 100 МОм очень крупный и тяжёлый, с нестандартными плоскими выводами. Хотя изолировать нужно всего один вывод, делать это клевером на фторопласте неудобно и ненадёжно. Так что изолятор буду делать по своей отработанной технологии: вырезать из двустороннего фольгированного фторопласта в виде пластинки 5x10 мм и напаивать на площадку на плате.

[Mickle]

Осталось детали запаять и протестировать. Но как всегда, каких-то мелочей, да не хватает

[serg-el]

Mickle писал(а):

По поводу самокалибровки/поверки у ИКН/ИТУН, про которые мне Сергей уже второй раз напоминает, я честно скажу - не осилил

А я и в третий раз напомню
И даже схемку с описанием приложу.

AN177
Классика.
20....22 страница.
И другие полезности там же.

Вложения

an177.pdf

(1.39 MiB) Скачиваний: 871

[Mickle]

Собрал и протестировал оставшиеся модули опционального ИОН. Оказалось, что аналогов LT1013 в SO8 с нормальной цоколёвкой (а не вывернутой, как в оригинале) раз, два и обчёлся: из классических самые близкие - OPA2234 и TLE2022, возможно потребует коррекции более широкополосный OPA2140A, из чопперов - ADA4522-2, MAX44246. Я запаял ADA4522-2.



Так же измерил ТК фольговых делителей. Предыдущие, которые и сам использовал, и форумчанам раздавал, показывали намного лучшие результаты. Здесь же один вообще в ауте оказался с ТК -0,47 ppm/°C

[Mickle]

Фольговый делитель с ТК -0,47 ppm/° реабилитирован С этой целью вместо модуля ИОН на LTZ на одной из плат распаян штатный ИОН на LM399. Последний подобран с таким ТКН, который компенсирует ТК делителя примерно вполовину. LM399 снят со стенда после наработки 603 дня, характеризуется малой амплитудой напряжения шума (0,2 ppm п-п) в полосе 0,1-10 Гц и достаточно низкой скоростью дрейфа.



Если в дальнейшем реализовывать измерительную часть прибора (хотя бы вольтметр), то имеет смысл рассмотреть в качестве АЦП оного 24/32-битный сигма-дельта. Хотя интегральные сигма-дельта уступают по метрологическим параметрам АЦП с многостадийным интегрированием на дискретных компонентах, по компактности они вне конкуренции. Для примера, ниже приведена упрощённая схема аналоговой части одного из новых мультиметров этого сезона, призванных потеснить с рынка две младшие модели серии Truevolt мультиметров Keysight 34460A и 34461A. Легко заметить, что АЦП в ней интегральный.



Краткое описание под спойлером:

Спойлер

Фрагмент упрощённой принципиальной электрической схемы аналого-цифрового тракта мультиметра представлен на рис. 19. Центральным элементом измерительной части мультиметра является 32-битный интегральный сигма-дельта АЦП U705 типа ADS1262. АЦП имеет симметричное питание +/–2,5 В, сконфигурирован для работы с внутренним тактовым генератором малой стабильности и низкой начальной точности и позволяет измерять биполярные сигналы относительно общего аналогового нуля без применения инструментального усилителя с парафазным выходом.
Рабочим источником опорного напряжения 2,5 В АЦП является интегральный ИОН #1 типа MAX6325C, основанный на стабилитроне с подповерхностным переходом. ИОН #1 имеет высокие характеристики температурной стабильности (ТКН 0,5–1 ppm/°C) и НЧ шума (типовой размах 1,5 мкВ в полосе 0,1–10 Гц), однако не обладает требуемой долговременной стабильностью.
Так как аналоговые входы АЦП AIN0 и AIN1 включены по псевдодифференциальной схеме, рабочий размах напряжения на входе ограничен диапазоном +/–1,25 В. Для расширения диапазона измерения мультиметра перед АЦП предусмотрен программируемый масштабный усилитель PGA, включающий ОУ U702, U704, сборку прецизионных согласованных по ТКС резисторов RN701 и аналоговые ключи U705. Ряд коэффициентов усиления PGA включает 10, 1 и 0,1, что позволяет организовать в мультиметре поддиапазоны 100 мВ, 1 В, 10 В, а в сочетании с высоковольтным делителем напряжения RN602 так же и поддиапазоны 100 В, 1000 В.
Поскольку ОУ U704 имеют высокие абсолютное значение и температурный коэффициент смещения нуля, а резисторная сборка RN701, так же как ИОН #1, не обладает требуемой долговременной стабильностью, в программном обеспечении мультиметра предусмотрена функция Auto Zero – автоматической коррекции показаний мультиметра, позволяющая компенсировать смещение нуля и изменение масштабного коэффициента аналого-цифрового преобразования. Активация Auto Zero приводит к тому, что АЦП каждое рабочее измерение исследуемого сигнала сопровождает следующим за ним дополнительным измерением либо смещения нуля, либо выходного напряжения высокостабильного ИОН #2. При этом виды дополнительных измерений чередуются через один.
Аппаратно функция Auto Zero реализована с помощью аналоговых ключей микросхемы U703 и работает по следующему алгоритму (рис. 20–22):
1) по окончании рабочего измерения входы сдвоенного ОУ U704 PGA отключаются от источника сигнала (функционального преобразователя);
2) ключ U703/1 замыкает входы между собой, а и U703/2 соединяет их с аналоговым общим, устраняя тем самым синфазную составляющую;
3) проводится измерение и рассчитывается поправка текущего смещения нуля;
4) ключи U703/1 и U703/2 размыкаются, подключается соответствующий выход источника сигнала (функционального преобразователя) и выполняется следующее рабочее измерение;
5) повторяется п.1;
6) замыкаются ключи U703/2 и U703/4, подключая ко входу PGA выход буфера высокостабильного ИОН #2.
7) проводится измерение ИОН #2 и рассчитывается поправка масштаба.

В качестве ИОН #2 используется термостатированный интегральный стабилитрон U701 типа LM399AH в типовой схеме включения. Подогреватель LM399AH питается от стабилизаторов напряжения питания измерительной части мультиметра +/–18 В. Рабочий ток стабилитрона 1 мА обеспечивается подключением балластного резистора к шине + 18 В (рис. 23). ОУ U702/1 с нулевым дрейфом служит для снижения выходного сопротивления ИОН #2. Использованная параметрическая схема включения U701 обеспечивает коэффициент подавления нестабильности источника питания в диапазоне от 7000 до 22000 в зависимости от величины дифференциального сопротивления конкретного экземпляра стабилитрона.
ОУ U621 типа AD8639 используется как буферный каскад при измерении напряжения постоянного тока. Использованный тип ОУ, относящийся к усилителям с нулевым дрейфом, обеспечивает низкий коэффициент смещения нуля. Малый входной ток в сочетании с высоким входным сопротивлением и высоким коэффициентом подавления синфазной помехи получается благодаря применению схемы следящего питания ОУ, драйвером которого служит ОУ U620 типа OPA2140A с полевыми транзисторами на входе.
Входной сигнал буфер получает от одного из 2-х источников: либо с нижнего плеча высоковольтного делителя, использующегося при измерении напряжения на поддиапазонах 100 и 1000 В, либо непосредственно с разъёма HI на лицевой панели при измерении на поддиапазонах от 0,1 до 10 В. Селектором источника служат аналоговые ключи U602/3 и U602/4 типа DG211.

[zxczxcs]

Михаил, очень интересный проект, с нетерпением жду обновлений. Но повторить его проблематично из-за стоимости и доступности AD5791 в первую очередь. Как Вы считаете, возможно ли получить сопоставимые метрологические характеристики, используя пару более дешевых ЦАП с подстройкой по АЦП? Например, ADS1255 имеет типовую интегральную нелинейность 3 ppm, что примерно соответствует AD5791A. Из минусов я вижу только низкую скорость установления выходного напряжения.

А можно более подробно узнать про этот мультиметр? Нечто подобное может стать основой самодельного, особенно если использовать только один делитель в PGA и опорное напряжение АЦП брать через делитель от LM399.

[Mickle]

Источники калиброванных напряжений, основанные на принципе из Application Note 86 "A Standards Lab Grade 20-Bit DAC with 0.1ppm/°C Drift" даже превосходят по ряду параметров мою самоделку (например, по линейности). На bbs.38hot.net можно поискать готовые решения по ключевому слову "voltgen". Не знаю, продаются ли сейчас платы на taobao, но раньше можно было заказать набор для сборки.
AD5791 - дорогая штука, даже с литерой А. Поэтому интересно было бы попробовать альтернативу, например, в виде 2-канального ШИМ с активной компенсацией сопротивления ключей, как это сделано во Флюках, или чего-то другого.

Про мультиметр я уже и так написал куда подробнее. Остальные аналоговые узлы не расписывал, поскольку для отчёта это не было нужно. Сам отчёт - сугубо для служебного пользования, по понятным причинам я не могу его публиковать. Самодельщикам в нём всё равно почерпнуть нечего.

[zxczxcs]

Спасибо за наводку на "voltgen", любопытный проект.

А модель мультиметра не секрет?

[bsw_m]

Mickle писал(а):

Поэтому интересно было бы попробовать альтернативу, например, в виде 2-канального ШИМ с активной компенсацией сопротивления ключей, как это сделано во Флюках, или чего-то другого.

ШИМ делитель Datron/Fluke хорош, спору нет.
Я бы хотел отметить еще один интересный делитель, который применяется в Краснодарских приборах, а именно - многофазный ШИМ делитель, как его называют в ТО. Но по моему скромному мнению, учитывая принцип его работы, его было бы правильнее назвать примерно так: Статистический делитель с динамическим ШИМ управлением.
В плюсах его я вижу следующее:
1. Меньший уровень пульсаций, чем у ШИМ делителя, как следствие - проще фильтрация.
2. За счет физики работы, изменение сопротивлений ключей и сопротивлений резисторов на работу не влияют. (Уточню, на точность не влияют, но разброс сопротивлений резисторов приведет к увеличению пульсаций на выходе)

[Mickle]

У медали всегда есть обратная сторона. Топология многофазного ШИМ её тоже имеет:
Неравенство токов заряда и разряда фильтра однофазного ШИМ формирует параболическую функцию нелинейности воспроизведения напряжения. Эта функция программно может быть линеаризована по 3-м точкам, что и происходит в Datron/Fluke, благодаря чему они способны обеспечить INL<0.1 ppm. В многофазном ШИМ выровнять сопротивления ключей технически можно, но на практике это реализовать крайне затруднительно, особенно для 16-фазного модулятора. Поэтому прибегают к увеличению номинала "весовых" резисторов, что в совокупности с конечным током смещения ОУ буфера и его дрейфом заставляет находить ещё более жёсткий компромисс между нелинейностью, температурным дрейфом и амплитудой шума на выходе ЦАП.

[MegaVolt1976]

На первой странице темы в таблице сравнения параметров разных калибраторов упомянут некий ЦАП-20. Если не секрет что это за зверь такой? Гугл не находит

[Mickle]

Конечно не секрет:
http://press.inp.nsk.su/images/preprint/1987_023.pdf
https://inis.iaea.org/collection/NCLCol ... 044415.pdf

[Mickle]

Для того, чтобы укомплектовать платы прецизионными резисторами, пришлось измерить температурный коэффициент у 161 шт. Сидеть рядом с термокамерой, да ещё в жаркую солнечную погоду А в конечном итоге в дело пошло лишь немногим больше половины. Вот такой низкий КПД.



Почти все компоненты установлены. Рассчитаны и запаяны компенсационные чип-резисторы в модули ИОН. Можно готовить базовую плату к испытаниям и настройке. Но тут "зоркий сокол" заметил, что регистры 74HC595 по ошибке в заказ прописаны в корпусе TSSOP16, а плата разведена под более крупный SO16-300 (с мелочью работать уже не так комфортно, как в молодости). Так что из-за таких вот семечек все работы приостановлены на неопределённый срок, пока не найду новые м/с

[Mickle]

Чтобы время даром не терять, решил подобрать комплект резисторов для платы калиброванных сопротивлений, чтобы уточнить её компоновку. Оказалось, что подбирать особо не из чего. С5-60 ещё туда-сюда, а МРХ вообще по ТКС непредсказуемы, и литера А на них ещё ничего не гарантирует.



Пока сидел у печи, анализировал схемотехнику современных графических мультиметров разрядности 6,5. В целом, если используется интегральный АЦП, то во всём остальном отличий мало от того, что я писал выше. Siglent вообще наповал сразил. У него не только топовый мультиметр содран с Rigol DM3068, но и бюджетные версии тоже скопированы с бюджетных же версий Rigol.

[YellowColor]

Mickle писал(а):

МРХ вообще по ТКС непредсказуемы

А как же тогда у вас работает модуль на LTZ1000 собранный на МРХ? На первых страницах "методики калибровки..." был. Или там все плохо?

[bsw_m]

YellowColor писал(а):

А как же тогда у вас работает модуль на LTZ1000 собранный на МРХ? На первых страницах "методики калибровки..." был. Или там все плохо?

Я хоть и не Михаил, но отвечу.
Резисторы МРХ в том опорнике применены в той цепи, где их стабильность (как тепловая, так впрочем и долговременная), не очень важна.
Изменение сопротивления этих резисторов на 100ppm, вызовет изменение выходного напряжения максимум, на 0.3ppm.
Так что могу сказать одно, тот опорник работает отлично