Что мерить, чем мерить, как мерить. И, естественно - зачем мерить...

При поддержке компании ПРИСТ


Ответить

GW Instek GDM-79061 - конструктивно-схемотехнический анализ

Пн янв 13, 2020 00:00:19

Предисловие
В следующем году исполнится 30 лет с момента появления на рынке профессиональной измерительной техники 6,5-разрядного настольного мультиметра Hewlett Packard 34401A. Это поистине легендарный прибор, задавший точку опоры целому сегменту рынка и ставший образцом для подражания многочисленных конкурентов. Даже сейчас, смотря на всё изобилие моделей в нише 6,5-разрядных приборов, невольно задумываешься над тем, почему их метрологические характеристики так схожи.
Тем не менее прогресс не стоит на месте, и в эру тотальной цифровизации техники всё больше стала проявляться тенденция совершенствования не метрологических, а сервисных функций приборов, в том числе их человеко-машинного интерфейса. На рынке появились приборы с расширенными инфографическими возможностями, полноцветными сенсорными дисплеями, разнообразными приборными и сетевыми интерфейсами. Первой ласточкой стал прецизионный мультиметр модели 8017, созданный в середине 90-х немецкой фирмой PREMA. Имея в своём составе монохромный графический ЖК дисплей и передовую по тем временам плату управления на основе микропроцессора i80386SX20, он всё же не снискал популярности по причине высокой цены. Но первый шаг был сделан и сегодня каждый более-менее крупный игрок на рынке измерительных приборов имеет в своём арсенале как минимум одну модель "графического" мультиметра:

Изображение

При изучении приведенной таблицы складывается впечатление, что за исключением Keithley все остальные производители в той или иной степени старались приблизить свои творения или по технической характеристике, или по интерфейсу лицевой панели (а некоторые и по тому, и по другому) к модели Keysight 34461A, пришедшей на смену снятой в 2016 году 34401A. Так это в действительности, или нет, сказать сложно. Компании тщательно охраняют свои ноу-хау и не публикуют технические описания, сервисные руководства и даже принципиальные схемы. Однако благодаря компании ПРИСТ и её бессменному консультанту раздела "Измерения" нашего форума удалось заглянуть под капот одной из последних моделей в моём вышеприведенном топ-9 - мультиметру GW Instek GDM-79061 :)

Изображение

Введение
Конструктивно-схемотехнический анализ (КСА) мультиметра позволяет провести сравнительную оценку технического уровня прибора, эффективности, обоснованности и конкурентоспособности принятых в ходе его проектирования решений. КСА в данном отчёте основывается на инструментах реверсивного инжиниринга и включает в себя две стадии:
1) оценку функциональных параметров и коэффициентов запаса;
2) анализ компоновочных решений и схемотехники основных узлов.
На первой стадии прибор рассматривался как модель чёрного ящика, а заключения формулировались только по результатам инструментальных исследований без разборки прибора. На второй стадии полученные данные дополнялись сравнительным анализом компоновки прибора, схемотехники его узлов, топологии печатной платы, элементной базы.

1 Оценка функциональных параметров и коэффициентов запаса
1.1 Дрейф показаний при «холодном» включении мультиметра
Измерение дрейфа показаний прибора после «холодного» включения при входном сигнале с фиксированными параметрами позволяет качественно оценить величины дополнительных погрешностей в диапазоне температур (температурных коэффициентов смещения нуля и масштаба), наличие и эффективность схем коррекции этих погрешностей, рациональность компоновки с точки зрения устранения или компенсации паразитных термоЭДС.
Кинетика дрейфа показаний чаще всего является результатом суперпозиции нескольких тепловых и электрических процессов, протекающих с момента включения прибора в сеть: 1) установление рабочего режима источника опорного напряжения (ИОН) и выход его термостата (при наличии) на температуру статирования; 2) возникновение начальных нескомпенсированных термоЭДС; 3) установление термодинамического равновесия в корпусе прибора с одновременным прогревом его компонентов и откликом последних в силу ненулевых температурных коэффициентов.
Измерение дрейфа GDM-79061 осуществлялось на базовом пределе измерения напряжения постоянного тока 10 В DCV (Примечание. Здесь и далее под базовым пределом измерения принимается такой, для которого предел основной относительной погрешности измерения, нормированный на верхнюю границу поддиапазона измерения, является минимальным).
На графиках рис. 1–2 представлены результаты измерения смещения нуля при замкнутых клеммах HI и LO соответственно при отключенной и включенной функции автоматической коррекции (Auto Zero). В данных условиях нивелируется влияние нестабильности ИОН и компонентов (резисторов, делителей), определяющих масштаб шкалы показаний прибора. Максимальная амплитуда дрейфа составляет не более 1 е.м.р. 6-разрядной шкалы прибора (т.е. <1 ppm) и наблюдается лишь в первые 5 минут после включения прибора (рис. 1). Активация функции Auto Zero полностью подавляет дрейф из-за смещения нуля после включения прибора (рис. 2). Этот факт говорит о том, что входной буферный/масштабный усилитель постоянного тока в составе аналогового тракта имеет либо очень малый температурный коэффициент смещения нуля, либо является усилителем с нулевым дрейфом (zero-drift), т.е. со встроенной автоматической коррекцией нуля.

Изображение
Рисунок 1 - Холодный старт (10VDC, AZero=off, PLC10, Short)

Изображение
Рисунок 2 - Холодный старт (10VDC, AZero=on, PLC10, Short)

На графиках рис. 3–4 представлены результаты измерения дрейфа показаний прибора с подключенным к клеммам HI и LO высокостабильным источником калиброванного напряжения (ИКН) 10 В соответственно при отключенном и включенном режиме Auto Zero. Фиксированный у верхней границы поддиапазона измерения сигнал меняет характер дрейфа, т. к. величина последнего в каждый момент времени становится равной алгебраической сумме текущего смещения нуля и дополнительной погрешности, обусловленной температурным коэффициентом масштаба шкалы показаний прибора.
Максимальная амплитуда дрейфа составляет около 16 ppm и наблюдается так же лишь в первые 5 минут после включения прибора (рис. 3). Однако активация функции Auto Zero вместо ожидаемой коррекции смещения на величину не более 1 ppm (по результатам измерений рис. 1–2) меняет направление (знак) дрейфа (рис. 4).
Подобное поведений функции Auto Zero означает, что при её активации периодически корректируется не только смещение нуля, но и коэффициент масштаба шкалы. Следовательно, информация об этой функции в руководстве пользователя мультиметром является неполной:
«Autozero provides the most accurate measurements, but requires additional time to perform the zero measurement. With autozero enabled (On), the GDM-9060/9061 internally measures the offset following each measurement. It then subtracts that measurement from the preceding reading. This prevents offset voltages present on the GDM-9060/9061’s input circuitry from affecting measurement accuracy. With autozero disabled (Off), the GDM-9060/9061 measures the offset once and subtracts the offset from all subsequent measurements.»

Изображение
Рисунок 3 - Холодный старт (10VDC, AZero=off, PLC10, 10V)

Изображение
Рисунок 4 - Холодный старт (10VDC, AZero=on, PLC10, 10V)

На рис. 5 представлено сравнение графиков выхода на рабочий режим мультиметров GW Instek GDM-79061, HP 34401A и АКИП В7-78/1, находящихся в одной метрологической и ценовой категории. Испытанные экземпляры GDM-79061 и HP 34401A демонстрируют скорость дрейфа соизмеримую с нулём уже через 10 мин. после включения, в то время, как В7-78/1 для этого недостаточно и 90 мин.

Изображение
Рисунок 5 - Холодный старт (10VDC, AZero=on, PLC10, 10V)

1.2 Нормированная амплитуда напряжения шума
Среднеквадратичная амплитуда (СКЗ) и другие параметры напряжения шума, рассчитываемые по фиксированной выборке последовательных результатов измерения мультиметром контрольного сигнала, являются важным индикативным показателем качества узлов аналогового тракта, ИОН, АЦП мультиметра, правильности компоновки его узлов, эффективности выбранных методов подавления помех нормального и общего вида.
При использовании в качестве контрольного источника ИКН постоянного тока регистрируемая амплитуда шума в полосе частот может быть представлена в первом приближении как геометрическая сумма аддитивной и мультипликативной составляющих. Аддитивная не зависит от уставки ИКН и формируется компонентами узла защиты входа мультиметра от перегрузки, масштабным усилителем (буфером) и АЦП. В свою очередь, мультипликативная составляющая находится в прямой зависимости от величины уставки ИКН и в равной мере отражает вклад нестабильностей (шума) как ИОН мультиметра, так и ИКН.
На рис. 6 и 7 представлены графики в двойной логарифмической сетке, на которых по горизонтальной оси отложены значения периода отсчётов измеряемого сигнала в единицах PLC (1 PLC – период напряжения промышленной сети, равный в России 1/50 с), по вертикальной оси отложено СКЗ шума, нормированное на верхнюю границу поддиапазона измерения. Графики 0/100mV, 0/1V и 0/10V получены при нулевом входном напряжении мультиметра (короткозамкнутый вход), график 10/10V – при напряжении 10 В на выходе ИКН.

Изображение
Рисунок 6 - Амплитуда шума (AZero=off)

Изображение
Рисунок 7 - Амплитуда шума (AZero=on)

Измерения проводились как при отключенной, так и при включенной функции Auto Zero (рис. 6 и рис. 7). В первом случае устанавливалась постоянная длительность сбора данных, равная 10 с. Во втором случае время измерения фиксировалось с помощью секундомера и заносилось в табл. 1

Таблица 1 – Условия измерения при включенной функции Auto Zero
Изображение

Как видно из табл. 1, производительность измерений при включении функции Auto Zero многократно снижается, при чём снижение не находится в какой-либо строгой зависимости от установленного параметра Speed мультиметра. Данный факт не отражён в руководстве пользователя.
Анализ графиков рис. 6–7 показывает, что испытанный экземпляр мультиметра GDM-79061 по СКЗ шума при нулевом входном напряжении на поддиапазонах 1 и 10 В значительно уступает двум экземплярам Keysight 34461A и одному АКИП В7-78/1, на поддиапазоне 100 мВ различия между GDM-79061 и Keysight 34461A незначительны. Использование в качестве источника сигнала ИКН с выходным напряжением 10 В привело к изменению (увеличению) СКЗ шума всех рассматриваемых мультиметров в силу добавления мультипликативной компоненты шума, обусловленной нестабильностью ИКН и ИОН самих мультиметров. СКЗ шума ИКН контролировалось с помощью 8,5-разрядного мультиметра Advantest R6581T и показано отдельной кривой на рис. 6.
Характер и порядок величины изменений на графиках рис. 6–7 при переходе от нулевого входного напряжения мультиметра GDM-79061 к ИКН 10 В не позволяют считать ИОН мультиметра первопричиной сравнительно высокой амплитуды шума. Такие же изменения наблюдаются и у других мультиметров. Представленные на рис. 6 данные по СКЗ шума мультиметров АКИП В7 78/1 и Advantest R6581T, имеющих АЦП с многостадийным интегрированием, демонстрируют отсутствие точки перегиба и монотонный ход зависимости в диапазоне времён интегрирования от 0,01 до 10 PLC. Вместе с тем, обращает на себя внимание нарушение монотонности хода всех графиков шума GDM-79061 и наличие перегиба в точке с абсциссой 1 PLC. При установке времени интегрирования входного сигнала <1 PLC (что соответствует параметру Speed > 50 изм./с) возникает резкое увеличение амплитуды шума более чем в 20 раз. Последнее отрицательно сказывается на эксплуатационных характеристиках мультиметра и делает невозможным измерение малых по величине сигналов в быстротечных процессах.
Предположительно наличие точки перегиба и резкий рост амплитуды шума в области высоких скоростей измерения могут быть связаны с наличием в аналоговом тракте мультиметра источника помехи, спектральное распределение мощности которой имеет максимум вблизи частоты промышленной сети или её гармоник. При времени интегрирования >=1 PLC помеха может эффективно подавляться интегратором АЦП, цифровым или аналоговым фильтром.

1.3 Подавление помехи нормального вида
Коэффициент подавления периодической помехи нормального вида NMRR, дБ определялся на базовом поддиапазоне напряжения постоянного тока с помощью ИКН переменного тока синусоидальной формы с эффективным значением 1 В СКЗ.
На рис. 9 представлены графики NMRR в диапазоне частот от 48 до 62 Гц и времени интегрирования 1, 2,5 и 10 PLC, на рис. 8 – в диапазоне частот от 10 до 47 Гц и времени интегрирования 10 PLC. С установленным временем интегрирования сигнала 2,5 и 10 PLC мультиметр GDM-79061 имеет NMRR 70–80 дБ во всём диапазоне варьирования частоты промышленной сети, что на 20 дБ превышает соответствующий параметр мультиметров с АЦП многостадийного интегрирования (Keithley 2000, Agilent 34401A, 34410A Keysight 34461A, АКИП В7 78/1 и др.). Стабильно высокий коэффициент подавления в широкой полосе частот может достигаться как наличием аналогового фильтра НЧ, так и цифрового фильтра (например, FIR).
С установленным временем интегрирования 1 PLC мультиметр GDM-79061 имеет спектр NMRR с максимумом 53 дБ, положение которого совпадает с частотой промышленной сети 50 Гц (рис. 8 ). Представленные на рис. 10 фрагменты математических моделей интегрирующих АЦП позволяют выявить сходство спектра подавления помехи с аналого-цифровыми преобразователями непрерывного интегрирования (например, АЦП с динамическим интегратором и импульсной обратной связью, запатентованных фирмой Solartron Instruments) и сигма-дельта АЦП с цифровым фильтром типа sinc.

Изображение Изображение Изображение
Рисунок 8. Рисунок 9. Рисунок 10 - Подавление помехи (NMR)

1.4 Анализ параметров помехи
В п. 1.2 выявлено, что при отсутствии подавления помехи с частотой промышленной сети, т. е. при установке времени интегрирования входного сигнала <1 PLC, возникает резкое увеличение амплитуды шума в выборках результатов измерений сигналов с помощью мультиметра. При этом по своей величине помеха эквивалентна напряжению смещения с размахом до 100–150 е.м.р. 6 разрядной шкалы мультиметра. Для уточнения природы и источника возникновения помехи целесообразно провести анализ формы и спектра сигнала, регистрируемого мультиметром при короткозамкнутом входе на базовом поддиапазоне измерения 10 В DCV.
На рис. 11 представлены графики, полученные в режиме Speed = 100 изм./с (0,5 PLC), на рис. 12 – в режиме Speed = 10000 изм./с (0,005 PLC). На рис. 13 показан спектр помехи в режиме Speed = 10000 изм./с.

Изображение Изображение Изображение
Рисунок 11. Рисунок 12 - Анализ параметров помехи

Изображение
Рисунок 13 – Спектр помехи в режиме Speed = 10000 изм./с

Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о периодическом характере помехи и преобладании в её спектре гармоник частоты промышленной сети. Кроме того, отклонение положения максимумов на рис. 13 от теоретических частот гармоник (Speed = 10000 изм./с), а так же наблюдаемое на рис. 11 биение с частотой 2–3 Гц (Speed = 100 изм./с) явно указывают на несоответствие частоты измерений, устанавливаемой в приборе с помощью параметра Speed и указанной в руководстве, от частоты измерений фактической. Отклонение хотя и составляет около 1–2 %, но может являться дополнительным фактором, снижающим подавление сетевой помехи в режиме Speed = 50 изм./с (1 PLC). К вероятным причинам несоответствия частот можно отнести наличие интервалов между единичными преобразованиями АЦП, а так же использование задающего генератора АЦП с низкой начальной точностью или низкой стабильностью частоты.
Что касается потенциального источника помехи, то будучи локализованным внутри корпуса прибора им могут являться: 1) электромагнитные или электростатические наводки от силовых цепей переменного тока; 2) пульсации в цепях питания аналоговых узлов.

1.5 Оценка линейности преобразователя среднеквадратичных значений
Как известно, в подавляющем большинство мультиметров с динамическим диапазоном 5,5–6,5 десятичных разрядов функциональный узел измерения переменного тока имеет типовую структуру, в состав которой входит аттенюатор, масштабный широкополосный усилитель и аналоговый преобразователь среднеквадратичных значений (типа AD637 или аналогичный). Основным ограничением подобного рода преобразователей является минимальная амплитуда измеряемого сигнала, при которой линейность передаточной характеристики находится на приемлемом уровне. Относительная величина этой амплитуды указывается, как правило, в спецификации мультиметров и составляет около 1% от предела измерения. Соответственно на наиболее чувствительном пределе 100 мВ допускается измерять сигналы с амплитудой не менее 1 мВ. При дальнейшем уменьшении последней показания мультиметра либо уменьшаются по степенному закону (как, например, в Agilent 34401A, 34410A), либо программно обнуляются (как в АКИП В7-78/1).
Оценка линейности преобразователя среднеквадратичных значений мультиметра GDM-79061 выполнялась с помощью ИКН переменного тока частотой 1 кГц. Показания GDM-79061 и ряда других мультиметров при варьировании входного напряжения от 1 мкВ до 100 мВ представлены на графиках рис. 14.

Изображение
Рисунок 14 - Чувствительность в режиме ACV

Как видно из полученных данных, по линейности передаточной функции и чувствительности СКЗ преобразователя мультиметр GDM-79061 превосходит приборы не только из одной метрологической категории, но и имеющиеся у автора эталонные мультиметры с разрядностью 7,5-8,5 декад.

1.6 Измерение входного тока смещения и сопротивления утечек
Входной ток смещения масштабного или буферного усилителя постоянного тока мультиметра становится критичным параметром во время измерения источников сигнала с высоким внутренним сопротивлением (например, делителей Кельвина-Варлея), падения напряжения на высокоомных шунтах или измерения сопротивления резисторов свыше 10 МОм. Типовые значения тока утечки, указываемые в спецификациях мультиметров категорий 5,5–8,5 десятичных разрядов, составляют 20–50 пА и являются справочным параметром. Вместе с тем, для обеспечения даже справочного параметра разработчики мультиметров прикладывают существенные усилия. Поскольку минимизация тока смещения и минимизация приведённой ко входу амплитуды собственного шума усилителя – несовместные целевые функции, выигрыш в токе смещения означает ухудшение чувствительности и динамического диапазона (длины шкалы) мультиметра или сужение полосы пропускания. К примеру, в эталонных мультиметрах Solartron 7081, Datron 1271/1281 и Fluke 8508A входной масштабный усилитель имеет следящее питание и структуру МДМ с модулятором на полевых транзисторах. Низкая частота модуляции позволила уменьшить инъекцию заряда во входную цепь усилителя и, соответственно, снизить до приемлемого уровня входной ток смещения. Практически все серии мультиметров HP/Agilent/Keysight, в том числе 34401A, 34410A, 34420A, 34461A, 3458A и др., имеют масштабный усилитель с малошумящей дифференциальной парой полевых транзисторов на входе, высокий температурный коэффициент смещения нуля которой корректируется за счёт работы усилителя с прерыванием (т.е. дополнительной фазой замыкания входов и измерения смещения нуля). Во время выхода из прерывания задействуется дополнительный коммутируемый буфер, который позволяет предварительно выровнять потенциал между источником сигнала и входом усилителя. Это кардинально снижает ток перезарядки затворов дифференциальной пары и ёмкости паразитных монтажных конденсаторов, а следовательно, снижает входной ток смещения. Помимо всего перечисленного, практически всегда применяется топологическая защита от паразитных токов утечки на печатной плате в виде эквипотенциальных дорожек и колец, расположенных вокруг критичных цепей.
Измерение входного тока смещения Ib, пА мультиметра GDM-79061 проводилось в режиме DCV посредством замыкания входных разъёмов HI и LO резистором с номиналом 10 МОм. Величина и знак тока рассчитывались как результат деления измеренного падения напряжения на сопротивление резистора. По спецификации мультиметра типовой входной ток составляет 30 пА при температуре 25°С. Результаты испытаний сведены в табл. 2.

Изображение

Анализ результатов испытаний показывает, что величина входного тока существенно ниже типового специфицированного значения. Однако обращает на себя внимание многократный рост Ib после подключения к мультиметру источника напряжения постоянного тока 10 В. Для проверки данного наблюдения был проведён повторный эксперимент, в ходе которого исследовалась зависимость входного тока смещения GDM-79061 от предыстории измерений. Методика включала следующие этапы:
1) выдержка при входном напряжении минус 10 В в течении 30 мин;
2) отключение меры напряжения и шунтирование резистором 10 МОм;
3) посторенние графика релаксационного изменения входного тока (рис. 15).

Изображение
Рисунок 15 - "Послешоковый" дрейф входного тока

График рис. 15 подтвердил аномальное поведение входного тока. Постоянная времени релаксационного процесса составила около 1,5 часа, что не может быть обусловлено тепловыми процессами в компонентах усилителя, поскольку при включении и прогреве мультиметра дрейф входного тока незначителен. В то же время, поляризация плёнок поверхностных загрязнений на плате вполне может служить объяснением дрейфа Ib после кратковременного измерения напряжения вблизи к верхней границе поддиапазона 10 В.
Измерение входного сопротивления GDM-79061 выполнялось в режиме DCV путём подключения ко входу мультиметра ИКН 10 В последовательно с резистором Rш 10 МОм. По падению напряжения на резисторе (т.е. разности между измеренным напряжением и выходным напряжением ИКН) определялась сила тока в цепи, на основе чего рассчитывалось входное сопротивление мультиметра. Исходные данные и результаты расчёта приведены в табл. 3. Согласно спецификации мультиметра типовое входное сопротивление на поддиапазонах DCV от 0,1 до 10 В составляет не менее 10 ГОм. Фактическое значение превышает указанное на порядок величины.

Изображение

1.7 Оценка интегральной нелинейности АЦП
Интегральная нелинейность (INL) в диапазоне напряжений постоянного тока от 0 до 10 В определялась по нормированным на предел измерения 10 В отклонениям измеренных значений от значений, полученных по уравнению линейной регрессии на выборке из 5 точек: 0, 1, 5, 8,5 и 10 В. Результаты оценки представлены на рис. 16. В качестве контрольного вольтметра использовался эталонный мультиметр Advantest R6581D, имеющий собственную интегральную нелинейность менее 0,1 ppm.
Анализ показывает, что АЦП и масштабный (буферный) усилитель мультиметра GDM-79061 в сумме обеспечивают нелинейность около 2,5 ppm, что близко к предельному значению 3 ppm, которое указано в спецификациях на мультиметры c АЦП многостадийного интегрирования: HP/Agilent/Keysight 34401A, 34410A, 34461A, Keithley 2000 и т.п. Однако по факту указанные мультиметры имеют существенный запас по данному параметру (вплоть до 10-кратного), что подтверждается результатами как собственных измерений, так и публикациями. Для сопоставления на рис. 16 приведены полученные автором графики INL мультиметров HP 34401A и АКИП В7-78/1.

Изображение
Рисунок 16 - Интегральная нелинейность

1.8 Оценки монотонности и фактической разрядности АЦП
Анализ проводился на выборке объёмом 9551 измерение, полученных на базовом пределе 10 В с короткозамкнутым входом при времени интегрирования 10 PLC (5 изм./с) и отключенной функцией Auto Zero.
Минимальное ненулевое приращение между отсчётами составило 0,0116 мкВ или 0,00116 ppm от предела измерения. Таким образом, фактическая разрядность АЦП с учётом двухквадрантного преобразования, превышения предела показаний на 20 % и запаса 5% на цифровую коррекцию составляет 31 бит. Принимая во внимание специфические значения производительности измерений (параметра Speed), можно предположить, что мультиметр использует не дискретный АЦП с архитектурой многостадийного интегрирования, как это сделано в конкурирующих изделиях, а интегральный сигма-дельта АЦП, например, из серии ADS126x.
Для оценки монотонности и выявления пропуска кодов АЦП использовалась гистограмма (рис. 17). Как видно из рисунка, пропуски кода отсутствуют по крайней мере до шага в 0,07 ppm. Так же отсутствуют признаки нарушения монотонности функции преобразования. Огибающая гистограммы по форме близка к графику функции плотности вероятности распределения Рэлея.

Изображение
Рисунок 17 - Пропуск кодов и разрядность АЦП

2 Анализ компоновочных решений и схемотехники основных узлов
При разработке конструкции мультиметра GDM-79061 использовано типовое решение, сводящееся к размещению основных узлов на базовой печатной плате, в то время, как платы лицевой панели и опционального GPIB интерфейса подключаются к базовой посредством разъёмов. Измерительные функциональные узлы мультиметра имеют гальваническую развязку от интерфейсных и питаются от отдельных обмоток сетевого трансформатора. Сетевой трансформатор смонтирован на металлическом шасси мультиметра и обеспечивает питанием лицевую панель, измерительные и интерфейсные узлы.
На рис. 18 показана компоновка измерительных узлов мультиметра на печатной плате. В отличие от конкурирующих изделий Keysight, измерительные узлы на базовой плате GDM-79061 не имеют общего защитного экрана, позволяющего замкнуть путь возвратных ёмкостных токов, вызываемых помехой общего вида. Вместо этого, на плате имеются два коробчатых стальных экрана, один из которых локально защищает узел усилителя ACV и преобразователя среднеквадратичных значений, второй – буферный ИОН АЦП и ключи нормирующего усилителя (PGA).
В левом верхнем углу платы (рис. 18) размещаются линейные стабилизаторы напряжения питания аналоговых узлов +/–18 В. Микросхемы стабилизаторов изолированы термоусадочной трубкой, не имеют радиаторов, поэтому в процессе работы мультиметра температура их корпусов становится на 15–20°С выше средней температуры остальной части платы. В непосредственной близости от стабилизаторов расположены прецизионные компоненты узла источника тока, использующегося при измерении сопротивления резисторов и ёмкости конденсаторов.

Изображение
Рисунок 18 – Компоновка измерительных узлов мультиметра на печатной плате

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.

Изображение
Рисунок 19 – Упрощённая электрическая принципиальная схема аналого-цифрового тракта мультиметра

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 х10, х1 и х0,1, 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 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.

Изображение
Рисунок 20 – Осциллограмма напряжения на входе U704 в режиме DCV при измерении источника сигнала 1,0 В с активированной функцией Auto Zero

Изображение
Рисунок 21 – Осциллограмма напряжения на входе U704 в режиме DCV при измерении источника сигнала 10 В с активированной функцией Auto Zero

Изображение
Рисунок 22 – Осциллограмма напряжения на входе АЦП в режиме DCV при измерении источника сигнала 10 В с активированной функцией Auto Zero

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.

Изображение
Рисунок 23 – Схема внутренней меры напряжения мультиметра

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. Таким образом, обеспечение долговременной стабильности ИОН #2 существенно зависит от параметров качества источника питания шины +18 В. Вместе с тем, практически во всех мультиметрах конкурирующих фирм эта проблема решена кардинально с помощью питания стабилитрона от источника стабильного тока.
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. Согласно спецификации, данный тип ключей допускает ток утечки в закрытом состоянии до 5 нА при температуре 25°С как между коммутируемыми цепями, так и на цепи управления. Таким образом, ключи U602/3 и U602/4 так же могут являться одной из причин многократного увеличения входного тока смещения, выявленного в п. 1.6.

Заключение
По совокупности показателей функциональной полноты, эргономики и эксплуатационных (метрологических) характеристик мультиметр GDM-79061 вполне может конкурировать с аналогичными изделиями других производителей. Однако ряд конструктивных и технологических решений, реализованных в GDM-79061, не позволяют добиться таки же высоких результатов:
1. Применение (как и в предшествующей модели GDM-78261) интегрального сигма-дельта АЦП вместо разработки или лицензирования АЦП многостадийного интегрирования сужает диапазон измеряемых с помощью АЦП сигналов с 13–14 В до величины 1–1,3 В, и во столько же раз повышает чувствительность к помехам, смещению нуля из-за нескомпенсированных термоЭДС, увеличивает нелинейность и шум преобразования.
2. Использованный тип АЦП ADS1262 позволяет подключить внешний тактовый генератор или кварцевый резонатор для обеспечения лучшего подавления помехи с частотой сети. Однако в GDM-79061 эта возможность не использована.
3. Внутренняя мера напряжения мультиметра (LM399AH) для повышения сборочной технологичности устанавливается в панельку, хотя даже незначительное смещение выводов стабилитрона в панельке меняет переходное сопротивление контактов и приводит к дрейфу напряжения ИОН до 5 ppm. Кроме того, задание рабочего тока стабилитрона от шины +18 В минуя стабилизатор тока отрицательно сказывается как на временной нестабильности, так и на НЧ шуме ИОН.
4. Хотя мультиметр имеет заземлённый стальной корпус, базовая плата не защищена электростатическим экраном от возвратных токов помехи общего вида.
5. Для коммутации входного буфера при измерении напряжения постоянного тока выбран неудачный тип аналоговых ключей DG211 с током утечки до 5 нА при 25°С, тогда, как типовой входной ток мультиметра заявлен около 30 пА.
6. Линейные стабилизаторы +/–18 В питания измерительной части расположены рядом с критичным к нагреву узлом (прецизионная резисторная сборка источника тока), не имеют радиаторов и нагреваются до температуры 55–60°С.
7. В топологии печатной платы не предусмотрены защитные эквипотенциальные кольца вокруг высокоимпедансных цепей. Для сравнения, фрагмент платы мультиметра Keysight 34461A:

Изображение
Рисунок 24

8 . Описание функции автоматической коррекции нуля (Auto Zero) в руководстве пользователя не соответствует действительности, т.к. корректируется не только смещение нуля, но и масштаб шкалы. Включение этой функции снижает производительность измерений не только за счёт добавления фаз измерения нулевого сигнала и опорного напряжения, но и дополнительных задержек мультиплексирования. Величина этих задержек зависит от частоты выборок и так же не указана в документации. К примеру, установка в параметрах измерения Speed = 10000 изм./с и включение Auto Zero приведут к фактической частоте выборок всего 459 с-1. Этот факт затрудняет использование мультиметра в ситуациях, где важна привязка отсчётов к меткам времени или к длительности сбора данных.
9. Переход через границу частоты выборок Speed = 50 с-1 приводит к привнесению в результаты измерения периодической импульсной помехи, амплитуда которой остаётся стабильно высокой вплоть до Speed = 10000 изм./с, что лишает возможности использовать мультиметр в высокоскоростных режимах.
Опытным путём установлено, что одной из основных причин возникновения помехи является не верно выбранное расположение силового трансформатора питания мультиметра в непосредственной близости от АЦП, PGA, обоих ИОН и других чувствительных компонентов. При этом амплитуда помехи находится в непосредственной зависимости от напряжения в сети. Изменение последнего в диапазоне от 200 до 240 В ведёт к росту наводок примерно в 2 раза. На рис. 25 показаны кадры из видеозаписи, в ходе которой трансформатор снимался с крепления на боковой стенке шасси и вручную отдалялся от печатной платы.

Изображение Изображение
Рисунок 25 – Изменение амплитуды помехи при демонтаже трансформатора и удалении его от базовой печатной платы

Видео 1: https://drive.google.com/open?id=1sZ-lQ ... AyZom8wmHd
Видео 2: https://drive.google.com/open?id=1ufAGv ... l0wDG2KVvl

К сожалению, попытки устранить влияние потока рассеяния трансформатора на компоненты и цепи измерительной части путём магнитного экранирования не увенчались успехом. (Прим. Помог только полный перенос трансформатора).
10. Из руководства пользователя и спецификации не ясно, какую роль играет процедура, называемая в руководстве DC Gain Calibration. Не известно, является ли DC Gain Calibration обязательным для обеспечения метрологических показателей прибора, равно и то, какие показатели затрагивает её невыполнение.

Изображение
Рисунок 26

Приложения
1. Фотографии конструктивного исполнения прибора: https://drive.google.com/open?id=1cvB6u ... GLh9b8VKX7
2. Руководство пользователя и спецификация: https://drive.google.com/open?id=1NgyaY ... Fwh6kscui5

Re: GW Instek GDM-79061 - конструктивно-схемотехнический ана

Пн янв 13, 2020 10:21:24

...продолжение

Поскольку для изучения мультиметра мне был дан полный карт-бланш, я решил воспользоваться этой возможностью и немного доработать прибор :)
Как было описано выше, скоростные режимы измерения напряжения использовать в приборе затруднительно ввиду резкого увеличения амплитуды помех с частотой сети. Как оказалось, основным источником помех является силовой трансформатор, расположенный в непосредственной близости от наиболее чувствительного узла - АЦП. Поскольку чрезвычайно малое расстояние между узлом АЦП и трансформатором делало неэффективным применение различного рода экранов из пермаллоя, я перешёл от терапевтических методов к оперативной хирургии, т.е. физическому переносу источника помехи.
Хотя в корпусе много свободного места, но для размещения трансформатора подошёл только один угол, частично перекрываемый слотом для опциональной карты расширения GPIB. Этим слотом пришлось пожертвовать. Затем поперёк несущего шасси прибора была установлена толстая дюралюминиевая траверса, послужившая точкой опоры для одной из двух проушин трансформатора. В целом конструкция получилась хотя и кустарной, но достаточно надёжной и жёсткой.

Изображение Изображение

Результаты тестирования показали, что амплитуда помехи снизилась в 3-5 раз, но до идеала конечно ещё очень далеко.

Изображение

Re: GW Instek GDM-79061 - конструктивно-схемотехнический ана

Вт янв 14, 2020 08:26:17

Шикарная работа проведена. Причем довольно сложные понятия описаны доступным языком для человека, не сильно погруженного в дебри математического и схемотехнического аппарата.
По аппарату. Довольно странно, что разработчики вообще допустили такой сильный ляп с силовым трансформатором. Разместить источник электромагнитных помех рядом с узлом, который стараются максимально оградить от воздействия сетевых помех, это же надо было постараться.

Re: GW Instek GDM-79061 - конструктивно-схемотехнический ана

Вт янв 14, 2020 09:16:29

Спасибо, Михаил! Прямо бальзам на паяльник! :))
P.S. может только у меня, но Шунт 0,91 Ом.jpg, Цифровая часть.jpg, Шунт 0,01 Ом.jpg, Флюс 7.jpg =0 байт

Re: GW Instek GDM-79061 - конструктивно-схемотехнический ана

Ср янв 15, 2020 07:22:01

Странно, что производитель так изначально расположил силовой трансформатор.

Re: GW Instek GDM-79061 - конструктивно-схемотехнический ана

Ср янв 15, 2020 09:08:42

Спасибо за столь подробный анализ, очень познавательно!

5. Для коммутации входного буфера при измерении напряжения постоянного тока выбран неудачный тип аналоговых ключей DG211 с током утечки до 5 нА при 25°С, тогда, как типовой входной ток мультиметра заявлен около 30 пА.

Не надо так сильно ругать разработчиков. Они применили обновленную DG211B от Vishay, которая имеет максимальный ток утечки при 25°С на порядок меньше - до 500 пА (типовой - 10 пА).

Re: GW Instek GDM-79061 - конструктивно-схемотехнический ана

Ср янв 15, 2020 19:20:24

С трансформатором конечно не хорошо получилось. Тем более, что этот мультиметр не на пустом месте разрабатывался, а имеет в основе решения, обкатанные в предыдущей модели GDM-8261A (к слову, страшной, как атомная война):

Изображение Изображение

Но с другой стороны разработчики подстраховали себя тем, что в спецификации мультиметра ни словом не обмолвились о дополнительной погрешности измерения в случае высокоскоростных режимов. Т.е. использовать их можно на свой страх и риск, и что там прибор покажет - никому не ведомо.

Хорошая новость в том, что я нашёл причину быстрого увеличения входного тока буферного усилителя при выдержке под напряжением в режиме DCV (и ещё более быстрого - в режиме ACV). Как оказалось, загрязнения на плате ни при чём. Виноваты ключи, коммутирующие вход между усилителем DCV и RMS преобразователем, а так же (возможно) разделительный конденсатор на входе последнего. Стоит лишь переключить прибор в режим ACV и на секунду замкнуть щупы (или подождать установления нулевых показаний), как после этого входной ток, каким бы он ни был большим, становится 2-4 пА.
Т.о. проблема не технологическая, а чисто конструкторская. Но поиск решения её откладывается на неопределённый срок, т.к. оригинальной схемы прибора нет, а дорисовать свою невозможно без полного демонтажа платы и отпайки металлического экрана с блока RMS конвертера с потерей калибровки прибора.
Конечно у мультиметра наличествуют и детские болячки. О двух из них, фатальных, я сообщил в сервисный отдел. Хочется верить, что инженеры разберутся и выпустят обновление ПО.

Напоследок скажу, что мне понравилось в приборе - это его мгновенная готовность. Им можно пользоваться, как карманным мультиметром. После нажатия кнопки сетевого питания проходит всего 1 секунда (никаких Windows :) ), и прибор не только готов к работе, но и обеспечивает метрологические характеристики в установленных пределах.

Re: GW Instek GDM-79061 - конструктивно-схемотехнический ана

Пн янв 20, 2020 18:54:51

Хочется верить, что инженеры разберутся и выпустят обновление ПО.
Неделю назад отправил через информационно-технический отдел "Прист" описание ситуаций некорректного поведения прибора с анализом возможных причин. Сегодня получил результат исследования этих проблем производителем в виде нового файла прошивки. Не знаю, прав ли я оказался в своём анализе, но теперь и высокоскоростной режим работает без сбоев, и два параметра (DCV+ACV) можно измерять без взаимного влияния. Вот так бы все производители работали :)
Ответить