Говорят, что на ошибках учатся. Пришёл мой черёд рассказать историю неуспеха
Не так давно на нашем форумном базаре выставлялась плата ИОН отечественной меры отношения напряжений. Сама по себе плата страшнее атомной войны и особого интереса не представляет, но на ней установлены 6 шт. волшебных стабилитронов 2С108С с гарантированной долговременной стабильностью. Кроме того, как подсказал наш уважаемый коллега
strannik2039 , стабилитроны проходили предварительный отбор по амплитуде НЧ шума, не превышающего 2,5 мкВ п-п.
2С108С - лучший и одновременно самый дорогостоящий представитель широко известной 108-й серии термокомпенсированных стабилитронов. В текущем прайс-листе производителя АО "Оптрон" за 1 шт. просят 17 и 20,4 тыс. руб соответственно за обычную и ОСМ версии. Думаю не нужно объяснять, откуда берётся такая цена и с каким объёмом электротермотренировок, измерений, испытаний и пр. приходится сталкиваться каждому прибору. Но когда речь заходит о применении в конкретном изделии, зачастую этого становится недостаточно и возникает необходимость выбирать лучшие из лучших по одному или нескольким параметрам, а затем сортировать и сами готовые изделия. К примеру, так было с разработанными в начале 90-х гг портативными 4-х, 2-х и одноканальными мерами напряжения МН-1, МН-2 и МН-3 (ВНИИФТРИ, рук. В. М. Житняк):
https://drive.google.com/open?id=1wOj5b ... uhad448Hm2С виду похожая на старый радиоприёмник, одноканальная МН-3 внутри из себя тоже ничего интересного не представляет: блок аккумуляторов, сетевой БП, 2С108С в термостате (позднее 2С123Е), два фольговых делителя и два операционника.
Но догадайтесь, какую цену готов заплатить за МН-3 тот же вышеупомянутый завод "Оптрон" в 2018 году? Держитесь крепче
1,5 млн руб. Это в 2 раза больше цены Fluke 732B.
Т.о. мы приходим к банальной истине, что создание подобного рода эталонов - процесс в высшей степени трудоёмкий и наукоёмкий, а цена материалов и комплектующих в составе себестоимости изделий чрезвычайно мала.
Теперь, собственно, моя грустная история.Во время отпуска я решил поэскизировать на тему разработки универсального калибратора на замену громоздкому Datron 4000A, а заодно и DVM-Cal. Начав как обычно с внутренних мер, рассмотрел несколько вариантов, среди которых групповая мера напряжения на стабилитронах, без термостатирования, но с активной термокомпенсацией. К слову, в Datron именно такая и используется:
Методика калибровки мультиметров Схема прототипа и топология печатной платы:
Как это выглядит "в железе":
На 2-х последних фотографиях - подставка-нагреватель с 132 шт. резисторов С5-5-1Вт, которая участвовала вместе с коробкой теплоизолятором в испытаниях на ТКН.
Количество стабилитронов в группе (10 шт.) выбрано из компромисса между статистическим эффектом от группирования и их тепловым режимом работы. При рабочем токе 7,5 мА и падении напряжения 6,4 В на одних только стабилитронах будет рассеиваться 0,5 Вт. Корпуса стабилитронов вставлены в отверстия изготовленной из алюминиевого сплава пластины-радиатора через пасту КПТ-8.
Поскольку снятие семейства кривых температурного ухода в зависимости от тока для каждого стабилитрона - занятие исключительно трудоёмкое и потребовало бы не одного месяца работы, я сделал допущение (как потом оказалось, роковое) о том, что при рабочем токе 7,5 мА ТКН стабилизации в узком диапазоне комнатных температур (с учётом саморазогрева) описывается линейной зависимостью. Это допущение основано на собственном опыте испытаний на ТКН стабилитронов типа 2С108К, где оценка достоверности параметров линейной регрессии по R^2 составляла от 0,96 до 0,99 в тех же условиях. Исходя из сделанного допущения номинальные значения сопротивления балластных резисторов R1-R10 подбирались индивидуально к каждому стабилитрону в зависимости от фактического напряжения стабилизации так, чтобы обеспечить рабочий ток 7,5 мА. Именно при этом токе нормированы характеристики VD1-VD10 производителем, в том числе ТКН, определяемый двухточечным методом по ГОСТ 18986.15-76. Паспортные значения ТКН по точкам -5 и +60 градусов Цельсия были взяты за основу при парном группировании стабилитронов при размещении на плате: приборы с близким по величине, но противоположным по знаку ТКН размещались рядом друг с другом. Результаты записывались в такую табличку:
Далее по схеме, падения напряжения на индивидуальных стабилитронах усреднялись с помощью резисторной матрицы RN1 и цепочки R11-R13, одновременно выполняющей функции нормирующего делителя до напряжения 6,400 В. Последнее необходимо в силу того, что эмпирическое распределение напряжения
Uст стабилитронов 108-й серии несимметрично относительно установленного номинала и большая часть приборов имеет
Uст > 6,4 В.
Вторая причина нормирования среднего напряжения группы - обеспечение постоянства режимов работы узла температурной компенсации (ТК) вне зависимости от используемых стабилитронов (например, в случае их замены). Узел ТК (обведён зелёным пунктиром) включает в себя буферный повторитель на ОУ DA1.1, цепочку из прямосмещённых диодов VD11, VD12, резисторов R14, R17, а так же делитель напряжения, формируемый R15 и одним из установленных резисторов R16, R18.
Диоды выполняют функцию датчика температуры и размещаются на той же пластине, что и стабилитроны. Сопротивления резисторов R14 и R17 рассчитываются так, чтобы при выходном напряжении меры 10 В потенциал в общей точке соединения диодов был близок к 6,4 В. Падение напряжения на переходах диодов VD11, VD12 имеет тесную корреляцию с температурой (-1,2...-3 мВ/К). Установка резистора R16 (R18) приводит к тому, что температурно-зависимое падение напряжения на диоде VD11 (VD12) алгебраически складывается с выходным напряжением буферного ОУ с коэффициентом ~ R15/R16 (R15/R18). Таким образом, выбирая соответствующий номинал R16 (R18) можно добиться линейной компенсации результирующего ТКН меры.
Масштабный усилитель и выходной каскад меры выполнены по ставшей традиционной схеме. Роль ООС ОУ DA1.2 по постоянному току выполняет точный фольговый делитель RN2. Он же формирует выходное напряжение меры 1 В. Диоды VD13-VD15 обеспечивают надёжную работу стабилизатора при малом входном напряжении +12 В и позволяют применить ОУ не rail-to-rail по выходу. R20, VT2 обеспечивают ограничение силы тока, потребляемого от канала +10 В в аварийных ситуациях.
Гладко было на бумаге, да забыли про овраги... или результаты испытаний.
Первое включение. Мера упакована в коробку, защищена от сквозняков. Выходное напряжение канала +10 В контролируется с помощью Solartron 7081 в режиме 7,5-разрядов (1 измерение за 3,2 сек):
Хотя по ТУ выход на рабочий (электрический) режим стабилитронов не менее 60 минут, ничего хорошего график не предвещает: телеграфный шум 1,5 ppm, существенная неравномерность графика даже по истечении часа.
Включаю медленный подогрев для оценки ТКН. Температура измеряется датчиком, закреплённым непосредственно на алюминиевой пластине со стабилитронами:
Зависимость U/T немонотонная, по знаку обратная той, что наблюдалась при холодном старте. Имеет короткий горизонтальный участок, переходящий с 48 градусов в прямую с угловым коэффициентом -1,1 ppm/C.
Последовательно перебирая стабилитроны и испытывая в течении 1 часа каждый, к концу дня нахожу тот, который привносил телеграфную составляющую шума. Меняю и испытываю заново. Подогрев включен после 1-го часа.
Уже веселее. Зависимость более гладкая, телеграфный шум исчез, хотя уход напряжения просто кошмарный.
Подбираю резистор 320 кОм в узле ТК так, чтобы частично скомпенсировать хотя бы начальный часовой участок:
Уход напряжения конечно уменьшился, но шум и краткосрочная стабильность - это что-то с чем-то
Особенно непонятна причина возросшей амплитуды НЧ шумов. На графике нормированный график относительного измерения напряжения на выходе +6,4 В (т.е. до узла ТК) и на выходе +10 В:
Одно из 3-х: либо огромный токовый шум резистора R15 1 кОм, либо неисправен один из диодов термодатчика, либо добавленный резистор 320 кОм в петле ПОС ОУ привёл к самовозбуждению на ВЧ.
Проверкой этих гипотез решаю не заниматься. Вместо этого на испытательный стенд устанавливаю вторую плату ИОН - контрольный экземпляр:
Ситуация повторяется. График ТКН хотя и гладкий, но линейной зависимости не имеет, т.е. термокомпенсация в данном случае тоже бесполезна. Кроме того после 1-го часа видны подозрительные всплески, очень напоминающие телеграфную компоненту.
Выводы:
1. Использованные стабилитроны имеют существенный разброс как средней величины ТКН, так и его изменения в диапазоне температур. В такой ситуации применение бестермостатной схемы ИОН невозможно без: а) характеризации каждого стабилитрона, б) расчёта теплового режима группы, в) индивидуального выбора рабочего тока по критерию минимума ТКН (например, в МН-3 ТКН минимизировался до 1 ppm/C).
2. Даже при условии успешной реализации п.1 вызывает сомнение успешность линейной термокомпенсации остаточного ТКН ввиду нелинейной зависимости последнего от температуры.
3. Хотя 2С108 и др. стабилитроны имеют гарантированный производителем максимум размаха амплитуды напряжения НЧ шумов в полосе 0,01-1 Гц, это не гарантирует отсутствие у них телеграфной (взрывной) составляющей, определение которой выходит за рамки ГОСТ 18986.23-80: