В данной статье на всякий случай уменьшил разрешение крупноплановых фотографий, схемы и фото общих планов оставлены в высоком разрешении.
КАЛИБРАТОР НАПРЯЖЕНИЯ FLUKE-343A.Disclaimer:
Нижеследующий текст не является призывом к повтору изложенных действий, а всего лишь содержит описание шагов, предпринятых автором самостоятельно. Автор указанного текста не даёт никаких гарантий работоспособности или полезности модификаций для любого экземпляра прибора. Автор не несет никакой ответственности за реальный или предполагаемый ущерб, причинённый вашей собственности, данным или здоровью в результате прочтения нижеследующего текста. Читатель должен понимать, что любые свои действия он предпринимает на свой собственный страх и риск, полностью осознавая вероятность отрицательных последствий.1. Обзор.
Калибратор напряжения Fluke 343A представляет собой прецизионный источник постоянного напряжения с возможностью установки выхода в семи десятичных разрядах (декадах).
В природе существует облегчённая модель, 341A, в которой на одну декаду меньше. Дальнейший текст относится только к модели
343A.
Максимальное выходное напряжение 1111,1110 В. Напряжение можно устанавливать в трёх диапазонах:
От 0 В до 11,111110 В с шагом 1 мкВ в диапазоне 10 В ;
От 0 В до 111,11110 В с шагом 10 мкВ в диапазоне 100 В;
От 0 В до 1111,1110 В с шагом 100 мкВ в диапазоне 1000 В.
Максимальный ток нагрузки 25 мА.
Для модели 343A изготовитель гарантирует метрологические параметры ТОЛЬКО при температуре 23
+-1 град. Цельсия, неизменном напряжении питающей сети и постоянной нагрузке на выходе. Формат представления метрологических параметров видится устаревшим, но возможно, я ошибаюсь.
Показатели представлены альтернативой (присутствует слово «или») из двух значений,
действительным является наибольшее из них. Другой вариант - сумма двух значений (отсутствует слово «или»). Для обоих вариантов
первое значение относится к величине уставки, второе - к текущему диапазону. Для удобства восприятия большинство значений из процентов пересчитаны в ппм (ppm, частей на миллион).
Схема прибора основана на стабилизированном прерыванием усилителе (в дальнейшем тексте -
СПУ):
В основе своей принцип работы прибора можно представить себе следующим образом:
В данном приборе общий провод (земля) соединён с положительным полюсом выходного напряжения (клемма
+SENSE).
Опорное напряжение
E reference совместно с резисторами переключателя диапазонов
RANGE создает ток
I_ref, ВТЕКАЮЩИЙ в суммирующую точку
SUM, к которой также подключен вход СПУ. В то же самое время, отрицательный полюс выходного напряжения совместно с резисторами семидекадного задатчика
BETA STRING создают ток
I_voltage_output, ВЫТЕКАЮЩИЙ из суммирующей точки
SUM. При равенстве этих токов потенциал точки
SUM равен потенциалу общего провода (земли), т.е. нулю. Таким образом, задачей СПУ и следующих за ним узлов является поддержание нулевой разности потенциалов между входами СПУ, что является тривиальной ролью для ОУ в инвертирующем включении. Получается, если исключить из рассмотрения цепи питания и переключателей, то функционально прибор фактически является мощным, высоковольтным, большим и тяжелым операционным усилителем
.
Вот полные схемы прибора в высоком разрешении:
Опорный ток
I_ref составляет: 10 мкА для диапазона 10 В, 100 мкА для диапазона 100 В и 1 мА для диапазона 1000 В. Сопротивление старшей декады задатчика – 100 кОм на деление, и в максимальном положении «10» составляет ровно
1 МОм. Следующая декада в 10 раз меньше и т.д. Применив закон Ома (при равенстве токов
I_ref и
I_voltage_output), легко увидеть верность наших предыдущих рассуждений.
Внутри прибор можно разделить на следующие три части:
- лицевая, где сосредоточены переключатели с прецизионными резисторными цепочками и индикаторы;
- левая, где находятся блок питания, цепи коммутации и силовой защиты;
- правая, где расположены ИОН, СПУ, выходной каскад регулятора, ограничители напряжения и тока.
Корпус прибора изолирован от выходного напряжения и его можно подключать к любой из выходных полярностей специальной перемычкой.
Фото внутренностей прибора имеется только в переделанном согласно последующим разделам виде.
2. Состояние по прибытии и ремонт. Замена главного усилителя.
Прибор был куплен с многозначительной характеристикой «
Power ON, no further testing», что означает только то, что при включении питания засветилась хотя бы одна индикаторная лампочка. Ну и ладно, посмотрим…
Т.к. на корпусе отсутствовали ножки, первым делом для обеспечения нормального режима вентиляции были установлены ножки от вольтметра Щ1516:
После установки правильного напряжения питания и включения выяснилось, что прибор не выдавал установленные напряжения. Поиск причины очень быстро привёл к выявлению нескольких высохших электролитических конденсаторов в цепях СПУ. После их замены работоспособность вроде бы восстановилась, но использовать прибор с 6-разрядными вольтметрами было невозможно. Стабильными были только первые 4 разряда, далее начинались регулярные «дыхания» напряжения вверх и вниз. Скорее всего это было вызвано биениями частоты «дискретизации» СПУ с частотой питающей сети 50 Гц. В дальнейшем ковырянии СПУ большого смысла не усматривалось, при наличии массы современных
zero drift ОУ.
Идеалом было признано использование
LT1052 [2] в 14- или 16-выводном варианте, однако случилось так, что эта микросхема исчезла из продажи наeBay. Ждать у моря погоды не хотелось, поэтому временно, на скорую руку было сооружено необходимое устройство на базе
MAX44246 [3]. Заодно можно было поэкспериментировать с точками «врезки» самоделки в основную схему и подбора оптимального режима работы. «Временное» внедрение MAX44246 было выполнено навесным монтажом и присутствует в приборе до сих пор, уже более двух лет
.
Для нормальной работы, а также для обесточивания неиспользуемых узлов, было:
- полностью удалён ОУ
IC1 (709).
- выпаяно по одному выводу у следующих компонентов:
Резисторы R128, R131, R133, R135, R142, R151, R161, R163, R165.
Конденсаторы C34, C36, C37, C38.
- Перемычкой замкнут конденсатор С43.
- Выпаяны по одному выводу R129, R170 для подключения к ним нового СПУ, подробнее см. на схеме ниже. Та же операция выполнена с R138 и R139, но их выпаянные выводы соединены вместе и отдельным проводником соединены с верхним по схеме выводом R173. Это необходимо для сохранения возможности подстройки нуля. На схеме все изменения показаны красным цветом, все дополнительные компоненты имеют в обозначении символ апострофа «’»:
Новый усилитель двухкаскадный:
Первый каскад на
DA’1.1 обеспечивает основное усиление, определяемое цепью обратной связи R’136.2+R136, R139||R138+R173.
R’136.2 добавлен для повышения коэффициента усиления (Ку).
C’1=0,1 мкФ должен быть плёночным и служит для подавления наводок. Изменять указанную ёмкость не рекомендуется, т.к. при уменьшении начинает появляться фон с частотой сети. При увеличении до 0,33 мкФ – замедляется реакция на короткие возмущения (например, при установке напряжения), а при увеличении C’1 до 4,7 мкФ схема самовозбуждается с периодом около 8-ми секунд.
Второй каскад на
DA’1.2+ R’1+R’2 является инвертором, т.к. оригинальный СПУ был именно инвертирующим.
R’3 нужен для исключения перегрузки DA’1.2 при срабатывании ограничителя CR56+CR57+R132.
Результаты нововведений будут обсуждены ниже.
3. Добавление ИОН.
Несмотря на то, что в приборе в качестве опоры использована знаменитая недокументированная микросхема SZA263, не оставляло желание соорудить что-то на LTZ1000, вот только времени никак не находилось. Более-менее прибор работал и так. Помогла неудача с HP34401, для которого год назад был изготовлен строенный ИОН. Ожидаемых высот с ним достичь не удалось, и решено было использовать его в 343-м. Вот схема финального варианта:
Питающие напряжения поданы ДВУМЯ парами проводов с точки
TP1(+24В) и общего провода с
отрицательного вывода C23 (земля). Одна пара - на питание подогревателей (цепи +24V_HEATER и GND), вторая - на всю остальную схему (цепи +24V и AGND).
Вернёмся к схеме нового опорника.
DA1, DA2, DA3 – LM399 [4].
R4, R5, R6 – токозадающие (около 1,3 мА на каждый).
R1, R2, R3 – суммирующие.
DA4:1 – масштабирующий усилитель, обеспечивающий на выходе требуемые
15,00000 В (+15REF). Максимальный ток 1 мА. R8+R9+R2.1+R2.2+RP1 устанавливают необходимый Ку.
DA4:2 – повторитель для питания стабилитронных частей DA1… DA3 (суммарно около 3,9 мА).
DA5+VD2 – дополнительный стабилизатор, понижающий входные 24 В до 18 В.
Этапы изготовления:
Добавочный ИОН закреплён на чёрной пластмассовой крышке, закрывающей от сквозняков детали оригинального ИОН:
Покопавшись в схеме, удалось выяснить, что как таковое, опорное напряжение использовано в единственной точке схемы – для питания резисторов переключателя диапазонов. Максимальный ток – 1 мА - вполне по силам ОУ без умощнения. Поэтому было принято решение не внедряться с новым ИОН в старую схему, а добавить его в дополнение, переключив на его выход ТОЛЬКО питание помянутого переключателя. Всё, что для этого потребовалось сделать – отключить коричневый (BRN) провод от точки (штыря) 23 и подать на него
+15REF с нового ИОН. Общий провод
AGND подключил к точке (штырю) 19 (GRY), а саму эту точку
отрезал от остальной земли и отдельным толстым (2,5 кв.мм) проводником дотянул до места, указанного красным на схеме (отрицательный вывод C23). Таким же проводником в ту же точку подсоединена цепь GND от подогревателей, и третий такой же провод дублирует тонкую печатную дорожку от остальной земли. Что-то вроде звезды
.
Если всё сделано правильно – должно работать.
4. Калибровка.
В документации описан довольно сложный способ калибровки, требующий ещё одного калибратора напряжения Fluke 332, делителя напряжения Fluke 750, нуль-метра Fluke 845A, нормального элемента и ещё 5-ти приборов. В принципе, для домашнего использования, этот набор инструментов можно заменить одним поверенным 7,5 или 8,5 – разрядным вольтметром. Для выполнения регулировок выкручиваем 6 саморезов крепления верхней крышки и сдвигаем крышку в сторону задней панели ровно настолько, чтобы обеспечить доступ к нужному подстроечнику. Не убирайте крышку полностью, т.к. это очень сильно нарушит температурный баланс внутри прибора. Калибровка выполняется в 2 этапа после минимум часового прогрева в следующей последовательности:
Предварительный этап:
a) Установка напряжения ИОН 15,0000 В (в доработанном варианте эту операцию следует выполнить и для старого, и для нового ИОН) относительно клеммы
+SENSE.
b) Установка нуля выполняется при нулевых уставках на всех декадах с максимальной точностью на каждом из диапазонов 10 В, 100 В, 1000 В. Для каждого диапазона существует свой подстроечник нуля.
c) Затем настраивается линейность трёх старших декад задатчика (порядок – от младшей к старшей) по следующему принципу:
Диапазон 1000 В.
К выходу подключен поверенный вольтметр.
На третьей декаде ставим максимальное значение (00
Х.0000) и записываем показания вольтметра. Затем переключаем задатчик в положение 0
10.0000 и подстроечником
DECK B1 выставляем записанное значение по вольтметру. Повторяем эти действия для пары уставок 0
1Х.0000 и 0
20.0000 подстроечником
DECK B2, затем для пары 0
3Х.0000 и 0
40.0000 подстроечником
DECK B4 и так далее для диапазонов и уставок по таблице на стр. 4-16 и 4-17 [1].
Закрываем крышку и
даём прибору прогреться в течение ещё 2-х часов на диапазоне 100 В.
Окончательный этап:
d) Повторяем установку нуля аналогично пункту b).
e) Повторно настраиваем линейность задатчика аналогично пункту c) для диапазонов и пар уставок на стр. 4-18 [1].
f)
Внимание! При проведении следующих регулировок на клеммах прибора и вольтметра появится опасное для жизни напряжение от нескольких сотен до более чем ТЫСЯЧИ Вольт! Соблюдайте положенные меры и правила безопасности при работе с таким напряжением!Настраиваем напряжения диапазонов следующим образом:
Диапазон 10 В. Задатчик ставим в положение 10.000000 (старшую декаду в максимум, остальные по нулям.) Подстроечником
10V RANGE ADJUST выставляем ровно 10,000000 В по поверенному вольтметру.
Переключаем на диапазон 100 В и подстроечником
100V RANGE ADJUST выставляем ровно 100,00000 В по поверенному вольтметру.
Далее ОЧЕНЬ ОСТОРОЖНО! Используйте только ИЗОЛИРОВАННЫЙ инструмент!
Если теперь переключить диапазон на 1000 В, сработает защита. Выход на максимальное напряжение возможен только ступенчато, начиная с напряжения не более 300 В. Поэтому ставим старшую декаду задатчика на 0, 1 или 2 и только после этого переключаем диапазон на 1000 В. Поочерёдно, с паузами в 5 секунд, увеличиваем уставку старшей декады до положения 1000.0000 и подстроечником
1000V RANGE ADJUST выставляем ровно 1000,0000 В по поверенному вольтметру.
После регулировки ступенчато, с паузами, понижаем выходное напряжение до нуля и переключаем диапазон на 10В.
На этом калибровка завершена.
5. Результаты.
После модернизации проверялась кратковременная (за 10 минут) нестабильность напряжений 10,00000 В, 100,0000 В и 1000,000 В от пика до пика (п-п) и СКО (среднеквадратичное отклонение, RMS) при постоянной (насколько возможно) температуре, и отдельно ТКН для 10,00000 В при изменении температуры. ТКН вольтметра (см. статью по 3458, вариант с оригинальным опорником на высокой температуре) учитывался. Контролировалась внутренняя температура вольтметра, достаточно точно следующая за изменениями температуры в помещении.
Заводские спецификации при питания от 60 Гц гарантируют для 343-го пульсации и шумы менее чем 50 мкВ RMS или 400 мкВ п-п, для напряжения 10В это соответствует 5 ппм RMS и 40 ппм п-п, что более, чем на порядок превышает полученные нами значения при питании от 50 Гц (следует отметить, что проверялись частоты примерно от 1 Гц и ниже, т.к. 10 plc отсчеты следовали каждые 424 мс). Выявить пульсации отдельными измерениями переменного напряжения с выхода прибора удалось с большим трудом. HP34401A был переведён в режим VAC, установлены медленный фильтр
SLOW (полоса с 3 Гц и выше) и максимальное разрешение. Собственные шумы с подключенным, но ЗАКОРОЧЕННЫМ на втором конце экранированным кабелем составили около 54 мкВ,
если я тоже держался за корпус прибора. Иначе - больше.
В режиме относительных измерений (нажата кнопка
NULL) и выходном напряжении 10 В показания составили
от 0,5 до 2,1 мкВ AC. Если я не держусь за корпус – 14 мкВ AC.
В диапазоне 100 В и выходном напряжении 100 В – не более
0,3 мкВ. Если не держусь – 12 мкВ AC.
В диапазоне 1000 В и выходном напряжении 100 В – не более
0,4 мкВ. Если не держусь – те же 12 мкВ AC.
Пока не получается провести прямые замеры, осмелюсь предположить, что измерены в основном наводки на вольтметр, пульсации на выходе калибратора исчезающе малы. Насколько обосновано такое предположение - судить более опытным в AC - измерениях товарищам
.
Для ТКН расчётный предел выглядит так:
3 ппм от установленного значения + 0,1 ппм от диапазона + 2 мкВ на один Кельвин. Подсчитаем для шкалы и уставки 10 В:
3ппм+0,1ппм+0,2ппм=
3,3ппм/КЭто более чем вчетверо превышает полученное нами значение.
Вывод – модернизацию можно считать успешной.
05-08.01.2017 TEKTRON.
6. Литература:
1)
Fluke 341A, 343A руководство по эксплуатации и обслуживанию. 2)
LTC1052.pdf 3)
MAX44246.pdf 4)
LM399.pdf