Входной ток смещения вольтметров и мультиметров

[Mickle]

Входной ток смещения вольтметров и мультиметров

Как правило, типичная величина входного тока записана в ТТХ вольтметра мелким шрифтом в примечании как третьестепенный параметр, а иногда и не указана вовсе. Казалось бы, это вовсе не то, о чём нужно думать при измерении с помощью вольтметра. Но всякий раз, когда наблюдаешь странные и подозрительные показания прибора при измерении больших сопротивлений или напряжений в высокоомных цепях, стоит задаться вопросом: "а может что-то не так с входным током?" Именно в такую ситуацию я попал с универсальным вольтметром АКИП В7-78/1. Имея привычку перед ответственными измерениями предварительно характеризовать прибор по входному току, я как обычно переключал входное сопротивление на 10 МОм и всякий раз с удовлетворением наблюдал падение напряжения на внутреннем сопротивлении прибора около 300 мкВ. Последняя величина говорила о том, что входной ток составляет ~30 пА и находится в полной гармонии с указанными в спецификации типовыми 30 пА. Однако, не смотря на это обстоятельство, я всё чаще стал замечать существенные отклонения показаний от расчётных, стоило превысить внутреннему сопротивлению контролируемой цепи планку в 10 кОм. Как потом оказалось, причиной столь странного поведения явилась утечка затвора одного из ключей на входе вольтметра. Это ключ был соединён последовательно с 10-МОмным делителем и формировал таким образом паразитный источник тока с силой -2,4 нА. Хотя история закончилась полным выздоровлением прибора, осадок всё же остался. Поэтому я решил на всякий случай перемерять входной ток смещения у всего, до чего смог дотянуться

Поскольку электрометры мне недоступны, оценивать входной ток я решил старым дедовским методом по падению напряжения на высокоомном резисторе. В качестве такового удобно использовать фиксированное входное сопротивление (10 МОм) контрольного мультиметра, который собственно и будет измерять падение напряжения. Все соединения приборов выполнялись экранированным кабелем. Частота измерений выбрана равная частоте сети, т.е. 50 изм./с. Это позволило, с одной стороны, устранить влияние наводок, а с другой - исследовать не только среднее значение тока, но и его динамику в полосе до 25 Гц.
На всех нижеприведенных графиках по оси ординат сила тока в пикоамперах, по оси абсцисс - число периодов сети (1 PLC = 0,02 с). Вначале проведено испытание самого контрольного мультиметра модели GDM-79061. Как видно, его собственный входной ток составил около 4 +/-0,5 пА. В дальнейшем величина 4 пА вычиталась из всех результатов измерений как систематическое смещение.



UT61E на пределе 400 мВ просто чудесен. Небольшие периодические выбросы обусловлены инъекцией заряда ключами, которые отключают вход на период Autozero.



HP 34401A. Становится интереснее. Статическая часть входного тока невелика, всего 3 пА. Она формируется утечками ключей селектора входов, ОУ вспомогательного буфера x1 и дифференциальной пары полевых транзисторов первого каскада масштабного усилителя перед АЦП. Однако есть и динамическая часть, обусловленная коммутационными процессами при системной автоматической коррекции нуля. Снизить влияние этих процессов призван дополнительный ключ PRE и буфер x1, которые обеспечивают быструю и невидимую для входа мультиметра перезарядку паразитных ёмкостей после того, как измерение нуля уже выполнено и требуется подключить к входу масштабного усилителя полезный сигнал. Впрочем, буферный ОУ х1 сам не идеален и имеет конечное напряжение смещения нуля, которое формирует разность потенциалов на ключе MC после предварительной зарядки и снижает эффективность подавления бросков тока при включенном режиме Auto Zero. Чтобы этого не происходило, напряжение смещения компенсируется сигналом с ШИМ ЦАП, величина которого определяется в итерационной процедуре в процессе калибровки прибора (ещё бы знать, где конкретно).



АКИП В7-78/1 (после ремонта). Ничего необычного. Прецизионный zero-drift ОУ во входном буфере имеет частоту сэмплирования смещения нуля 2,5 кГц, что вполне очевидно никак не может отразиться на графике.



GW Instek GDM-79061, теперь в режиме с включенным AutoZero (авто-калибровка нуля и масштаба). Хотя средний ток почти не изменился, появились отрицательные выбросы с частотой около 12 Гц. Причина этого не вполне очевидна, т.к. вся коммутация опорных сигналов для автоматической калибровки нуля и масштаба происходит после входного буфера. Однако можно заметить интересную особенность: элементы одного и того же интегрального ключа U602 задействованы как на входе буфера (селектор источника сигнала), так и на выходе. Причём, ключ на выходе буфера периодически размыкается на время выполнения авто-калибровки. Авто-калибровки нуля и масштаба чередуются через одно измерение. При частоте сэмплирования мультиметра в этом режиме около 23 Гц, каждое второе измерение полезного сигнала сопровождается следующим за ним измерением ИОН +7 В. Вполне вероятно, что небольшие утечки в ключах U602 могут вызывать заряд C635 и изменение напряжения на входе буфера, в то время, как АЦП измеряет ИОН +7 В.



Datron 1271. Ничтожный входной ток. Мультиметр не имеет режима Auto Zero, но зато его входной усилитель стабилизирован по постоянному току с помощью канала МДМ. Последний тактируется от RC генератора с частотой примерно 18-19 Гц. На графике наглядно видно инъекцию заряда ключами модулятора именно с такой частотой.



Solartron 7081. схожая ситуация. Входной усилитель так же стабилизирован по постоянному току МДМ, однако последний синхронизирован с сетью, т.е. частота модуляции 50 Гц. В силу этого довольно странно выглядит на графике пила с частотой 10 Гц. Объяснить затрудняюсь.



Advantest R6581T. Имея структуру аналогового тракта, схожую с HP 34401A, удивляет тем, что в нём не предусмотрены никакие меры по уменьшению коммутационных помех при активированном режиме Auto Zero. Результат, как говорится, на лице графике: импульсы под 600 пА при среднем токе -6 пА. И это с учётом того, что контрольный мультиметр с ограниченной полосой частот.

[TEKTRON]

Эх, хорошо, когда входной ток в прибор ВХОДИТ. Просто, понятно, вольготно. Хуже, когда он ВЫХОДИТ .
На моём НР34401 при подаче 10 В с ИОНа через 10 МОм показания увеличиваются .
Дальше констатации сего печального факта пока не продвигался - руки не доходят..

[Mickle]

Так же, как и в случае ОУ, направление входного тока смещения может быть любым. Т.о. из-за падение напряжения на последовательном резисторе хотя бы при одной из двух полярностей входного напряжения вольтметра его показания будут завышенными.

[uvn]

Siglent SDM3065X (6 1/2 разряда). Скорее всего по поведению похож на АКИП В7-78/1.
Обещают: Input Offset Current 50 pA, 25°C, typical

Измерялось косвенно: подключение ко входу качественного плёночного конденсатора на 0,1 мкФ и переключения входа на R>10 ГОм.
На пределе 200 мВ измеренное напряжение линейно нарастало (заряжало конденсатор) со скоростью 24 мВ/мин.

Это соответствует току 40 pA.

[Slavan65]

Поломался HP 34401a. Очень большой паразитный ток. Без щупов показывает 20 мВ, на постоянном напряжении. Подскажите что делать.

[Mickle]

1) Запустить полное самотестирование.
2) Уточнить, что изменилось в показаниях мультиметра. Особенно при измерении нуля и полной шкалы на пределах 10 и 100 В.

[Slavan65]

Ошибок нет. В показаниях мало что изменилось. При замкнутых щупах показания около 6 в последнем разряде. Проработал не выключаясь двое суток показания теперь 200,при режиме 5 разрядов на постоянном напряжении. Но раньше было 50.Откуда взялся такой сбой. Какие детали за эти параметры отвечают. Заранее благодарен.

[Mickle]

Показания 200 и 50 мкВ (если я вообще правильно понял, что такое 200 и 50) - это ток смещения всего 20 и 5 пА. Так что всё в норме и беспокоиться совершенно не о чём. Почему было раньше 20 мВ - теперь остаётся только догадываться. Причины могли быть как внешними (сырость в помещении, точка росы, разлитый кофе и пр.), так и внутренними. "Какие детали за эти параметры отвечают" перечислить конечно не трудно, т.к. их всего две. Вот только в вашей ситуации это знание ничем не поможет.

[Slavan65]

Пожалуйста назовите эти детали, мануал у меня есть. Просто ремонтом такой точной техники и специализации никогда не занимался. Навыки по ремонту электроники конечно есть.

[Mickle]

Выделены на схеме зеленым цветом. Дерзайте.

[Slavan65]

Спасибо. А этот большой коммуникатор микросхема PLCC. Они продаются на али экспресс. Их программировать не нужно, под 34401?

[Mickle]

U101 - это аналоговая ASIC (сборка MOSFET ключей и ОУ), т.е. программировать в ней нечего. То, что продают на алиэкспресс, это либо демонтаж с утилизированных мультиметров (с последующей перемаркировкой уже без логотипа HP/Agilent), либо просто фейки. Других вариантов быть не может.
В любом случае, прежде чем думать о замене компонентов, проблему нужно сначала диагностировать и локализовать её источник.

[Slavan65]

Хорошо, большое спасибо за консультации. Если возникнет опять большой сбой тогда уже буду думать что делать. А вы, если что ремонтом такой техники не занимаетесь?

Добавлено after 20 minutes 11 seconds:
И ещё вопрос. Прибору 20 лет. Имеет ли смысл поменять электролиты и танталы по питанию. На форумах пишут что они бывает сгорают.

[Mickle]

Делать или не делать предупредительный ремонт с заменой танталов - каждый эксплуатант решает самостоятельно, взвесив за и против. Лично я такую замену не проводил.

[Slavan65]

Здравствуйте, скажите пожалуйста. Некоторые обладатели 34401 пишут, что у них показания при включении около 20 мкв, без щупов, и прибор готов к работе менее чем за минуту. Это реально попадаются такие экземпляры.

[bsw_m]

Входной ток моего В7-54/2.


К сожалению эта красота портится при реальных измерениях работой периодической коррекции нуля. Которая отключает источник, закорачивает вход вольтметра, затем снова подключает источник. И все это помноженное на входную емкость в 1000пФ, несложно посчитать броски тока, при измеряемом напряжении, скажем 10В. Одно хорошо, периодичность работы коррекции нуля примерно раз в 5 минут.

[musor]

периодичность работы коррекции нуля примерно раз в 5 минут.

в это слабо верится мож 5сек??? или 5 ГЦ просто за 5 минут там 100500раз все уплыть успеет и вернутся взат и стова плыть...
ка все пичално а знаменитых цешек 83х сериии и дт920х кто мерить будет -резултат в студию! а то лабораторку профэсор НЕ ЗАСЧТЕТ...

[bsw_m]

musor писал(а):

в это слабо верится мож 5сек??? или 5 ГЦ просто за 5 минут там 100500раз все уплыть успеет и вернутся взат и стова плыть...

Не успеет, там усилитель сам по себе сверхстабилен. А коррекция в этом приборе, как я предполагаю - скорее нужна для АЦП. Вот его ноль может незначительно сдвинуться от изменения температуры.

Последний раз редактировалось bsw_m Сб мар 20, 2021 16:01:13, всего редактировалось 1 раз.

[Slavan65]

А ещё что интересно, даже если передвигаться в метре от прибора показания начинают сильно прыгать. Опять же без щупов. Какие физические процессы здесь работают.

[musor]

пьезострикция