Модернизация советских цифровых вольтметров типа В7-хх

[serg-el]

khach писал(а):

PHILIPS XL7900 Vibrating Capacitor
Вроде на нем Keithley 640 был сделан.

Думаю, вам пригодится.
https://doc.xdevs.com/doc/_Metrology/fe ... source.pdf
http://www.electrostatics.org/images/2017_E2.pdf

[khach]

serg-el писал(а):

Думаю, вам пригодится.

Спасибо, это уже читал но хорошо что все собрано в одном месте. Вот потихоньку обдумываю электронику для электрометра с динамическим конденсатором. Если не делать аналогового синхронного детектирования а потом АЦП, а сделать прямую оцифровку модулированного сигнала и потом синхронное детектирование в цифре или ФФТ преобразование сделать с расчетом амплитуды - выиграем ли по шумам? В древние времена такой принцип обработки сигнала был не рациональный по вычислительным затратам, а сейчас любой АРМ с этим справится, за одно и автоподстройку резонансной частоты и амплитуды колебаний ДРК можно на втором канале АЦП реализовать ( и оценку нелинейных искажений ака перегрузки по второй гармонике) . Ну и от шумов на постоянке уходим- не секрет что многие операционники на околонулевых частотах шумят намного сильнее чем при отстроке по частоте.

[bsw_m]

Если говорить про ДРК-6, то он как раз и сделан так, чтобы и амплитуда и частота были очень стабильны, и любое вмешательство извне приведет только к дополнительным нестабильностям.
Насчет же того, чтобы избавиться от синхронного детектирования, тут тоже не стоит. Уровень сигнала после синхронного детектора весьма приличен и на его фоне собственные шумы ОУ ничтожны.
Собственно, еще и по этой причине усилитель в В7-45 имеет архитектуру модулятор-демодулятор. К слову, вынесение детектирования в цифру, автоматически потребует установку и ЦАП для работы контура обратной связи и тут придется решать кучу возникающих вопросов.
Насчет же шумов, если опять таки вернуться к В7-45, то мы имеем интегрирующий усилитель тока, т.е. на его выходе мы имеем не постоянное напряжение соответствующее входному току, а линейно изменяющееся с крутизной соответствующей скорости нарастания. Что имеет смысл реализовать в цифре - это процедуру дифференцирования (вычисления входного тока исходя из крутизны ЛИН), при правильной реализации тут уже можно говорить о некотором снижении уровня шумов и увеличении точности.

[khach]

Внимательно слежу за развитием темы на eevblog-e. Там, где обмотки ДРК перемотали. Вопрос- какова индуктивность и число витков оригинальной обмотки? Имеет ли смысл в самодельный аналог ДРК поставить фабричные обмотки от РЭС-9? Их много есть в наличии одинаковых и они крепятся винтами к корпусу, поэтому их легко снять. Внешнюю часть сердечника (стаканчик) можно выточить новый.
Подскажите, их чего имеет смысл сделать конденсаторы интегратора? Оригинальные не доступны.
Второй вопрос- существовали ли электрометры на динамическом конденсаторе с дифференциальным входом? Как в этом случае может выглядеть конструкция ДРК? В одном из патентов нашел вот такую конструкцию, но это не совсем то для дифференциального электрометра.

И вопрос- имеет ли смысл делать динамический конденсатор с вращающимся ротором с безщеточным электроприводом? С одной стороны такая конструкция позволяет получить более высокие частоты модуляции, с другой- непонятно как делать контакт к вращающейся части, чтобы не получить шумы дополнительные.

Вложения

3-474754-patents.su.jpg

(63.55 KiB) Скачиваний: 3762

[MegaVolt1976]

khach писал(а):

Внимательно слежу за развитием темы на eevblog-e. Там, где обмотки ДРК перемотали.

Что за тема?

[Mickle]

eevblog.com/forum/metrology/v7-45-electrometer-made-in-belarus-(welcome-in-attoamps-world)/

[bsw_m]

В В7-45 используется 3 интегрирующие емкости:
1. "Конструктивная емкость" установленная на ДРК, по сути воздушный конденсатор на примерно 11пФ
2. К71-7 1000пФ
3. К71-7 0.1мкФ

Насчет катушек, тут не подскажу, это надо считать, да и в целом, они крупнее оригинальных катушек ДРК.

Частота модуляции у ДРК-6 номинально составляет 285Гц, каков смысл ее повышения? В данном диапазоне у современных ОУ шумовая полка уже достаточно низкая.
Но если очень хочется, то частота повышается изменением размеров пластин (это если оставлять камертонную конструкцию).

Насчет дифференциального входа электрометра, вопрос, какой в этом смысл? Но если очень нужно, то как вариант, построение усилителя с 2-я ДРК и далее по цепочке.

[khach]

bsw_m писал(а):

2. К71-7 1000пФ
3. К71-7 0.1мкФ

Насчет дифференциального входа электрометра, вопрос, какой в этом смысл? Но если очень нужно, то как вариант, построение усилителя с 2-я ДРК и далее по цепочке.

пункт 2 это вот этот конденсатор?

А пункт 3- на плате электрометрического выносного блока?
Странно, я думал там тефлон стоит типа К72П или что по-лучше по утечкам.
Дифференциальный электрометр понадобился для измерения тока от весьма необычного бетавольтаического элемента с заземленной средней точкой. Честно говоря пока не могу придумать как синхронизировать два ДРК для дифф входа по частоте и фазе модуляции.

Вложения

W7-45-C1.jpg

(41.55 KiB) Скачиваний: 3682

[bsw_m]

Все верно.
Насчет К72П-6, я тоже удивлялся, почему не они, но тем не менее, как показала практика, К71-7 показали себя весьма хорошо.

Насчет синхронизации и т.д. то тут наверное стоит рассматривать усилитель на базе ДРК, просто как ОУ и исходя из этого строить дифференциальный усилитель-интегратор.

[bsw_m]

Уже прошло достаточно много времени с момента восстановления/калибровки моего В7-54/2, а калибровался он 11-го мая 2019-го года.
За это время, впрочем отголоски "хранения" дали о себе знать еще - ушел в обрыв транзистор, коммутирующий опорный ток в АЦП. Заменил сразу 4 транзистора в ключах, подобрав их по минимальной утечке через обратно-смещенный p-n переход.
Это привело к "съезду" нуля АЦП в -30емр, впрочем, это смещение убирается при запуске АВК.
По напряжению, прибор сравнивался с В1-18 в течение чуть больше года на 10В диапазоне и не показал никаких дрейфов (в том числе и после замены транзисторов).
Сегодня решил проверить измерение сопротивлений.
В качестве эталонных резисторов использовались резисторы РФП-2 производства Аякс, на 1кОм + 0.003% и 75кОм +0.0153%
Т.е. их фактические сопротивления составляют 1.000030кОм и 75.011475кОм соответственно. По ним же прибор и калибровался.
Собственно результаты обмера данных резисторов:


Погрешность на измерительном диапазоне 2кОм и сопротивлении эталона 1.000030кОм вычислить не удается.
Погрешность на 200кОм диапазоне и сопротивлении эталона 75.011475кОм составляет 3ppm
На мой взгляд, весьма неплохо.

Добавлено after 9 minutes 50 seconds:
P.S. За все время В7-54 на длительный срок никогда не выключался. Т.е. можно сказать, был включен постоянно.
Кстати, наверное могу дать уже определенные рекомендации владельцам приборов, в которых в качестве опоры используется стабилитрон 2С108: никогда не выключать.
Данный стабилитрон очень стабилен, но он должен работать постоянно, длительное обесточивание приводит к достаточно сильному дрейфу и длительному восстановлению напряжения стабилизации.
По 108-м был проведен эксперимент. Стабилитрон с хорошей наработкой и показывающий год одно и то же напряжение. был выключен на неделю. После включения и 4-х часового прогрева он показал дрейф в 15ppm, который "выбрался" только по после наработки в 5 суток после включения.

[bsw_m]

Mickle писал(а):

Я вообще не понимаю, почему В7-54 не имеет встроенного термостата Это ведь не батарейный прибор, и не карманный тестер на 3 разряда. К тому же в отличие от более новой серии 2С117, у стабилитронов 2С108 не регламентирована нелинейность ТКН, поэтому нахождение минимума ТКН ещё не гарантирует его обеспечение в диапазоне температур.

Перечитывал форум и увидел ваше сообщение.
На данный момент уже обладаю некоторой информацией от главного конструктора В7-54. Двойным отбором стабилитронов (производителем стабилитронов, по требованиям БЕЛВАР/МНИПИ, и уже собственным отбором на мощностях БЕЛВАР) удавалось отобрать стабилитроны с подгонкой тока стабилизации так, чтобы обеспечить практически нулевой ТКН в при изменении температуры в пределах 15-и градусов. Ну а отсутствие термостатирования повышало долговременную стабильность опоры...
Собственно на этот счёт были произведены исследования и изготовлена установка для автоматической разбраковки стабилитронов и подбора оптимального тока.

[oldbulb]

Вопрос к владельцам В7-38 - ваш В7-38 измеряет положительные или отрицательные сопротивления?
Отрицательная бесконечность:

Положительное сопротивление:

Отрицательное сопротивление:

[Mickle]

Мой показывал только отрицательные значения сопротивления.

[YellowColor]

Тоже только отрицательные

[oldbulb]

Интересно, почему в описании про это ничего не сказано. И зачем вообще знак минуса зажигать при измерении сопротивлений.

[YellowColor]

АЦП прибора измеряет постоянное напряжение. Значение сопротивления с определенной погрешностью эквивалентно напряжению на выходе блока, преобразующего значение сопротивления в напряжение. Это может быть генератор тока (как это и сделано в В7-38), может быть ОУ с включением измеряемого резистора в цепь ООС. И это напряжение отрицательное, по тем или иным причинам - может так получалось меньше элементов, дешевле, проще разводка платы и т.п. Омическое сопротивление отрицательным быть не может по определению, наверное поэтому разработчики оставили это без внимания.

[bsw_m]

Отсканировал ТО1 на В7-49(более читаемое, нежели скан от Андрея): https://yadi.sk/d/OTOKsH7hT5jiVg

[bsw_m]

Попался мне в руки весьма любопытный прибор, но если быть точнее, лишь половина прибора "блок регистрирующий" В7-57/1.
Исторически, В7-57/* - это последний электрометр разработки МНИПИ, дальше, насколько мне известно, уже были только пикоамперметры серии А2-*.
Главный конструктор данного прибора, тот же, что и у В7Э-42 - Володкевич А.А.
Насколько мне известно, прибор пошел в производство примерно в 1992 году, т.е. уже после развала СССР.
Данный прибор может измерять:
1. Напряжения до 200(100В для /2)
2. Токи с минимальным диапазоном 1Е-12 (1Е-15 для /2)
3. Заряды
4. Сопротивления.
Прибор, как и все "правильные" электрометры разработки МНИПИ на малых токах является интегрирующим прибором, т.е. преобразует входящий ток в линейно нарастающее напряжение на выходе токового интегратора.

Конструктивно оформлен в виде 2-х блоков: БР (Блок Регистрирующий, содержащий в себе блок питания, управляющий компьютер, АЦП, масштабирующий усилитель и дифференциатор) и БИ (Блок Измерительный, содержащий в себе все остальное).
К сожалению у меня не полный прибор, а только половина от него, но это тем не менее не помешало мне немного изучить его и сделать определенные выводы. Фото можно посмотреть тут: https://yadi.sk/d/mU1Thzv-UA1WVQ?w=1

Предварительно пару моментов:
АЦП в данном приборе 5.5 разрядный с полной шкалой 1В и имеет "перегрузку" до 100%, т.е. допустимый размах на его входе -2В...+2В, чувствительность соответственно 10мкВ.
Если говорить про разрядность, то сам прибор выдает 5.5 разрядов только в режиме вольтметра, при этом нижний диапазон 2В. АЦП построен по структуре динамического интегратора или же ШИМ (снова привет Solartron).

В режиме измерителя токов - только 4.5 разряда, в режиме измерителя сопротивлений до 1Е9 - 4.5 разряда, от 1Е10 - только 2.5 разряда, зачем ему так урезали разрядность при измерении сопротивлений - вопрос, увы пока без ответа.

В режиме вольтметра, входное напряжение без преобразований подается на диапазоне 2В(который является базовым для данного прибора и в то же время минимально возможным), остальные диапазоны реализуются с помощью делителя на резисторах С5-53, установленного на плате масштабного усилителя внутри БР. Данный усилитель имеет достаточно простую конструкцию - делитель напряжения на 10 и на 100, с входным сопротивлением 1МОм и буферный усилитель на КР544УД1.
Переключение диапазонов реализовано с помощью реле и ключей на КП307А. Так же на плате масштабного усилителя установлен фильтр, с возможностью его отключения. Данный фильтр отключен при установленном времени фильтрации 0.1с, при 1с и 10с - подключен, 10с реализуется математически.
Схема масштабирующего усилителя


Плата дифференциатора очень похожа на дифференциатор В7-45, с тем различием, что дифференцирующий конденсатор имеет номинал 0.5мкФ, а резистор обратной связи 20МОм. Такие номиналы нам дадут выходное напряжение в 1В при скорости нарастания 100мВ/с. При этом, компаратор находящийся на плате дифференциатора настроен на срабатывание при входном напряжении по модулю 10В. Исходя из этого можно посчитать что время цикла измерения у данного прибора составляет всего 100с, далее следует сброс и повторение цикла измерения. Время цикла измерения получается в 10раз меньше, чем у В7-45. Предположительно увеличение скорости ЛИН должно дать меньший уровень шума.
Собственно преобразование входного ЛИН в выходное напряжение реализовано по такой схеме:


Немного про метрологию данного прибора. Если посмотреть в спецификацию, то наименьшая погрешность, что можно там найти, составляет 0.05% и она реализуется только в режиме вольтметра на диапазонах 2В и 20В. Во всех остальных случаях погрешность прибора указана значительно выше.
Я решил проверить, что же БР покажет при подаче на его вход напряжений и с какой погрешностью он это покажет (по сути, составляющие данной погрешности - погрешность вносимая масштабирующим усилителем и непосредственно погрешность АЦП+его опоры).

Выводы достаточно обнадеживающие, АЦП, можно предполагать, имеет хорошую линейность. Впрочем, потратив некоторое время на исследования данного типа АЦП, от него действительно можно ожидать хорошей линейности. Так же погрешность вносимая АЦП и масштабирующим усилителем не превышает 0.002%, что при заявленной погрешности на прибор в 0.05% на этом диапазоне - весьма хорошо.

Раскапывая данный прибор несколько глубже, естественно были найдены несколько моментов, которые можно было бы еще улучшить (используя современную элементную базу), но об этом как-нибудь в другой раз.
Ну и еще 2 картинки с работой уже дифференциатора прибора.

В данном эксперименте на вход дифференциатора БР В7-57/1 подавалось ЛИН со скоростью примерно 10мВ/с (на самом деле не 10мВ/с, а с учетом калибровочных коэффициентов НК4-1).
Соответственно дифференциатор преобразовывал ЛИН в постоянное напряжение, которое уже и измерял АЦП. Надо отметить, что установленные диапазоны на приборах не имеют никакого значения.
Что еще могу сказать, прибор в целом похож на В7Э-42, но с определенными упрощениями:
1. Отказ от масштабирующего усилителя с периодической коррекцией нуля (с архитектурой как в В7Э-42 и В7-39) в пользу простого на одном ОУ, с периодической цифровой коррекцией дрейфа нуля (примерно раз в минут 30 - не засекал)
2. Отказ от навороченного дифференциатора на основе схем выборки-хранения в пользу классического дифференциатора на одном ОУ.
3. Так же разница в АЦП, в В7Э-42 использовался АЦП точно такой же как и в В7-45 - упрощенный MultiSlope от В7-39 с входным диапазоном -10В..+10В, в данном приборе применен динамический интегратор (ШИМ) с входным диапазоном -2В...+2В.
Насчет БИ, увы не могу ничего сказать...

В целом же прибор, по тем аспектам, что я смог изучить получился весьма неплохой для своего времени, несмотря на то, что прослеживаются некоторые компромиссные решения. Впрочем, свой В7-49 я бы на такой прибор поменял не задумываясь. Конечно было бы очень интересно изучить данный прибор полностью, его метрологию и поведение в работе. Но из-за отсутствия БИ и реального шанса найти БИ равного нулю, это невозможно.
P.S. Прошивку прибора выкладывать не стал из соображений, что прибор весьма редкий и делался по сути штучно, соответственно вероятность его попадания в руки радиолюбителя я бы сказал, равна нулю.

[strannik2039]

Здравствуйте уважаемые форумчане. Да, действительно, прибор интересный. Но у меня от него пока ещё только блок измерительный (БИ), вторая часть в пути.
Что касается БИ то тут всё предполагаемо. Восьми контактный коммутатор ( В7Э-42, В7-49, У5-11 последний обновлённый ), интегрирующие конденсаторы своего изготовления и фишка блока, может только у меня - макетная плата!

Фото можно посмотреть тут. https://yadi.sk/d/_BRruuQ0zlsPdw?w=1

[DSGhost]

Пардон, парни, что влезаю в живое обсуждение электрометров, но все же кое-какая ценная информация для владельцев вольтметров универсальных В7-46.

...Следующий мой шаг (после считывания прошивки), растянувшийся на несколько лет, был доработка штатного "стабилизатора цифрового".



Как известно, частота работы преобразователя находится в слышимом диапазоне, замечательно напоминает о необходимости как можно быстрее после измерений выключить прибор, и вообще достает.



Я делал несколько подходов к решению этой задачи, по мере опыта в ремонте электронной техники.

Первая попытка, которая прекрасно работает на В7-40, это снижение емкости конденсатора С9 (с 10nF до 1nf), который по переменке влияет на обратную связь. На В7-40 это работало, здесь - нет. Как ни играйся емкостью С9 - частота сильно не увеличивалась.

Ладно, на несколько лет отложил вопрос.
Потом опять вернулся - стал играться с дросселем. И так и сяк, и количество намотки и магнитопровод и сечение - все как-то не так, преобразователь либо "улетал", либо пищал.

А прошлым летом меня это вконец достало, и я стал "в лоб" сравнивать схемы от В7-40 и В7-46 и пытаться понять, почему на В7-40 конденсатор С9 влияет на частоту работы преобразователя, а на В7-46 такой номер не проходит, учитывая, что обе схемы по силовой части построены примерно одинаково.

И тут меня постигла удача.
Как оказалось, в схеме В7-46 защита преобразователя от КЗ на выходе построена иным образом, чем на В7-40. В нее включены транзисторы VT1, VT4, которые в случае КЗ начинают оказывать влияние на 15 ногу 142ЕП1 через делитель R8, R9. И вот тут и зарылась собака.
Делитель был рассчитан так, что при штатной частоте работы смещение по постоянке, оказываемое делителем, не влияло на работу преобразователя, но как только мы пытаемся увеличить частоту с помощью конденсатора С9 - наше смещение по постоянке не дает преобразователю "разгоняться".

Более того, вся эта система защиты от КЗ на выходе работала так себе, через пень-колоду.
При жестком замыкании 5В выходного напряжения на массу, ключевой транзистор закрывался не полностью, а продолжал частично работать, управляемый 142ЕП1, и не израсходованную мощность рассеивать на себе.

Опытным путем и игрой с резисторами плеч делителя я добился с одной стороны - возможности "разгонять" преобразователь до нужной мне частоты, с другой стороны - при "жестком режиме" перехода в состояние "КЗ по выходу" полностью останавливать работу преобразователя, что в общем-то и должна обеспечивать данная часть схемы.

Что имеем по итогу - R8 и R9 должны иметь номинал в 22 КОм каждый.



Таким образом, изменяя номинал C9 и R8, R9 мы влияем на частоту работы преобразователя.



Что касается последствий, вызванных доработкой, я попытался их учесть.
По температуре после нескольких часов прогрева в изначально пищащем вариант дело обстояло так: меньшая температура - температура дросселя, бОльшая температура - температура ключевого транзистора.



После доработки температура выросла, но осталась во вполне допустимых пределах.



По пульсациям на выходе преобразователя - после доработки они стали меньше.
Существенно. В несколько раз по амплитудному значению. Жалко фото утеряно.

Если еще что-то вспомню - допишу.

Дерзайте

P.S. Вопрос с точными номиналами резисторов делителя не давал мне покоя, и на работе я таки разобрал В7-46 с целью посмотреть и вспомнить, что я точно делал с делителем и какие резисторы устанавливал. Подкорректировал основное сообщение.

Добавлено after 8 hours 49 minutes 45 seconds:
Немного подкорректировал свой пост.