Всех с Новым Годом и Рождеством!
Хочу спросить совет у опытных, ибо сам программист и электронику знаю весьма поверхностно. Особенно аналоговую. Озадачился тут попробовать изменить схему измерения температуры в своем мультиметре, т.к., на мой вкус, схема сделана несколько бездумно, не совпадает с "задуманным" и имеет негативное влияние на другой режим (земля коммутируется при выборе режимов). Хочется переделать и подключить минус термопары к земле. Подробности спрятал под спойлер.
Спойлер
Из-за схемы температуры требуется коммутировать землю, и в режимах измерения параметров (R, C, диодов) в измеряемую величину включается переходное сопротивление переключателя режимов (причем дважды), а т.к. оно плавает, то не спасает и режим REL, повторяемости результатов на малых величинах нет. Одно из двух этих сопротивлений я исключил, а вот второе связано с температурой, т.к. вместо земли на минус термопары подается положительное напряжение смещения. В девайсе есть еще проблемы, но это пока отложено на потом. В свое время я переписывался с производителем, описывал проблемы, в итоге даже получил принципиальную схему, что и позволило устранить первое сопротивление. Т.к. имелся "образец" в виде схемы UT61E, построенного практически на том же чипе, сравнивал с ним и оценивал, как и что. А вот невозможность подключить сигнальную землю к гнезду СОМ никак не получалось решить. Задумался о доп. коммутации и изменении разводки селектора режимов, но достойного решения не нашел. В тоге забил, работать же можно. А тут снова в разговоре о нем вспомнили, и видимо простимулированный легким новогодним возлиянием мозг вдруг родил схему, про которую и хочу узнать мнение. Чтобы понять работу схемы и попробовать изменения, я набросал ее в Proteus (благо разобраться с рисованием там простой схемы можно за денек). Оригинальная схема выглядит так (обозначения элементов сохранил оригинальные), для симуляции только добавил термопару, задающую холодный спай (иного простого решения я не нашел):
Как я понял, здесь используется компенсация температуры холодного спая на диоде (1SS355, но в модели пришлось использовать 1N4148), а т.к. напряжение с него ощутимо выше напряжения термопары, то и на термопару подали напряжение смещения, его регулировка позволяет настроить показания. Я долго искал похожую схему, чтобы понять, как ее рассчитать, и верно ли я ее разбираю, но именно такой не нашел. Максимум, что диод подключен по одной из схем компенсации смещения ОУ, но никакого расчета к ней не было, лишь указание, что коэффициент усиления немного снижается. А еще на схеме была указана формула, под которую вроде как проектировалась схема (на рисунке сохранена), и у меня так и не получилось понять, откуда они берут эти дроби. И результат расчета не совпадал с формулой. Потому решил проверить симуляцией сначала. ADP и Vo в формуле это один и тот же выход, измеряется чипом как 0.1мВ / °С в диапазоне от 0 до 0.1 В. И действительно, симуляция показывает, что вместо формулы со схемы Vo = 2.5*T+ - 0.05*VF получается Vo = 2.446*T+ - 0.06349*VF. А это весьма близко к расчетам, хотя и не совпадает полностью. Больше всего смущает разница для VF (должно быть 0.05), т.е. компенсация сделана неправильно. И это подходит под реальное поведение - я прятал мультик в холодильник, показания разнились на несколько градусов. О том, как считал, под спойлером.
Спойлер
Как я понял, R41 можно "выкинуть" из расчетов, его влияние на усиление ничтожно мало, он здесь для того, чтобы при отсутствии термопары прибор пищал об ошибке (идет переполнение диапазона), и его с тем же успехом можно подключить на землю, чтобы без термопары девайс показывал комнатную температуру. В итоге я пытаюсь рассчитать усиление, приняв один из входов нулем (либо VF, либо T+). Коэфф. усиления для T+ получился [1 + R79 / (R78 + R76 || R23 || R74)] = 2.446, совпало с моделью. А по инверсному входу для VF как [ R76*R79 / ( {R23 || R74}*(R78+R76)+R78*R76 ) ] = 0.06445, немного не совпадает (зато совпало с переделанной схемой). Но подозреваю, что где-то напортачил.В принципе, я нашел еще одну схему, уже из мультиметра с измерением температуры на том же самом чипе. Причем ее моделирование показало не в пример лучшие показатели, компенсация холодного спая работает очень хорошо, разница не больше градуса.
Можно было бы дальше не идти, наверное, а просто попробовать ее собрать и навесным монтажом заменить одно на другое, в принципе даже хватит первого каскада ОУ, а второй оставить. Но захотелось минимум вмешательств.
Идея лежала на поверхности - вместо смещения термопары "сместить" вниз напряжение с самого диода. Но никак не придумывалось, как сделать небольшое смещение относительно земли. Меньше вольта. Вариант пришел неожиданно. А что если взять за опору не землю, а +1.24В с опорного источника, и -3В (в девайсе двуполярное питание) в качестве источника отрицательного напряжения. Тогда получится зеркальный ИОН, но с настраиваемым напряжением для юстировки показаний. В модели взял тот же LM385, но по идее его можно заменить любым другим. И тогда к существующей схеме добавляется небольшая обвязка в виде регулируемого отрицательного опорного напряжения на нескольких элементах (RR1-RR4 + UR1). А минус термопары подключить к земле, т.е. в самом девайсе можно будет перманентно соединить земли с гнездом COM. С изменениями схема получилась такой:
И моделирование даже показывает практически идентичное ее поведение оригинальной (в симуляторе разница не превысила 0.03 °С, а формула выхода ADP = 2.446*T+ - 0.06445*VF, совпадающая с расчетами). Но... Собственно тут накопились вопросы...
1. Можно ли применять такой расчет (привязка входа к земле) для схемы? Чтобы получше понять ее. Смущают разные результаты.
2. Новая схема имеет право на жизнь? Или сделать первый каскад с компенсацией на диоде по найденной схеме, благо ее поведение в симуляторе хорошее.
3. Новая схема имеет повышенное потребление питания, но по идее это можно исправить увеличением R16 без влияния на ее свойства? В моделировании вроде проходит.
И два главных вопроса.
4. Ток через диод получается в 2 с лишним раза выше. Однако симулятор выдает примерно те же изменения падения на переходе от температуры (задаю разное значение параметра TEMP в свойствах диода). Если для оригинальной схемы я получаю -2.09 мВ/°С для диода, то в новой -2.08 мВ/°С при вдвое большем токе. И если я увеличиваю R73, чтобы ток сделать, как у оригинальной схемы, то получаю уже -2.15 мВ/°С. А вроде как при одинаковом токе эти значения должны быть одинаковыми... Я чего-то не догоняю тут.
5. Как лучше изменить коэффициент усиления для VF, чтобы компенсация холодного спая стала точнее? Я пока только увеличением R74 это пробовал делать на модели.
PS: на переделанной схеме забыл отключить от термопары R25, но это на результаты не влияет.
PS2: с вопросом 4 вроде стало понятнее, т.к. при изменении падения напряжения на диоде меняется и ток через него, и при увеличении R73 в новой схеме изменение тока больше, оттого и значение мв/°С больше.