Генератор переменного тока Опции

[UralAlex]

Прошу совета у опытных.
Задача - генерировать синусоидальный сигнал со стабильной амплитудой ТОКА.
Питание схемы - от 3 до 5 В.
Нагрузка - индуктивная (катушка с сопротивлением 3-4 Ома, индуктивность 2-3 мГн).
Требования по стабильности: при амплитуде тока 10 мА отклонения не должны превышать 2 мкА в течение нескольких минут.
Температурный диапазон: от +10 до +40 Цельсия.
Частотный диапазон - от 1 до 5 кГц (с возможностью перестройки).

Попробовал собрать схему ИТУН (т.е. с обратной связью по току) на микросхеме TDA2822D, но результаты пока не устраивают. Стабильность амплитуды тока на уровне 20 мкА, что на порядок хуже требуемого.
Сигнал на схему ИТУН подавал с генератора Agilent 33220A. В дальнейшем в качестве генератора предполагается использовать либо ЦАП микроконтроллера STM32, либо отдельный ЦАП.

На форуме проскакивало сообщение про использование DDS вместе с токовым зеркалом, но без подробностей. Такая связка действительно может помочь?

Решение необходимо чем проще, тем лучше. Порекомендуйте, пожалуйста, литературу или схемное решение.
Если что-то забыл написать, могу уточнить.

Заранее благодарю за помощь.

[Tanya]

. В дальнейшем в качестве генератора предполагается использовать либо ЦАП микроконтроллера STM32, либо отдельный ЦАП.

ЦАП там 12-разрядный? Не укладывается в Ваши требования.
Одно из решений - на катушку подается напряжение, которое медленно подстраивается ПИД-ом по датчику тока - шунту. В цифровом виде - умножающим ЦАП-ом. В аналоговом... тут много вариантов.
Так компенсируется нагрев катушки.

[UralAlex]

спасибо за ответ, Tanya
В STM32 ЦАП действительно 12-битный. Но это не проблема - можно поставить, например, 16-битный DAC8531.
Я правильно понял, что Вы предлагаете построить систему с обычным усилителем мощности, а с токового резистора, который стоит последовательно с нагрузкой, брать сигнал, анализировать и подстраивать входное напряжение под требования выходного тока?
А какие требования к датчику тока? Это может быть просто точный резистор?

[stells]

Попробовал собрать схему ИТУН (т.е. с обратной связью по току) на микросхеме TDA2822D, но результаты пока не устраивают.

можно глянуть?

[Plain]

Речь в теме о кратковременной стабильности порядка 50 ppm, а не о дискретности синтеза сигнала, которая сейчас вовсе не указана и может быть любой.

Поскольку эталон тока создан эталонами сопротивления и напряжения, от них совокупно и требуется данная стабильность, что практически означает для них обязательный термостат.

[Tanya]

Речь в теме о кратковременной стабильности порядка 50 ppm,

А у меня выходит 200.

[Plain]

результаты пока не устраивают. Стабильность амплитуды тока на уровне 20 мкА, что на порядок хуже требуемого. Сигнал на схему ИТУН подавал с генератора Agilent 33220A.

Во-первых, у данного генератора требуемой стабильности амплитуды официально вообще никогда не было, а во-вторых, чтобы измерить данную нестабильность, требовалось иметь также в разы стабильнее и неуказанное средство измерения.

[Guest_TSerg_*]

Вообще-то +/-200 ppm для аналога и 30 лет назад не были проблемой, а уж сейчас-то
C5-61 вполне обеспечивали (и обеспечивают) +/- 150 ppm в диапазоне 30С

Из относительно современных это MPR24/34 PHILIPS/VISHAY с теми же +/- 5 ppm/C

[UralAlex]

Благодарю всех ответивших за развернувшуюся дискуссию.

To stells:
качественно нарисованной схемы под рукой нет, но она практически такая же, как по ссылке:
http://www.vegalab.ru/content/view/86/52/
Разница только в напряжении питания (в моем случае +3В).
Измерения проводились при НУ при комнатной температуре.
В качестве токозадающего резистора использовался обычный MFR100JT (0,2 Ом).
В качестве измерителя тока в цепи нагрузки - мультиметр APPA109N в режиме ~mA.
Нагрузка описывалась ранее.

Прошу дать рекомендации. Можно ли вытянуть что-то лучшее из схемы ИТУН? Что для этого нужно сделать?
Как создать термостат, упоминаемый в обсуждении?
Раз 30 лет назад +/- 200 ppm было не проблемой, должна быть масса литературы на эту тему. Просьба дать ссылки.

[Guest_TSerg_*]

Ссылку на что?
С5-60 и С5-61 - 100500 лет с +/- 5 ppm/C

По ОУ см. тут недавно:
http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=133041

P.S.
Если Вы не знаете, как все это соединить в работающее изделие в заданных условиях - создайте топик в разделе "Предлагаю работу"

P.P.S
У MFR100 менее +/- 15 ppm/C просто нет, что дает в Ваших условиях 450 ppm

[stells]

мультиметр APPA109N в режиме ~mA.

так это уже на пределе 20мА (погрешность 0,8%) 160мкА... да и делать прецизионный ИТУН надо наверное не на УМ с коэффициентом усиления порядка сотни, а на прецизионном ОУ

пс: с двуполярным питанием

Сообщение отредактировал stells - Feb 4 2016, 18:25

[UralAlex]

По ОУ см. тут недавно:
http://electronix.ru/forum/index.php?showtopic=133041

За ссылку спасибо.

так это уже на пределе 20мА (погрешность 0,8%) 160мкА... да и делать прецизионный ИТУН надо наверное не на УМ с коэффициентом усиления порядка сотни, а на прецизионном ОУ

пс: с двуполярным питанием

Как считаете, в качестве генератора на входе прецизионного ОУ можно использовать DAC8531 для поставленной задачи?

Двуполярное питание как влияет на прецизионность?

И что использовать в качестве измерителя переменного тока в нагрузке? Самое прецизионное средство, что мне доступно, это Tektronix DMM4050.

[stells]

Двуполярное питание как влияет на прецизионность?

оно позволит убрать с входов ОУ конденсаторы, которые заряжаются постоянным током входов этого УМ (Input Bias Current = 100нА)

[Guest_TSerg_*]

И что использовать в качестве измерителя переменного тока в нагрузке?

Есть разные варианты: абсолютный измеритель со всеми вытекающими или относительный (сравнивающий ) кратковременный.

[Plain]

Можно ли вытянуть что-то лучшее из схемы ИТУН?

Компаратор с нулевым смещением требуется для программной коррекции виртуального нуля — его выход можно либо обсчитывать в цифре, что вряд ли, либо интегратором.

Как создать термостат, упоминаемый в обсуждении?

Во-первых, если он требуется, т.е. если нужные эталоны много дороже него, а во-вторых, обыкновенно — какой-либо нагреватель, т.е. транзистор, управляемый от датчика температуры, вместе с обоими эталонами засунуть во что-то теплоизолирующее — как сказано выше, схема зависит только от R4 и ИОН ЦАПа, который здесь представлен в виде V2.

[UralAlex]

оно позволит убрать с входов ОУ конденсаторы, которые заряжаются постоянным током входов этого УМ (Input Bias Current = 100нА)

понял, спасибо

Компаратор с нулевым смещением требуется для программной коррекции виртуального нуля — его выход можно либо обсчитывать в цифре, что вряд ли, либо интегратором.

До конца не понимаю работу схемы.
Для чего используется выход компаратора - только для контроля тока при настройке схемы или дополнительно еще и для подстройки напряжения генератора в процессе работы?
Чем определяется ток через нагрузку: только входным напряжением от генератора V2 и резистором R4?
Если L1 будет варьироваться при неизменных прочих условиях, ток изменится?
Выходной ток проходит через U3?
Функция U1 - только создание средней точки?
В параметрах задающего сигнала синус смещен всего на 500 мВ?
Посмотрел данные на резисторы С5-61, ТКС от 10 до 30 ppm/C (от -60 до +20 C) и от 5 до 30 ppm/C (от +20 до +125 С). Т.е. 5 ppm - это в очень узком температурном диапазоне. Тогда в требуемом мне диапазоне от +10 до +40 С ТКС будет меняться от 5 до 10 ppm/C ?

[VCO]

Решение необходимо чем проще, тем лучше. Порекомендуйте, пожалуйста, литературу или схемное решение.

Проще ЦАПа тут мало что ещё придумаешь...

[Plain]

До конца не понимаю работу схемы.

Для исключения постоянного тока через нагрузку, получившиеся в результате разброса R1, R2, U1 и т.п. виртуальный ноль схемы, и создаваемый ЦАП'ом, должны быть равны — для этого добавлен U3, на выходе которого, при данном равенстве, будет меандр, каковое условие и должна выполнять программа. Как сказано выше, обсчитать этот меандр цифровым способом не получится, поэтому, как сказано тогда же, U3 требуется переделать в интегратор, за номинальным, либо ещё усиленным выходом которого, уже можно легко следить посредством АЦП микроконтроллера.

[UralAlex]

Для исключения постоянного тока через нагрузку, получившиеся в результате разброса R1, R2, U1 и т.п. виртуальный ноль схемы, и создаваемый ЦАП'ом, должны быть равны — для этого добавлен U3, на выходе которого, при данном равенстве, будет меандр, каковое условие и должна выполнять программа. Как сказано выше, обсчитать этот меандр цифровым способом не получится, поэтому, как сказано тогда же, U3 требуется переделать в интегратор, за номинальным, либо ещё усиленным выходом которого, уже можно легко следить посредством АЦП микроконтроллера.

И все-таки не могли бы вы объяснить, как рассчитывается ток в нагрузке?
Попробовал смоделировать схему в мультисиме, такой радужной картинки, как была приведена у вас, не получил. Периодика в нагрузке (но не синус) получается только тогда, когда амплитуда сигнала генератора и напряжение смещения равны 1,65 В. В других случаях на выходе компаратора U1B (на вашей схеме U3) высокий уровень, равный напряжению питания. Отличие моей схемы от вашей только в U2 (на вашей схеме U1), так как не нашел SPICE model LTC6247, поставил LTC6240.

[Plain]

1,65 / 50 = 0,01 — это господин Ом сейчас в гробу, как кабан на вертеле. И вообще непонятно, как Вы там хоть что-то видите в таком густом виртуальном дыму — ведь от –1,65 В на входе U1A от неё моментом остались лишь одни виртуальные головешки.

[UralAlex]

1,65 / 50 = 0,01 — это господин Ом сейчас в гробу, как кабан на вертеле. И вообще непонятно, как Вы там хоть что-то видите в таком густом виртуальном дыму — ведь от –1,65 В на входе U1A от неё моментом остались лишь одни виртуальные головешки.

Ценю ваше чувство юмора и принимаю критику.
Все-таки еще несколько вопросов, если позволите:
1. Предложенная схема была когда-либо вами испробована на практике?
2. Про эту схему или ее части можно где-то прочитать?
3. Вместо компаратора можно ли поставить, например, пиковый детектор? Почему предложили именно компаратор? Ведь все-равно, как вы сами писали ранее, нужно ставить до АЦП интегратор.
4. Насколько я понимаю, схема очень требовательна к стабильности напряжения питания, т.к. от него будет зависеть "виртуальный ноль схемы". Я прав?
5. Каковы критерии выбора U1 (в вашей схеме)? Почему нельзя было поставить LTC2052 ?
Заранее благодарю за потраченное вами время.

[stells]

4. Насколько я понимаю, схема очень требовательна к стабильности напряжения питания, т.к. от него будет зависеть "виртуальный ноль схемы". Я прав?

угу... наверное лучше тогда (при создании виртуального ноля) ЦАП развязать по постоянке:

V2 - ЦАП, V1 - виртуальный ноль

[UralAlex]

угу... наверное лучше тогда (при создании виртуального ноля) ЦАП развязать по постоянке:

V2 - ЦАП, V1 - виртуальный ноль

мысль понятна
При этом V1 может отличаться от Uпит/2 ? Главное, чтобы уровень был больше 1В и меньше 2,3В? Например, в качестве V1 может выступать ИОН на 1,25 В?

[Plain]

и принимаю критику

Подтвердите это документально.

[UralAlex]

Подтвердите это документально.

"Лапы, хвост и усы - вот мои документы".

Выставил на генераторе смещение 1,65 В, амплитуду 500 мВ:



Правда, фронты прямоугольника некрутые.

[Plain]

1. Предложенная схема была когда-либо вами испробована на практике?
2. Про эту схему или ее части можно где-то прочитать?
3. Вместо компаратора можно ли поставить, например, пиковый детектор? Почему предложили именно компаратор? Ведь все-равно, как вы сами писали ранее, нужно ставить до АЦП интегратор.
4. Насколько я понимаю, схема очень требовательна к стабильности напряжения питания, т.к. от него будет зависеть "виртуальный ноль схемы". Я прав?
5. Каковы критерии выбора U1 (в вашей схеме)? Почему нельзя было поставить LTC2052 ?

1. нет;
2. любой ликбез по ОУ;
3. ПД понадобится двуполярный, затем помповый выпрямитель и в конце всё тот же интегратор, но зато да, работает такое быстрее на порядки;
4. если R1 и R2 подключены к ИОН, не требовательна и не зависит;
5. разбросы/дрейфы R1, R2, U1 и т.п. компенсируются коррекцией нуля, нет никакого смысла ставить что-либо выдающееся.

[UralAlex]

5. разбросы/дрейфы R1, R2, U1 и т.п. компенсируются коррекцией нуля, нет никакого смысла ставить что-либо выдающееся.

Спасибо за ответы на вопросы.
По последнему можно уточнение? В схеме ведь задействовано 2 канала LTC2052 из 4-х. Тогда почему нельзя обойтись одной микросхемой? По какой причине необходим LTC6247? Он ведь тоже не прост: "dual 180MHz, 1mA Power Efficient Rail-to-Rail I/O Op Amps".

[Plain]

Просто я не вникал ни в количество каналов LTC2052, ни в ТТХ LTC6247. Основной LTC2052 остался от предыдущей идеи, а вообще-то, по причине всё той же компенсации нуля, тоже может быть любым, если потянет требуемые 10 мА. При соответствующем опыте, измеритель несимметрии также можно сделать на заурядных деталях.

Сообщение отредактировал Plain - Feb 7 2016, 19:31

[UralAlex]

Просто я не вникал ни в количество каналов LTC2052, ни в ТТХ LTC6247. Основной LTC2052 остался от предыдущей идеи, а вообще-то, по причине всё той же компенсации нуля, тоже может быть любым, если потянет требуемые 10 мА. При соответствующем опыте, измеритель нессиметрии также можно сделать на заурядных деталях.

Ясно, спасибо.

[UralAlex]

Просто я не вникал ни в количество каналов LTC2052, ни в ТТХ LTC6247. Основной LTC2052 остался от предыдущей идеи, а вообще-то, по причине всё той же компенсации нуля, тоже может быть любым, если потянет требуемые 10 мА. При соответствующем опыте, измеритель несимметрии также можно сделать на заурядных деталях.

Скажите, пожалуйста, а Zero-Drift в LTC2052 - ключевая характеристика для моего случая? Вчитался в Datasheet и выяснил, что по току 10 мА - это для него на самом пределе возможностей. Может, поискать ОУ с некоторым запасом по току?

[Tanya]

Хочется добавить, что можно добавить к задатчику напряжения для облегчения работы ОУ генератора тока производную от задающего сигнала. Если правильно подобрать коэффициенты, индуктивность будет мешать меньше.

[Plain]

в LTC2052 - ключевая характеристика для моего случая?

Повторю, деталь просто осталась на листе от предыдущей идеи, поэтому можно любой заурядный ОУ, как и в расщепителе. Хороший ноль нужен только для схемы контроля симметрии, но и в ней можно применить обычный ОУ и простую схему его обнуления.

[UralAlex]

Хочется добавить, что можно добавить к задатчику напряжения для облегчения работы ОУ генератора тока производную от задающего сигнала. Если правильно подобрать коэффициенты, индуктивность будет мешать меньше.

Спасибо за замечание. Появился дополнительный повод подумать. А что подразумевается под облегчением работы ОУ ? Я так понимаю, что основная сложность для ОУ со стороны катушки может быть в моменты включения/выключения. Плюс фаза смещается.

Повторю, деталь просто осталась на листе от предыдущей идеи, поэтому можно любой заурядный ОУ, как и в расщепителе. Хороший ноль нужен только для схемы контроля симметрии, но и в ней можно применить обычный ОУ и простую схему его обнуления.

Спасибо за повторный ответ. Как Вы считаете, насколько Zero-drift ОУ помогает обеспечению требуемой точности тока (наряду с качеством токозадающего резистора и стабильностью генератора)?

[Plain]

Да никак он не участвует — помимо разности нулей кода и расщепителя, ток в цепи первоначально дополнительно постоянно смещён на Vos/R, и это смещение сразу же убирается алгоритмом коррекции нуля. Мгновенная точность задания нуля равна МЗР ЦАП, а средняя равна точности измерителя несимметрии.

[UralAlex]

Да никак он не участвует — помимо разности нулей кода и расщепителя, ток в цепи первоначально дополнительно постоянно смещён на Vos/R, и это смещение сразу же убирается алгоритмом коррекции нуля. Мгновенная точность задания нуля равна МЗР ЦАП, а средняя равна точности измерителя несимметрии.

Понял, спасибо. Буду еще моделировать и собирать макет. Как Вы считаете, можно ли на макетной плате получить достойный результат или нужно заказывать разведенную плату?

[Plain]

Ничего высокочастотного нет, так что будет и на проводочках работать.

[Tanya]

Ничего высокочастотного нет, так что будет и на проводочках работать.

Я бы не стала так утверждать. 5 кГц с высокой точностью... Какая должна быть полоса у ОУ? Точнее - какое должно быть усиление на этой частоте? А так как нужна высокая верность воспроизведения сигнала, то очень большое усиление должно быть и на десятках мегагерц. И скорость нарастания...

[Plain]

Изначальная задача — стабильность амплитуды, а не искажения, и межвитковая ёмкость нагрузки на схеме не видна, но она есть и составляет 100 пФ, так что полоса ОУ соответственно завалена.