Версия для печати темы

Автор: Noob_Student Jul 3 2018, 19:17

Разрабатываю прецизионный мультиметр. Встало несколько вопросов о организации термостабилизации:
1. Какую литературу/статьи посоветуете по данной тематике? Именно по практической части, полно статей и книг, где описываются физические основы работы различных термоэлектрических элементов, это не интересно. Интересно как именно это реализовать. Т.е. мне термоэлемент с обратной стороны приклеить на термопасту к печатной плате (ну или через защитный экран) и удерживать определенную температуру, или к каждой микросхеме в тракте (ОУ и АЦП) приклеивать непосредственно термоэлементы? Или печатная плата помещается в корпус, в котором поддерживается определенная температура, без непосредственного контакта печатной платы и ее компонентов с термоэлектрическими элементами?
2. Оправдано ли использование печатных плат на основе алюминия для уменьшения температурных градиентов и выравнивания температуры по поверхности всей ПП? Знаю, что они используются для отвода тепла по большей части, поэтому и встал вопрос о адекватности такого решения.
3. Применяются ли методы коррекции систематической погрешности, вносимой температурой? Т.е. не фиксация температуры устройства, а просто коррекция результатов измерений на основе температуры, измеренной датчиками?

Заранее благодарен за любую помощь

Автор: MegaVolt Jul 3 2018, 19:58

О какой точности идёт речь что понадобилась термостабилизация?

Какая точность выходит по расчёту без стабилизации? В каком диапазоне температур?

Автор: Noob_Student Jul 3 2018, 21:31

Нужна точность лучше 1 ppm за сутки (точность за год скорее внутренним калибратором определяется, это пока не важно), разрешение 10 нВ на диапазоне до 1 В, 100 нВ до 10 В, 1 мкВ до 100 В и 10 мкВ до 1000 В. Это по постоянному току. Дальше все в этом духе, пока бы по постоянному току решить. Полное ТЗ объемное, не готов выложить, если что-то конкретное интересует, то могу указать.
Есть макет без стабилизации - в режиме без делителя разрешение достигнуто, но нуль "плавает" в пределах +- 1 мкВ при комнатной постоянной температуре(диапазон до 2В). В диапазоне с делителем (>2В) все плохо - хоть и выбрал резюки с малым ТКС, но нуль уплывает вплоть до 10 мВ за десять минут. Предполагается использовать в лабораторных условиях, т.е. диапазон от 15 до 40 С наверное.

Естественно есть всякие автоустановки нуля, компенсации смещения нуля (chopper mode), но когда за счет делителя на 10 мВ уплывает это не очень помогает.

Автор: sergeeff Jr. Jul 3 2018, 23:17

Выложи схемку (проблемную часть), будем думать...

Автор: magnum16 Jul 4 2018, 09:11

Вот пример термостабилизации опоры http://electronix.ru/redirect.php?https://xdevs.com/article/kx-ref/
Чтобы делители не уплывали их можно так делать http://electronix.ru/redirect.php?https://xdevs.com/article/res_f8846a/

Автор: MegaVolt Jul 4 2018, 10:18

Увы задача не реальная.

Либо реальная но для небольшой конторы которая будет работать над ней годиков этак 5-10.

Начнём.

Смотрим существующие аналоги. HP 3458a 0,55ppm при условии что температура градус в градус равна температуре калибровки. Т.е. термостатировать нужно весь прибор.
Смотрим дальше Keithley 2002 1,2 ppm

Причём это наилучшая точность на диапазоне АЦП. Т.е. без делителей

Это лучшие из существующих мультиметров. Первому уже лет 30 и до сих пор нет замены аналогичной.


Это 9 знаков!!!!! Такого в мире нету вообще. Все остановились на 8.

Причём физики говорят про не невозможность переноса напряжения от квантового эталона точнее по моему 0,2 ppm.

У всех вышеизложенных приборов делители сделаны кастомные с лазерной подгонкой.Тогда придётся попрощатся с 1 ppm.Само собой. Это уже проблема физики материалов а не электроники.

Можно попробовать глянуть в сторону ШИМ делителей.

А вообще брать и изучать схемы всех 8 разрядных мультиметров что есть. Благо их порядка 10 штук было за всю историю человечества.

И сделать с нуля мультиметр который будет круче это отличная задача. Но что-то мне подсказывает что она не решаемая.

Автор: iliusmaster Jul 4 2018, 11:11

1. На "детском" Форуме радиокот, иногда решаются не детские вопросы метрологической точности измерений. Поспрашивайте там MICKLE.
http://electronix.ru/redirect.php?https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=52829&hilit=методика+калибровки&start=2600
На 130 странице форума они описывают, как сделали полный реверс инжениринг 8,5 разрядного японского мультиметра.
Знаний у них хватит, чтобы проконсультировать.
2. Xdevs очень хорошо разбирается в измериловке. Может сильно помочь, если захочет.
3. Есть зарубежные форумы любителей измериловки, там тоже бывают крупные специалисты. И описываются решения для УЛУЧШЕНИЯ качества 8,5 разрядных мультиметров.
4. Готовьтесь к ГИГАНТСКИМ расходам на отбраковку микросхем ИОН и прецизионные резисторы.
Прецизионные резисторы Vishay или есть Пензенский НИИЭМП, который может изготовить прецизионные резисторы и матрицы не хуже Vishaya, так еще и отбраковку по ТКС может провести, связывайтесь с ними.

Автор: MegaVolt Jul 4 2018, 11:21

Ещё есть eeblog. До кучи.

Автор: Noob_Student Jul 4 2018, 13:20

да там нечего особо выкладывать, обычный резистивный делитель для дифференциального сигнала, упрощенную схемку прикрепляю (понятно, что прям таких номиналов всех резюков и конденсаторов нет, они набираются параллельным и последовательным соединением стандартных номиналов). Насчет частотной коррекции делителя не уверен, нужна ли, им (мультиметром) вообще-то больше 50 кГц переменки измерять точно не планируется, но я на всякий сделал. Моя главная ошибка - что я стал делитель собирать из отдельных резюков, ТКС хоть и маленький, но не равный у них, надо согласованные резистивные сборки покупать. Но даже у таких сборок коэффициент имеет нестабильность минимум 10 ppm/ С, так что в любом случае надо термостабилизацию делать.
http://electronix.ru/redirect.php?https://postimg.cc/image/4m5uvoby5/



Интересно, спасибо большое, сижу изучаю сейчас) Вот тоже планирую делитель потипу такого (Fluke P/N 2464707 reference/gain precision hermetic resistor) заказать, один в один не знаю где купить, но позавчера нашел декадный делитель с 10 ppm/ C (EBG C15 T3-X), думаю подойдет, всяко лучше, чем из отдельных собирать. Ну и термостабилизацию в любом случае надо.



Ну не 9 разрядный, а 8.5 разрядный и надо повторить собственно... Просто разборка мало что дает, у меня справа стоит сейчас один такой 8,5 разрядный мультиметр, и схемы его есть, но они очень ограниченную помощь оказывают.
Задача стоит не очень строго, понятно что с нуля сложно такое повторить, если будет чуть хуже не критично. Т.е. задача стоит как "сделайте настолько точный, насколько сможете, желательно как 8,5 разрядный". Лазерная подгонка не уверен что нужна, пусть у делителя будет коэффициент хоть 1 к 9 вместо 1 к 10, мне то какая разница, что на 10, что на 9 домножить в программе... Ну грубо говоря. Главное, чтобы он не изменялся. А любую систематическую погрешность можно скорректировать, главное чтобы флуктуаций не было. Тоже самое и с ИОН - плевать, какое там значение, главное чтобы оно не менялось. Есть только одно "но": нужна аппаратура для измерения этих величин с необходимой точностью. Т.е. надо выяснить, какой именно коэффициент у делителя с точностью до энного знака после запятой итд. Хотя программные вычисления тоже вносят ошибку, если их проводить с недостаточной точностью.
А так я задачу вижу следующим образом: разрабатывается аналого-цифровая часть, главные требования к которой низкий уровень шумов и малая флуктуация смещений и коэффициентов умножений. Т.е. малая случайная погрешность. Пусть у усилителей будет коэфф не 1000, а 997, смещение хоть микровольты. Главное чтобы это не плавало. Потом во время калибровки все систематические погрешности корректируются, и точность будет определяться уровнем шумов и флуктуацией характеристик. Чтобы флуктуации были меньше, необходимо избавиться от колебания температуры в приборе и переменных температурных градиентов. Поэтому я и озаботился вопросом термостабилизации. Про ШИМ делитель вообще не знал, спасибо, тоже изучу. Правда насколько я понял, им только постоянный ток делить можно...





Не ожидал такое на радиокоте увидеть, спасибо)

Автор: Plain Jul 4 2018, 13:47

Достаточно термостата для всех эталонов. Соответственно, если бесперебойный, то как можно меньше размерами.

Автор: prig Jul 4 2018, 15:21

Если появляются цифры типа 1 ppm за сутки, без корректно составленных тех. требований что-либо обсуждать смысла нет.
Тем более, создаётся устойчивое впечатление, что Вы начинаете искать какие-то решения, даже не разобравшись с сутью проблем.
Так, ТКС резисторов делителя на уплывание нуля никак не влияет. Он может влиять на к-т деления, но это тоже решаемо.

Автор: nicom Jul 4 2018, 15:31

...Можно добавить: начало "истоков"...... на 8 1/2 знаков

www.hpl.hp.com/hpjournal/pdfs/IssuePDFs/1989-04.pdf

Да и есть еще SOLARTRON 7081

http://electronix.ru/redirect.php?https://www.google.com/search?q=SOLARTRON+7081&client=firefox-b&tbm=isch&tbo=u&source=univ&sa=X&ved=0ahUKEwiV77SI54XcAhUoh6YKHbOBDgcQsAQIMQ&biw=1280&bih=871

А не только ИОН и делитель главные источники погрешностей.....

...еще раз наступлю на "мозоль"... столкнулись с отсутствием "нормальных" доставаемых разъёмов для подключения входных кабелей ...
везде получали произвольное значение термо ЭДС контакта...
Причем - старые с "помойки!!!" разъёмы от старой прецизионной аппаратуры работают с минимальным вносом.

И таких "чудес" на каждом шаге...

Автор: prig Jul 4 2018, 15:31

Ну, с делителем хоть как-то решаемо. А вот ИОН и метрологическая проверка - это м.б. действительно больно.
Впрочем, я в такие игры уже давно не играю. Свят, свят.

Автор: Noob_Student Jul 4 2018, 15:40

Я не просил спроектировать за меня прибор, для ответа на мои вопросы не нужно знать ТЗ
Вы правы, ТКС почти не влияет на смещение нуля.
И да, с одной стороны я попросил практических советов тип "что куда приклеивать", а с другой нет ТЗ, но меня вполне удовлетворят ответы из разряда "вот в том то измерительном приборе было сделано так-то" и описание. И ТЗ на кучу страниц мало что даст, там просто перечисление метрологических характеристик.

Автор: Noob_Student Jul 4 2018, 21:24

Спасибо) у меня как раз такой рядом стоит сейчас (3458A)

Автор: khach Jul 4 2018, 21:31

Из "новомодных" технических решений- недавно видел делитель, напыленный на керамическую обкладку элемента пельте, который стабилизировал температуру делителя с точностью 0.1-0.2 градуса с временем готовности около 1 минуты. Но чтобы это повторить надо вакуумное напыление осваивать.
Было бы интересно всю аналоговую часть такого мультиметра собрать на палате с алюминиевой подложкой и положить на пельте для термостабилизации. Вот только как быть с тефлоновыми пятаками под цепи с низкой утечкой?

Автор: _Vova Jul 5 2018, 04:50

если речь про винтовые зажимы, то тоже приходилось искать Low Thermal EMF Binding Posts , материал покрытия - Gold plated Tellurium Copper
есть у http://electronix.ru/redirect.php?http://www.lowthermal.com/cables-and-connectors.php, http://electronix.ru/redirect.php?https://www.pomonaelectronics.com/products/hardware/binding-post-low-thermal-emf-tellurium-copper-gold-plated, http://electronix.ru/redirect.php?https://www.ietlabs.com/gr874-connectors.html и у Mueller из такого же материала. Купить проще было Pomona у местных перепродавцов с digikey. У нановольтметров клеммы как правило чистая медь.

Автор: iddqd2001 Jul 5 2018, 07:14

Применяются. В Solartron 7071/7081 этим занимается аналоговый вычислитель поправки к напряжению ИОН в зависимости от температуры опорного стабилитрона.
В Prema 6048 заявлена "Temperature Drift Compensation" в режимах измерения напряжения и сопротивления, что позволяет получить типовой температурный коэффициент 0,05 ppm/C. На аналоговой плате установлен термодатчик, сигнал с которого поступает на вспомогательный АЦП (точно такой же, как и основной). Всё остальное делается уже в цифре. Коэффициенты регрессии определяют при выпуске прибора и прошивают в ПЗУ на весь срок службы.
Предполагаю, что в Keithley DMM7510 тоже есть что-то аналогичное.

Автор: MegaVolt Jul 5 2018, 07:47

У всех есть. Автокалибровка называется. Тратит дополнительное время на быстрые калибровочные действия при изменении температуры. Полностью проблему температуры не решает.

Для того же 3458а автокалибровка даёт добавочную погрешность 0,16 ppm/С т.е. уход температуры на 7 градусов уже даёт >1ppm
Само собой на других пределах всё ещё хуже.

Автор: HardEgor Jul 5 2018, 07:48

Осваивать дорого, я недавно интересовался ценами - напылить магнетроном и протравить проводящий слой на поликоре 50х60 в единичном экземпляре в "черную" стоит порядка 20тр, треть цены это фотошаблон. Напыляемые материалы практически любые, подложки тоже - можно ситалл или другую керамику.
А далее наклеить его на стандартный пельтье и стабилизировать.

Автор: MegaVolt Jul 5 2018, 08:02

P.S. Упс. Не добавил основную погрешность.

0,55+0,16*3C > 1ppm

Т.е. 1ppm достижим при условии удержания прибора при температуре не более 3 градусов от температуры калибровки не позднее 1 суток от момента калибровки.

Или иными словами рядом должен быть квантовый стандарт напряжения в шаговой доступности.

Автор: khach Jul 5 2018, 08:13

Для таких размеров как у делителя direct laser writing рулит- прямая засветка фоторезиста лазером. До полумикрона проектная норма.
Тут другой вопрос- чем пылить для получения очень хорошей стабильности, какой подслой на керамику ( буфер) и чем пассивировать для долговременой стабильности? Кстати, советовали пассивировать после лазероной подгонки для лучшей долговременной стабильности.
Вообще-то есть желание сделать измерительный модуль по типу гибридной микросхемы. Делители на керамике по бокам, посередине плата на алюминиевой подложке, большинство активных элементов из современных серий с термалпадом для лучшей стабилизации температуры. Все вместое герметизированно, наружу выходят только цифровые шины после гальваноразвязки.

Автор: iddqd2001 Jul 5 2018, 08:23

Автокалибровка это совсем другая сущность и для её осуществления совсем не обязательно следить за температурой, хоть при каждом измерении проводи. Prema 6048 её не использует, тем не менее, температурная коррекция у него на всех пределах VDC и OHMS.

Автор: MegaVolt Jul 5 2018, 08:32

Всё равно пол ppm на градус

Автор: prig Jul 5 2018, 08:37

Кому как.

"Перечисление метрологических характеристик" никогда не делается просто так. Особливо если речь о прецизионных приборах.
В зависимости от тех или иных требований, конечное решение может изменяться самым принципиальным образом.

Автор: MegaVolt Jul 5 2018, 08:37

Вот люди просто резисторы меряют. Покупные. И там масса вопросов. А уж разработка подобного уровня делителя это НИРовская задача неслабая. Чего стоит хотя бы доказать стабильность годовую?

http://electronix.ru/redirect.php?https://www.eevblog.com/forum/metrology/t-c-measurements-on-precision-resistors/

Автор: HardEgor Jul 5 2018, 08:57

Мне заявили тоже до полмикрона, но уточнили, что зависит от возможностей конкретного фоторезиста.


Это надо уточнять у технологов, там всё слишком запутано и на уровне эмпирики.


Тогда лучше с резисторами делителя размещать регулятор термостата и датчики(ОУ+Pt100), а с другой стороны подложки напылить нагреватели - у поликора неплохая теплопроводность.

Автор: khach Jul 5 2018, 09:25

Грели раньше от невозможности охлаждать - не было элементной базы доступной или было слишком дорого. А так чем меньше температура, тем меньше шумы. Знакомые рассматривали вариант измерительного субкриогенного модуля герметизированного с рабочей температурой на уровне нижнего индастриал или милитари диапзона ( -40 - 60 С). Охлаждение газовое, микрокомперссором инверторным. Обещали почти целую десятичную цифру дополнительно по сравнению с комнатной температурой. Ну конечно это настольный прибор получался, с временем готовности после старта порядка десятков минут или часов.
Напыление разнородных металлов последовательно с литографией- это проблемы с масками. Не все из них травятся химически, приходится плазмой, а это разрушает маску. Т.е проблемы технологичесике.
Через теневую маску можно не получить нужной точности и стабильности- краевые эффекты. Тут надо осваивать технологию самому, т.к ходить по технологам на чужие установки- это отсутствие повторяемости техпроцесса гарантировано.
Мне еще этот вопрос инетресен, потому что есть необходимость пылить резистивные делители для СВЧ хитрой формы. Хотелось бы найти универсальный техпроцесс. Желательно на китайской или самодельной магнетронной пылилке.

Автор: HardEgor Jul 5 2018, 09:50

Знаю что Микран так изготавливает свои СВЧ-подложки.
Тут кстати рядом производят собственные магнетронные пылилки.

Автор: Noob_Student Jul 5 2018, 16:34

Да, проблемы с поиском элементов есть. Чего стоило реле найти подходящие... Пытался найти как в одном из вольтметров COTO LOW THERMAL EMF 3600 серия реле, но так и не смог найти где купить их. В итоге просто бистабильные поставил, в расчете что хоть наводок давать не будут от катушки (кроме момента переключения). Так что если знаете хорошие реле для малых сигналов, которые выдержат 1000 В (желательно не только изоляцию до киловольта, но и возможность коммутации таких напряжений), то буду тоже благодарен если подскажете. За разъемы спасибо, пригодится, а то у меня сейчас самые дешманские стоят.
Ну и реле желательно бистабильное, чтобы не подавать ток на катушку для удержания. Потому что в теории то на катушку подается постоянный ток, и он наводок давать не должен, но на деле на катушку реле поступает зашумленный сигнал, который дает наводки на сигнальную линию. Да, в прецизионный вольтметрах стоят не бистабильные реле, но они видимо малошумящий сигнал подают на управляющие катушки, и мне кажется проще не заморачиваться и просто бистабильные использовать.

UPD А, все, появились релешки в онлайн магазине, немного другая серия, но те что надо

Автор: MegaVolt Jul 6 2018, 07:09

Очень интересно всё же чем это кончиться. И какие параметры всё же получиться получить в реальности

Автор: iddqd2001 Jul 6 2018, 20:08

Наводки на коммутируемую цепь - наименьшая из возможных проблем, которая в случае применения экранированных реле решается автоматически. Но и герконовые COTO не без недостатков. Лично я наблюдал сильную деградацию контактов в COTO, которое раз в несколько секунд коммутировало 10 В ИОН на нагрузку 100 кОм. Может просто не повезло. С другой стороны, советский дистанционный переключатель РПС-(не помню какой) работал у меня во входной цепи прототипа 8,5-декадного вольтметра вполне удовлетворительно, не смотря на то, что у этого реле не нормируется термоЭДС и не гарантируется работа с микровольтными сигналами. Может просто повезло.

Автор: Herz Jul 6 2018, 20:13

Я знаю. Но не буду говорить. Проходили...

Автор: ЕшТ Jul 9 2018, 04:26

К сожалению, Herz скорее всего прав

Грамотное ТЗ - уже ползадачи решает. А так можно задать ведерко и ящик прецизионных делителей, термостатов и прочего добра, а в итоге окажется что бюджета проекта и на ИОН не хватит. Один из таких вопросов - требуемое входное сопротивление. От этого параметра входная схема может быть совсем разной.

И да, даже славные "маркетологовые" делители и резисторы Vishay, с типовым ТКС 0.2 ppm/K на самом деле то совсем не 0.2 и даже иногда не 2ppm/K . Ладно бы это, так еще и ждать приходится по пол-года, вот все еще жду с февраля заказанные резисторы (0.1%, VHD и VHP20x серий, ничего специального даже).

И нужен именно мультиметр? Может достаточно вольтметра, тогда можно подумать над альтернативный подходом - сделать нуль-детектор и использовать прецизионный стабильный ЦАП в качестве эталона. Так сделано например в калибаторах 57хх серий.

З.ы. я с xDevs.com, раз уж ссылки на меня указали, можно спрашивать практические вопросы.

Автор: khach Jul 9 2018, 08:33

Только ТЗ надо составлять не на прибор или экспериентальный образец, на на НИР или НИОКР. А такое ТЗ выглядит совсем по другому.
Слишком много тут неизвестных. И элементная база могла поменяться по сравнению с прототипами, и конструкция прецизионных делителей ( вплоть до отказа от резистивных делителй вообще, и перевода всего прибора на емкостные делители и соотвественно архитектуру МДМ).
Для моих задач достаточно повторить блок АЦП Keithley, но поскольку резистивных сборок отдельно не достать, их все равно прийдется разрабатывать или заказывать. А вот если кому надо доролнительную десятичную цифру получить, то тут уже чистый НИОКР.
Пока же самое дешевое решение- скупка дохлый мультиметров на аукционах и приведение их блока АЦП в божеское состояние.

Автор: Noob_Student Jul 9 2018, 22:32

Испытал я сегодня свой первый макет по постоянному напряжению, на диапазоне без делителей и предусилителей все отлично. Я взял мультиметр, относительно которого я калибровался - 3458А, свой макет и подключил их обоих параллельно к калибратору П327. Расхождение показаний не превышало 1.2 ppm от показания + 0.4 ppm от диапазона за пару часов после калибровки относительно 3458А. У 3458А 5 выб/с, у моего правда 2 выб/сек. Разрешающие способности плюс минус одинаковы, ну в режиме без арифметического усреднения (если кто не знал, то 10 нВ разрешение в диапазоне до 1 В достигается у 3458А только путем усреднения 100 выборок с максимальной аппаратной точностью). Диапазон с предусилителем не смог проверить, так как потерял резюк нормальный для установления коэфф-та усиления :с Так что если в Мск у кого-либо есть SMD 0805 11 Ом с ТКС < 15 ppm, то я радостью выкуплю его, а то новый месяц ждать.
С делителями все печально, надо готовый покупать, а не из отдельных резюков собирать. А если и из отдельных, то с согласованные, с равным ТКС.
Но есть один трабл. Для создания частотно-компенсированного делителя применяют конденсаторы или индуктивности параллельно с резюками. Но! Кондюки имеют ужасные допуски, и коэф. деления по резюкам и по кондерам никогда не получится сделать равным. Т.е. их как бы вводят для избавления от частной зависимости коэфа деления, но в итоге все равно она (частотная зависимость) появляется по причине неравенства коэффа по пост току (по резюкам) и по переменке (по кондерам). Отдельно для переменки делать емкостной или индуктивный делитель? И вообще частотно-компенсированный делитель и для постоянки и для переменки мне не нрав, как работает - кондюки заряжаются до потенциала, а потом через огромные (по номиналу) резисторы разряжаются по сто лет, очень инерционная схема :с

Автор: ЕшТ Jul 10 2018, 04:11

Какой-то сплошной поток мыслеформ получился, а не пост. Может лучше разделить котлет и мух, и сначала определиться с базовым построением, какие блоки, функции и диапазоны вообще нужны?

Реальная разрешающая способность стабильного и исправного 3458А на 10В диапазоне примерно равна +/-0.1ppm при часовом интервале, так что заявления об одинаковости стоит использовать аккуратно, либо же приводить график с циферками

В правильных приборах функционал разбит по модулям и каждый блок качественно делает свою задачу. Пытаться сделать разные вещи одной схемой в прецизионной технике редко заканчиваются хорошо. Для примера можно посмотреть на вольтметры переменного напряжения, где дизайн аттенюатора с частотной коррекцией - одна из главных трудностей. Там и коррекция, и фторопластовые печатные платы, керамика, герметичные фольговые резисторы и прочие радости. Можно посмотреть для примера на http://electronix.ru/redirect.php?https://xdevs.com/fix/d4920m/#acapcba или в метрологическом термопреобразователе http://electronix.ru/redirect.php?https://xdevs.com/fix/f792a/#tearapart. Схемы этих зверей и многих других той эры доступны онлайн, есть куда изучать долгими летними вечерами.

10нВ разрешение на диапазоне 1В по переменному напряжению тоже нужно?

Автор: Noob_Student Jul 10 2018, 22:29

Нет, 10 нВ разрешение не нужно, да и полагаю невозможно реализовать. Я согласен насчет разделения на отдельные модули. Спасибо за ссыль, прочитал, полезно, разве что элементная база за это время изменилась. Сори, что скомкано излагаю мысли, с работы ток к ночи прихожу) Измерение переменки пока не проектировал (ток НЧ, если с ним блок для постоянки справится). Планирую реализовать измерение АС методом субвыборок (эт когда по периоду много раз проходятся со сдвигом) и рандомных выборок для апериодичного сигнала. Т.е. всё численными методами в цифре. По поводу функций - нужно сделать мультиметр ACV, DCV, ACI, DCI по характеристикам как 3458А. ТЗ по сути это передранные с него хар-ки.
И да, спасибо Вам, и всем остальным, кто откликнулся То, что вы покидали действительно помогло мне продвинуться. Но это только начало пути)

Автор: iddqd2001 Jul 11 2018, 08:12

Как я понял, диапазон входного напряжения АЦП порядка 1 В. Если это действительно так, не получится даже близко подойти к характеристикам любого из известных 8,5-разрядников.
Кроме того, вызывает некоторое недоумение использование дифференциального входного делителя напряжения, а так же применение "SMD 0805 11 Ом с ТКС < 15 ppm" для задания коэффициента усиления предусилителя. Последнее в моём понимании никак не вяжется с бюджетом погрешности прибора "по характеристикам как 3458А".
Я думаю, начать следовало бы с определения типа/топологии/алгоритма АЦП, а так же количества оных.

Автор: MegaVolt Jul 11 2018, 10:07

Проблема в том что содрать АЦП даже при наличии схемы не получиться ибо там применяется хитрая заказная аналоговая микросхема о содержимом которой можно немного почитать в журнале который выше давали.

Т.е. пробовать сдирать можно что-то чья схема имеется полностью и не имеет заказных микросхем. Плюс грамотное применение современной элементной базы может дать выигрыш.

Автор: Herz Jul 11 2018, 10:38

ИМХО, пока автор будет оперировать резюками и кондюками, ничего путного собрать из этого не получится...

Автор: iddqd2001 Jul 11 2018, 10:54

Полностью сдирать и не нужно. В первую очередь следует уточнить детали, о которых обычно умалчивают в патентах и публикациях: длительности циклов, задержки и т.п. А уж перенести логику АЦП на FPGA - дело техники.
Вот, к примеру, проект исследования Multislope II и III: http://electronix.ru/redirect.php?http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=244675&extra=page%3D2. Загружая в Cyclone IV разные конфигурации, получают АЦП, эквивалентные таковым из мультиметров HP разных поколений, в том числе и 3458A.
Таких проектов (у китайцев) не один, и не два. Взять хотя бы из моей записной книжки:
http://electronix.ru/redirect.php?http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=251040
http://electronix.ru/redirect.php?http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=35246
http://electronix.ru/redirect.php?http://bbs.38hot.net/forum.php?mod=viewthread&tid=24619
Если же скорость преобразования не является критичным параметром, можно вообще не рассматривать multi-slope АЦП и остановиться на интеграторе с импульсной обратной связью. Тогда аналоговая и цифровые части АЦП становятся до безобразия простые. Вот упрощённая схема реально работавшего 8,5-декадного вольтметра, проект которого я когда-то описывал на радиокоте:

Автор: Noob_Student Jul 11 2018, 12:01

да, диапазон входных напряжений АЦП +- 2.5 В. По поводу близко или далеко подойти к характеристикам 3458А - они не будут повторены один в один, я это понимаю. Так как DMM показывает максимальную точностью в режиме с "голым АЦП", без делителей и предусилителей. У тех 8.5 р-ных DMM это диапазон до 10 В, у меня до 2.5 В. Да, он не кратен 10, это вызывает ряд проблем, но в итоге можно просто сказать что диапазон с максимальной точностью оказался чуть сдвинут в область более малых напряжений. Резистор с ТКС <15 ppm я спрашиваю потому, что шанс, что такой окажется у кого либо больше, чем 0.2 ppm. В конечном приборе я не собираюсь такой использовать, поставлю стабильнее, мне сейчас для прототипа нужен, а то у меня только по 50 копеек китайские есть под рукой. Температура то у меня почти не меняется, для оценки характеристик вполне хватило бы. Вопрос с АЦП передо мной не стоит - я не собираюсь из дискретных компонентов собирать его. У меня ads1262 с 27 эффективными битами и диапазоном +- 2.5 В. У 3458А гибридная ИС, 28 эффективных бит при 10 В диапазона. Ради одного бита и диапазона я не буду дизайнить АЦП, это не входит в бюджет по трудозатратам. Вы же понимаете, что с первой итерации собирая из дискретных компонентов не получишь нужное АЦП, проще чип взять. Потому что гибридное АЦП это на год работы почти. Так что спасибо за материалы по АЦП, но это не входит в мои планы Есть второе АЦП, более высокоскоростное и менее точное, для большей скорости выборок чем может ads1262.
По поводу дифф. делителя - хочу сделать HI и LO дифференциальной парой для лучшего подавления помех, а обычный делитель несимметричный. Поэтому дифф. делитель. Да, знаю что HI и LO не делают диф парой, а я сделаю.

Автор: iddqd2001 Jul 11 2018, 12:20

Эх, то, что вы сейчас написали, следовало бы огласить в самом первом посте.
Ладно, умолкаю.

Автор: Noob_Student Jul 11 2018, 12:31

Но это в любом случае интересно, я обязательно изучу чтобы иметь представление о таких АЦП. Так что не переживайте, ваши старания не прошли зря

Автор: ЕшТ Jul 11 2018, 12:56

Вот только автор почему-то умолчал , что главная характеристика - интегральная нелинейность, у первого в 240 раз хуже оной 3458А.
Так что будь там хоть 40 битов, толку от них никакого, так как это погода на марсе. .

Автор: MegaVolt Jul 11 2018, 13:21

Вот не соглашусь.
Микруха специализированная она же не цифровая. И не в цифре вся хитрость этих мультиметров.
В микрухе во первых точные резисторы с хитрыми ключами

Вот что они пишут:



Т.е. ключи масштабируются по размеру для того чтобы в сумме с резисторами они давали одинаковый ТКС.

И это никаким FPGA не компенсировать.

Я конечно могу предположить что сейчас ключи стали настолько круты что не требуют подобных ухищерений но что-то мне в это слабо вериться.

Так же как и в то что данный мультиметр можно сделать на коленке с аналогичными параметрами во всём температурном и временном диапазоне. Но ссылки пойду изучать

Автор: Noob_Student Jul 11 2018, 13:32

Ну это в худшем случае 12 ppm, там в среднем 3 ppm нелинейность против 0.1 ppm у 3458А. Но выбора то нет особо, делать АЦП самому не вариант. На самом деле я упустил этот момент, думаю надо будет решать эту проблему путем введения корректирущей функции. Т.е. программно компенсировать нелинейность. Очень надеюсь что передаточная функция не сильно будет изменяться со временем, т.е. что не "болтается" в пределах 3 (12) ppm, а просто имеет отклонение в пределах 3 (12) ppm и постоянна.

Автор: iddqd2001 Jul 11 2018, 13:36

3458A конечно недостижим, но ADCMT 6581 и 7480T вполне обходятся без аналоговых ASIC.

Я именно так и делал в 7,5-разрядных DVM на базе ADS1282 и ADS1256 - вводил аддитивную поправку, рассчитываемую по кубическому сплайну. Но вот то, что она не будет меняться со временем - это ещё доказать нужно.

Автор: MegaVolt Jul 11 2018, 13:48

Хм... А как из неё выжать 1 ppm?

У неё INL 12 ppm по паспорту от рождения. Т.е. более чем на порядок хуже. Это если всякие смещения и прочие радости откалибровать.

Это максимум 7 1/2

Далее: опору я так понимаю внутреннюю будете использовать? Это тоже 6 ppm/С что на диапазоне от 15 до 40 С даёт 6*25=150ppm

150ppm = 0,015%

Это даже не 6 разрядный мультиметр. Это точность хорошего 4 1/2 разрядного ручного мультиметра Keysight U1252B максимум 5 1/2

Соответственно если ставить внешний источник опорного напряжения то можно подойти в район 6-7 значного. Но не более


Да. Думаю параметры у них похуже. Но для дома и сделанное самостоятельно по моему отличный вариант

А где можно почитать про эти опыты?

Автор: Noob_Student Jul 11 2018, 14:03

У АЦП использую внутренний ИОН, но калиброваться она каждый раз при включении будет по встроенному в мультиметр ИОН на LTZ1000. Просто внешние ИОН на 2.5 вольта в лучшем случае имеют 2 ppm. 2 или 6 не очень принципиально, особенно если учесть что тянуть напряжение придется через буферы + термоЭДС контактов, еще какие-нибудь явления, и в итоге не известно что хуже будет. Так что выбирая между 6 ppm внутри кристалла и 2 ppm внешними, я выбираю внутренний. Тем более это худший результат, можно проводить отбраковку, типично там 2 ppm. Если использовать высокостабильные опорные на 7 вольт например, и накрутить делителей и буферов до 2.5, то в итоге будет хуже из-за преобразований. Так что встроенный высокостабильный ИОН для автокалибровки решит эту проблему.
"Хм... А как из неё выжать 1 ppm?" - постараюсь методом программной коррекции передаточной функции. Все равно все такие приборы индивидульно калибруются.
И да, у всех этих приборов точность порядка 1 ppm за сутки заявлена при условии работы около температуры калибровки, иначе все хуже. Так что не надо делать 40 минус 15 и умножать

Автор: MegaVolt Jul 11 2018, 14:15

Я думаю речь идёт про разные ppm. LTZ в идеале может давать 2ppm в год. А температурный коэффициент 0,1ppm/C
А внутренний даёт 12 ppm + 50 ppm за 1000 часов + 6 ppm на каждый градус.

Т.е. разница в опорниках на 2 порядка где то.

И если вы в состоянии их сравнивать с нужно точностью то думаю и запитать АЦП от внешнего сможете.

Не очень понимаю как это решит проблему? Чтобы произвести автокалибровку внешнюю опору всё равно нужно будет поделить до диапазона 2,5 В т.е. опять же делители.

Плюс деление на 2 и на 3 можно делать на переключаемых конденсаторах и специальных микрушках с приемлемой погрешностью.

Температуру мы можем игнорировать только если термостатируем прибор. Иначе температура сказывается и не важно сутки у нас или годы.

На счёт калибровки в верху верно заметили кто докажет что калибровка будет верна хотя бы год? Это исследование нужно проводить самостоятельно ибо даташит такого не гарантирует.

Автор: ЕшТ Jul 11 2018, 16:12

Не решит, а поменяет на проблему стабильности используемого делителя, или чем вы там маштабировать 7В от LTZ будете до желаемых 2.5В. Вопрос еще, что хуже.


Ну отчего-же сразу хуже? У меня 0.2 ppm за 8 суток получалось без особых усилий с точки зрения поддержания условий. Правда справедливости ради, это на отобранном приборе, не нужно ожидать этого от любого ржавого 3458 с ибея
Вот выборка из пяти различных АЦП (в 4 приборах) чтобы не толочь теорию в ступе.



Вход АЦП тоже нужно аккуратно развязывать от такого генератора, а то можно наловить артефактов.

Мне другое интересно. Зачем вообще все это затеяно, ведь автору уже должно быть очевидно что человеко-часовой и финансовый бюджет одной только калибровки подобного "проекта" явно превышает стоимость готового прибора, даже новенького прямиком от Keysight.
Тут как раз калибратор собираю из _готовых_ модулей который может калибровать 3458А, и то много интересных граблей выходит, и затратам не видно края.

Автор: MegaVolt Jul 12 2018, 07:14

Круто!!! Аж 5 приборов в доступе. Отвернулся от экрана чтобы не захлебнуться

Если не секрет каких? По идее фильтр+буфер должен спасать от всех нюансов.

Похоже есть указ сверху. А начальство убедить часто ой как не просто Есть ссылочка на почитать?

Автор: khach Jul 12 2018, 09:17

А имеет ли смысл в самодельном multislope ADC использовать регулируемые генераторы тока заряда- разряда и подстаривая токи отказаться от набора резисторов с лазерной подстройкой? Т.е берем любые стабильны резисторы с номиналом +- пару процентов и из них собираем делитель, а потом в процессе самокалибровки подбираем токи в цепях заряда-разряда?
Конечно можно нахватать лишней нестабильности в цепях подстройки тока. Но зато конструкция сильно удешевляется.

Автор: MegaVolt Jul 12 2018, 09:25

А что менять будем для того чтобы подобрать токи? Некий цифровой резистор?

Плюс для того чтобы толком откалиброваться понадобиться хотя бы пару тройку промежуточных опорных точек. А их опять же придётся делать на точных делителях.

Автор: iddqd2001 Jul 12 2018, 09:37

Если на борту есть LTZ, нет никакого смысла использовать внутренний ИОН чипа АЦП. И не стоит бояться резистивного делителя для ИОН. При внутренней сквозной калибровке измерительного тракта требования к долговременной стабильности Кд не велики. Фольговые резисторы, в отличие от микропроволочных, имеют очень малый коэффициент при квадратичном члене в уравнении температурной зависимости сопротивления. Поэтому делитель ИОН можно составлять из более дешёвых и доступных дискретных резисторов, технологически обеспечив им выравнивание температуры. Остаточный ТКД в таком случае компенсируется введением в одно из плеч делителя заранее рассчитанного медного добавочного резистора. У меня как раз такой случай был в портативном 7.5-разрядном вольтметре на ADS1282. Фольговый делитель, только с активной термокомпенсацией, я закладывал и в проект меры напряжения, по которой можно калибровать калибратор, который может калибровать 3458А.

Автор: Noob_Student Jul 12 2018, 10:09

Вы меня убедили, в любом случае если что переключиться на внутренний ИОН всегда можно. И есть у меня еще один вопрос: схема автовыбора диапазона. Пусть измерение начинается с максимального диапазона, и снижение диапазона осуществляется по данным с АЦП. Переключение диапазона вверх пусть осуществляется на основе быстродействующего компаратора. Но, предположим такую ситуацию - человек измеряет сигнал около 1 В, а потом берет и бац, резко захотел померить 1 киловольт и перетыкает щупы в 1 кВ. Даже в предположении, что компаратор и логика сработаю мгновенно, реле отрубит низковольтный диапазон от линии только через несколько миллисекунд в лучшем случае. Как быть? есть всякие схемы защиты итп, но там например есть такая проблема - берешь диоды с малой утечкой, они слабые, справятся ли они с киловольтом в течении миллисекунд? Мощные диоды обладают большими токами утечки... Интересно, как тут быть

Автор: khach Jul 12 2018, 10:14

Цифровой резистор слишком грубо, планируютсч ЦАПы 16 битные, сидящие на общем Vref.
С тут вообше над слегка сумасшедшей архитектурой АЦП размышляю. На базе HRTIM STM32f334. У HRTIM таймера разрешение сотни пикосекунд, к сожалению только на выход, на вход ( capture) у него обычное разрешение. Вот думаю как бы это использовать в высокоточном АЦП. Т.е зазватить момент срабатывания компаратора с высокой точностью не получится, но перезаряжать интегратор с очень точными временными воротами- уже да.

Автор: iddqd2001 Jul 12 2018, 10:32

Для этого защитные токоограничительные резисторы рассчитывают так, чтобы с одной стороны не превысить Absolute Maximum Rating диодов/FET по прямому току, а с другой, чтобы перегрузка по мощности самих резисторов в течении требуемого времени не приводила к необратимым последствиям. При выборе номинала конечно стоит принимать во внимание, и то, что на этих резисторах при нормальной работе прибора возникнет разность потенциалов из-за ненулевого тока смещения входного масштабного усилителя и утечек по входу.
Как альтернативу, посмотрите схему DCV входа Datron 1271. Защитные резисторы R206-208 маломощные фольговые, суммарным номиналом всего 15 кОм. Зато им в помощь узел защиты от импульсного перенапряжения (начиная C201 и далее). При подаче "киловольта" на низковольтных пределах мультиметр сразу переключает вход на делитель напряжения 1:100 не дожидаясь команды от цифровой части.

Автор: MegaVolt Jul 12 2018, 10:46

Учитывая диапазон подстройки обычный резистор в параллель с цифровым вполне могут дать перестройку +/- пару ppm

Автор: khach Jul 12 2018, 11:26

Стабильность цифровых резисторов- вещь в себе. А при ЦАПе внешнем все параметры известны, да еще его стабильность множится на масштабирующий коэффициент интегратора.

Автор: MegaVolt Jul 12 2018, 11:33

Я к тому что если мы подстраиваем диапазон +/- 2 ppm самым обычным 5% резистором то мы имеем погрешность вносимую этими 5% на уровне 0,1 ppm что с головой хватает.

Никаких возражений против ЦАП нет само собой

Автор: khach Jul 12 2018, 12:36

Не в том дело- цифровые резисторы это обычно поликремний, соединенный MOS коммутатором. Мало того, что сопротивление открытого канала коммутатора плывет от напряжения питания, так еще и поликремний плывет от температуры. Обычно эти резисторы проектирую так, чтобы соотношение плечей делителя было постоянным при измеренении внешних условий. А вот абсолютное значение сопротивления имеет меньшую стабильность. Т.е управлять таким резистором опорным напряжением ( импользовать как делитель) еще имеет смысл, а как резистор последовательно с прецизионным- нет.

Автор: MegaVolt Jul 12 2018, 12:57

Глянул точность У них вообще 20% погрешность....

Да бог с ними с резисторами. Я про то что если диапазон подстройки мал то можно подстраивать очень неточными элементами.

Автор: iddqd2001 Jul 12 2018, 13:45

В Takeda Riken всё уже придумали до нас И даже успели отказаться от этого способа в пользу программной калибровки весовых коэффициентов источников тока с помощью всё того же интегратора.

Автор: khach Jul 12 2018, 14:41

Я в курсе. И даже знаю, сколько они теряют в точности из за джиттера и неодновременности переключения MOSFET дифференуиальных ключей, которыми 74HC74 управляют. Кстати, именно из желания выровнять время преключения плечей этого ключа и появился HRTIM STM32F3 для точной регулировки задержки.

Автор: iddqd2001 Jul 12 2018, 14:49

Теряют в точности? Речь о дифф. нелинейности, краткосрочной нестабильности или о чём-то ещё? Если о шуме, то при 100 PLC ни на бит не шевелится даже младший разряд 7,5 декадной шкалы.

Автор: khach Jul 12 2018, 15:08

Краткосрочной нестабильности. Хотя я эту схему не в АЦП использовал, а во временном интерполяторе преобразователя время-код. Во временной области лучше видны ошибки, чем в измернии амплитуды, 9-10 значащих цифр бывает.