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.

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.

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?

можно глянуть?

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.

А у меня выходит 200.

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.

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

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.

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

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

За ссылку спасибо.



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.

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

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

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

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


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.

понял, спасибо



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 ?

Проще ЦАПа тут мало что ещё придумаешь...

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.

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.

угу... наверное лучше тогда (при создании виртуального ноля) ЦАП развязать по постоянке:
Нажмите для просмотра прикрепленного файла
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?

Подтвердите это документально.

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

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



Правда, фронты прямоугольника некрутые.

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.

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".

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.

Ясно, спасибо.

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?

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.

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 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.


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

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?

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...

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.