Всем привет! Стоит задача - измерения собственных шумов стабилитронов и микросхем - источников опорного напряжения. Уровень шумов для тех и других составляет порядка нескольких микровольт, диапазон частот измерения 10 Гц - 10 кГц.
Питать стабилитроны требуется от управляемого источника тока (ток от 1 до 10 мА, есть различные режимы задания токов), питать микросхемы от управляемого источника напряжения (то 10 до 36 В).
Для того, чтобы собрать управляемые источники тока и напряжения существует куча малошумящих ОУ и схем. Но для их питания по хорошему нужен также источник с низкими собственными шумами.
Предполагается что это т источник питания будет собираться примерно по такой схеме:

Импульсный_источник(220 В AC в DC) -> ФНЧ -> Стандартные_LDO -> Малошумящие_LDO.

В качестве малошумящего LDO предполагается использовать, например, микросхему LT3042 или что то с аналогичными характеристиками.

Вопрос в следующем, имеет ли место быть подобная структурная схема в данной задаче, на какой элементной базе лучше реализовать ФНЧ или чем его заменить,
может быть существуют другие более верные решения, какие подводные камни могут возникнуть (в трассировке печатных плат, экранирование, ЭМИ)?

Еще есть требования к измерительному тракту, чем собственно измерять собрались? Так же важна будет температурная стабильность вашей установки.

Измерения будут осуществляться с помощью стороннего оборудования - вольтметр Agilent. Сам измерительный тракт это отдельный вопрос, который думаю так же стоит обсудить.

Во всех крутых измерителях стоят обычные трансы на 50 Гц. Причём ещё и с хитростями. Туда DC-DC не ставят.

А можете дать пример подобного транса?

это потому что их проектировали лет 40 назад, как тот же HP3458A, или кисли какие-нибудь.
при этом свои собственные 50Гц по питанию они нормально отфильтровать не могут, их отлично видно при закороченных входах.

Но ведь после транса они все равно ставят какие-то фильтрующие элементы? LC ФНЧ?

Да, в 70-х работал в лаборатории измерительных усилителей. Так вот, трансы делались с двумя экранами между первичной и вторичными. Один экран - соединялся с землей с первичной стороны, а второй - с землей со вторичной стороны...
А уж про DC - DC можно забыть, потому как иголки от коммутации забьют всю метрологию.

пассивный ФНЧ по питанию на 50Гц? а какая у него будет частота среза, подавление на 50Гц и собственно номиналы элементов?

на картинке - СКО шума измеренного при закороченном входе, в зависимости от времени измерения.
Нажмите для просмотра прикрепленного файлаНажмите для просмотра прикрепленного файла
но ведь главное что в этих крутых измерителях иголок от коммутации нет, особенно при 30мс, так?

чтобы уж совсем поиздеваться, на данной картинке AD7195EBZ был запитан прямо от USB компьютера, т.е. самого чистого метрологического источника питания, который только можно придумать, что, тем не менее, ему никак не помешало.

Редкий бред... Уж от кого кого, а от Вас такое услышать... На 50Ом входе нашего изделия увидеть свои же собственные шумы от полдюжины DC-DC на плате не удалось в принципе, от слова «тепловой шум».

Ну да, похоже, что я того... Так?
Да вот только все это напоминает:
-Буби это ромбики?
-Не знаю, не знаю, играем на деньги!

А может все "трошечки не так"?
Вы наверняка не первый прибор делаете, опыт какой-никакой имеете. А тут приходит человек и задает вопросы "нулевого" уровня. И явно прибор ему нужен не серийный, а лабораторный. А значит, разворачивать крутые исследования на правильное конструирование, экраны и пр. им не имеет смысла. Так в чем прикол? экономия 2-3 кГ железа и гемор??? Или все же слепить из "накальника" и не заморачиваться? Я предпочитаю действовать с минимальным риском. Сделать, посмотреть, а уже потом оптимизировать.

Электростатический экран тороидального трансформатора.

Это понятное дело что LC фильтр для 50 Гц - что то мало реальное...

Я так понял, что на импульснике все-таки можно сделать?

Может есть какой-нибудь интересный пример?

Лабораторный прибор надо и запитывать от лабораторного источника питания, если уж на то пошло. А человек с "нулевым" уровнем (абстрактно, это не намек на ТС) и с 2кГ железа поимеет только кучу проблем, хорошо если никого не убьет. И где гарантия, что некий покупной на Чип-Дип "накальник" будет иметь те самые два экрана, про которые Вы говорите? Так их еще надо правильно приготовить, да и в сети не только 50Гц как бы...

Вот тут полностью согласен. Взять лабораторный источник с нормированными шумами и помехами и заниматься только измерительной частью. Это и правильно и быстро.
Теоретически можно такой источник конструктивно объединить с измерительной частью в одну железку...

Увы быстро не найду. Но в темах по анализу последних мультиметров от Keithley это есть. И даже в самом последнем 7510 тоже есть.
Причём там какой то хитрый патент на двух торах. Гугл думаю подскажет.


Чтобы издеваться над 3458a неплохо бы для начала вытянуть ещё бита 4-5 к имеющимся 24. Довести линейность до 0,05 ppm. И тогда уж сравнивать то что получилось. А то как то не честное выходит сравнение по одному единственному параметру.

Берем тороид, наматываем на нем первичку.
На втором тороиде - вторичку.
Потом делаем такую кастрюлю. Вниз кладем первый тороид, потом металлическую шайбу, потом сверху - второй тороид. По центру все это свинчиваем шпилькой, тоже металлической.
получаем трансформатор "первичный тороид - виток, создаваемый кастрюлей - вторичный тороид". Кастрюлю заземляем, она работает как экран. КПД конечно ужасный, зато экранирование идеальное. Так делали трансы для сигнальных цепей развязанных измерительных усилителей.

тау должен знать. Он когда-то ссылался на этот патент: раз и два..

включить импульсник
зарядить ионистор в питании измерительной части
выключить импульсник

...и тишина....

мне дин. диапазон наверх не очень интересен, сигналы не сильно большие, а вот шумы жить мешают.
тем более когда они почти на порядок подрастают без синхронизации от сети просто потому что в приборе за десяток килобаксов не очень аккуратно сделали питание.
и вот я поусреднял 100сек получил 1нВ шумов при +-40мВ входной шкалы у ad7195 или 26 бит.
а вот 3458а усредняй\не усредняй будет 100нВ от +-0.1В шкалы, сколько это в разрядах?
ну а линейность при желании тоже откалибровать можно, было бы чем.
тем более сигма-дельта АЦП всё-таки в принципе должен быть более линеен чем преобразователь двойного (ну или даже multislope) интегрирования на элементной базе родом из 80х.
если их одинаковыми коррекциями/калибровками обвешать.

Да, или так. Покупаем шуруповерт или беспроводной пылесос или хотя бы электро-самокат. Заряжаем аккумулятор. Потом его вынимаем и подключаем к прибору. Пару дней живем без помех...
И что удобно, на этом же самокате не работу ездить можно...

Народ на eevblog для оценки шумов вычисляют вариацию алана. И строят вот такие картинки.

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Опять же вот картинки шумов в зависимости от усреднения вполне линейно снижаются:

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Ну и до кучи вот распределение шумов для 3458a

Нажмите для просмотра прикрепленного файла

Вроде всё оооочень хорошо. В районе 0,3 ppm pk-pk. Это для диапазона 100мВ = 30 нВ что по моемум очень достойно.

Для единичного прибора да наверное можно. Сделать миллионы измерений с ppm-ной точностью. Но не технологично это для более масштабных вещей.Так вот как бы у них линейность обеспечивается именно АЦП без коррекции. Т.е. получается что multislope в их исполнении линейнее сигма дельта. И линейнее очень сильно. НА два порядка.

первая картинка с уменьшением шумов подозреваю снята с режимом autozero, то есть читерство, если я от входа буду постоянно периодически отключаться для автокалибровки смещения по ходу измерения, можно что-нибудь интересное и пропустить. ну и не на шкале в 0.1В где шумы гораздо заметнее.
на 10В шкалы, шумов действительно не видно, но на картинке - это 3мкв p-p, которые в 30нВ p-p, при переключении на 0.1В ну никак не превратятся.
там дейтствительно около 30нВ шумов правда RMS, что в 6 раз больше, и только при ~10NPLC, шаг влево шаг вправо - расстрел. При увеличении апертуры вылазит 1/f шум и лучше не становится. у кисли 2182а так вообще становится гораздо хуже с увеличением времени усреднения.
а если апертуру не привязывать к сети (не целое число PLC) то шумы тоже сразу же портятся, собственно из-за чего я эту картинку и привёл. в ответ на утверждение что импульсные преобразователи ни в коем случае использовать нельзя, только 50Гц трансформаторы, только хардкор.


вы уверены что с такой стоимостью прибора, он не калибруется девственницами в полнолуние по всей шкале, и 0.1ppm обеспечивается исключительно схемотехникой?
ну и не настолько там большая нелинейность чтобы миллионы измерений делать, десятка другого точек поди хватит.

У упомянутого выше LT3042 PSRR на частоте 120 Hz равен 117 dB. Зачем ему на входе ещё какой-то особенный ФНЧ?

1. Кто вам рассказал про такие высокие шумы + невозможность усреднения на 3458? GBIP интерфейс осваивайте.////
2. "тем более сигма-дельта АЦП всё-таки в принципе должен быть более линеен чем преобразователь двойного (ну или даже multislope) интегрирования на элементной базе родом из 80х." очень глубокое заблуждение. Вопрос возможной реализации того и другого.
3. Шум в 1 нВ - это круто! Нужно писать статью, даже шумы вида 1/f не проявились, 26дБ эффективного разрешения (Noise free bit resolution). Шумы ИОН не увидели, неужели такая корреляция. Фантастика, теперь главное, чтобы другие тоже смогли такое воспроизвести.
4. Для измерительных устройств важен не сам шум, а соотношение сигнал/шум (SNR).
5. Трансформаторы экранированные отлично работают. При конструировании трансформаторов для малошумящей измерительной аппаратуры приходится учитывать множество факторов. Часто трансформатор - произведение искусства. До минимума снижены межобмотоные емкости, двойная экранировка экранами фарадея. Общий магнитный экран.
6. Придется принимать меры к снижению пульсаций тока при перезаряде емкостей фильтра.
7. Может быть оптимальным будет параллельный стабилизатор напряжения, если нагрузка планируется постоянная.
8. Обычно такие малошумящие источники строят по схеме ИОН - фильтр - ОУ. Причем, возможно, лучше поделить сигнал с ИОН, чтобы ОУ работал не в режиме повторителя, а в режиме усилителя с КУ 3 - 5.






Потому как снижается PSRR сильно с увеличением частоты. Погасить 100 и 120 Гц это не проблема. В современной радиочастотной обстановке очень сильно мешает все, что выше 50-100КГц. Особенно из сети(привет импульсным преобразователям), особенно через межобмоточную емкость.






Химические источники тока сильно шумят.... Процесс ионообмена сопровождается генерацией значительного шума, трудно фильтруемого. Сеть бывает предпочтительней.

Точно, 26дБ или, всё-таки, 26 бит?


Читайте внимательно вопрос, на который я отвечал.

_pv спрашивал про уровень подавления пассивным фильтром частоты 50 Гц. Именно про этот фильтр я и говорил. Понятно, что фильтровать нужно всё, что пролазит из сети, но требования к габаритам и номиналам пассивного фильтра на 1 мГц будут несколько иными, нежели для фильтра на 50 Гц.

1. ну так приведите свой график шумов этого вольтметра от времени усреднения, покажите правдуъ, как оно на самом деле.
2. Понятно что от реализации зависит, просто там самый нелинейный элемент вроде как ёмкость интегратора должна быть, соответственно сигма-дельта обратной связью держит на ней напряжение около нуля, а вот преобразователь двойного интегрирования - не очень. и при прочих равных условиях реализации должно быть лучше, нет?
3. На график посмотрите, там всё видно. При измерении закоротки/околонулевых напряжений шум опоры должен быть заметен?
4. да, важно соотношение сигнал/шум, только вот та часть которая сигнал она от измерительного устройства как-то не очень зависит обычно.

ещё раз, было заявлено что в измерительной аппаратуре источник питания должен быть исключительно с 50Гц трансформатором, иначе никак, ибо импульсные преобразователи шумят и всё испортят.
я лишь привёл график, где у не самого дешевого вольтметра с источником питания на 50Гц трансформаторе эти самые 50Гц отлично пролазят в тракт и их там замечательно видно при измерении собственных шумов с закороченным входом.
а оценочная плата с копеечным АЦП, запитанная вообще от USB показывает при этом куда меньшие шумы.

мне же зачем-то начали рассказывать про линейность агилента, его НЧ шумы доказавая что мультиметр за 10000$ всё же лучше чем АЦП за 10$.

А вы уверены, что ваш Аджилент исправен? Может, в нем все электролиты по питанию уже давно высохли и/или отвалились, а вы пытаетесь на нем что-измерить, и потом ещё строите красивые картинки и на их основании делаете далеко идущие выводы о кривизне всех вообще источников питания с 50 Гц трансформаторами.

Может, пора уже отнести ваш Аджилент в поверку? Или, хотя бы, сделать такие же измерения с вольтметром той же модели, но более позднего года выпуска и сравнить шумы обоих приборов?

я не делал выводов о кривизне всех источников питания с 50Гц трансформаторами, я лишь на простом примере опроверг обратное утверждение, что без 50Гц трансформатора в источнике питания ничего работать не будет из-за шумов.


может и пора,
другие измерения с другими вольтметрами, правда не сказать что более новыми, косвенно тоже это показывают, хотя там и других источников шумов хватает, чтобы сказать наверняка.
а так конечно да, надо будет перемерить.
остальные владельцы 3458а могут тоже присоединится, закоротить вход и изменяя значение апертуры (в не целых NPLC) измерить десяток-другой точек и посчитать СКО.

1. Нет такой возможности. Если у вас есть такая возможность, то запустите сканирование при 10NPLC, а уже внешней программой просуммируйте и пробегитесь усреднением.
2. Емкость интегратора да, но она внешняя, что позволяет сделать ее более качественной, чем емкость, которую можно соорудить в техпроцессе на кристалле кремния.
3. Сигнал опорного напряжения всегда приходит на сумматор. Не важно, 0 на входе или нет. Потому вопрос на сколько шумы опоры могут быть ослаблены .
4. Так я не про источник сигнала, а про "Полношкальный" сигнал/шум АЦП. Сверху ограничены опорой, снизу шумами. Величину опорного напряжения на кристалле не поднять, а вот в том же HP, 10 В опора и это уже дает выигрыш!

А мне вот интересно: а что такая странная форма у этих кривых, относящихся к Кейтли и Аджиленту? Провалы какие-то регулярные. А у копеечного АЦП нет.
Как понимать?

провалы на временах измерения кратных 20мс, когда 50Гц c питания дополнительно подавляются.
а при 30мс пролазит половина периода поэтому и максимум.
в даташитах все красивые циферки шумов указаны исключительно с привязкой к сети (1, 10, 100 x 20мс).
а у копеечного АЦП просто питание нормально отфильтровано, хоть и от USB.



1. а кто вам рассказал тогда, что там не такие высокие шумы и что без autozero там нет 1/f шумов, которые делают дальнейшее усреднение бессмысленным?
график так и получен, до ~1 сек менялась апертура, после просто суммировались выборки с NPLC 100
2. да, но даже всякие полипропиленовые ёмкости имеют десятки ppm диэлектрической абсорбции. поэтому исключительно на "хорошести" внешней ёмкости выехать пожалуй не получится.
3. при нуле на входе опора будет подключаться строго +-+-+-, НЧ шумы с опоры тем самым убираются вроде бы.
4. если сигналы микровольтовые c SNR по сравнению с температурным шумом выходного сопротивления не больше 100, до 10В их усиливать бестолку.

Да. На его схеме нету 256 мегабайтного накопителя ) Вся хитрость в заказной микросхеме в которой даже ключи изготовлены разных размеров пропорционально коммутируемым резисторам чтобы компенсировать тепловые сюрпризы. Есть вполне подробное описание того как он сделан и как работает.Ну не знаю. Они обещают по паспорту не более 0,01 ppm это на мой взгляд ооооочень круто. Упоминаний про таблицы поправок не встречал. Опять же для калибровки он требует 10 В источник и всё. Т.е. линейность считается конструктивно заданной и неизменной. Если возникает проблема то меняют заказную крутую микруху

Чтобы слегка подлечить интегральную нелинейность, хватит и полинома не сильно большой степени.
Лечить же дифференциальную по таблице у 28 разрядного АЦП, не самая блестящая идея, это да, особенно с точки зрения измерений.
0.01ppm это конечно круто, но кому столько на самом деле реально может понадобится представить довольно сложно.
И в сто раз большая нелинейность, но за в десять раз меньшие деньги было бы ничуть не менее круче, особенно если бы ещё шумы подправили.

Может и так....

Пару лет назад я тоже с шумами заморачивался, с закороченным входом в том числе. Некоторые результаты на диапазоне 100мВ (200мВ у Keithley):



Вышеупомянутый исправный 3458А вполне способен выдать 100нВ при NPLC 1, улучшая до 20нВ при NPLC 100.
На практике же, когда мы меряем сигнал , а не перемычку на входе, собственный шум источника сигнала куда выше чем собственный шум мультиметра.
Ну а если источник у нас низкоимпедансный и выдает малое напряжение, то специализированные вещи вроде нановольтметров (HPAK 34420/KI 2182A) или же усилителей с трансформаторами вроде EM Electronics A10 вполне могут выловить и пиковольты в тихий темный день .

самое интересное на этих графиках как раз между 1 и 10 PLC, с мелким шагом в 0.1PLC или меньше. так как не всегда есть возможность измерения привязать к сети.
и тут либо у меня действительно конденсаторы приборах высохли их чинить надо, либо же HP, сделав вольтметр с 0.01ppm нелинейностью не осилили при этом сделать нормальный источник питания к нему и 50Гц пролазят в измерительный тракт при закоротке на входе.

У 3458A типовая нелинейность 0.05 ppm. Проблем с помехами в своих приборах не замечал, так что о чем речь , непонятно. Если хотите какой-то конкретный тест - присылайте программку на GPIB (можно псевдокод типа write("NPLC 10;DCV 0.1;TRIG AUTO"); data = read_data; write_to_file(data). Приборы у меня включены 24/7/365, могу сделать тест на 3458-ых и K2002 для пущей радости. У 3458А аналоговое питание с двойным экранированием, начиная прямо от обмоток специального трансформатора. Для пущей защиты от внешних помех можно подключать внешний источник защитного потенция на терминал GUARD, таким образом снижая влияние утечки на экран. Все измерительные кишки, включая аналоговый преобразователь питания заключены в этот изолированный экран со всех сторон внутри прибора.

Если так уж будоражит питание, то можете посмотреть на устройство свежего DMM7510. Там накрутили наизобретали малошумящий преобразователь с коаксиальными трансформаторами. Правда это оному прибору всеравно никак не помогает, судя по результатам тестов, тот же старый добрый 2002 и 3458 по прежнему выдают меньший шум безо всяких извратов с питанием.

в идеале повторить график из #9 сообщения. да для DCV 0.1; AZERO OFF;
то есть пройтись для разных APER от мс до секунды с небольшим шагом (сильно меньше чем 20мс) взять для каждой десяток другой отсчётов и посчитать среднеквадратичное отклонение. завтра поищу скрипт которым это измерял.
ну или хотя бы посмотреть как отличается шумы на закоротке при APER 0.02 и 0.03

Spur Issues.