Доброго времени суток!

Я прошу помощи тех уважаемых специалистов, кто реально работал со схемами подобного класса точности.
Собственно суть вопроса:
Необходимо создать входной делитель вольтметра постоянного и переменного напряжения со следующими характеристиками:
1. Диапазон входных напряжений 0-1000 В (пределы : 200 мВ, 2 В, 20 В. 200 В, 650 В по постоянному и переменному напряжению).
2. Частотный диапазон 10 Гц - 100 кГц.
3. Точность по постоянке - 0,01%.
4. Точность по переменке - 0,1%.
5. Дрейф - не более 10 мкВ/8часов после прогрева на пределе 200 мВ (для других пределов - пересчитывается эквивалентно) после 0,5 часового прогрева.
6. Входное сопротивление - 10 МОм.
Питание задано - однополярное +5 В.
Управление входным делителем - электронное.
Исходная схема приведена в прикрепленном файле.
Собственно схема стандартная и применяется во многих измерительных устройствах.
Номиналы R1-R4 и C1-C4 примерно соответствуют требуемым. Номиналы R5-R8 и тип опера - от фонаря (см. ниже).
Каскад на ОУ имеет переключаемый коэффициент усиления - 1 и 10.
А теперь собственно вопросы:
1. Подскажите, если можно, тип ОУ удовлетворяющий вышеописанным требованиям (+ минимальный шум).
2. Какими должны быть номиналы резисторов R5-R8 (хотя бы порядок)?
3. Что применить в качестве S1-S5 (герконы, реле, электронные коммутаторы)?
4. Как защитить вход ОУ от перенапряжения в случае ошибочного подключения (тип защитного элемента) ?
Я также буду благодарен за ссылки на источники, описывающие устройства подобного класса.
PS. При поиске по Форуму, по AN AD и AN LT я не смог получить рекомендаций по этим вопросам, может быть просто не понял...

Вот и прикиньте... Кажется мне, что на 100 кГц ни входное сопротивление, ни тот рисунок, что Вы предоставили... никак... Емкости должны с подстройкой быть... Реле в обратной связи поставьте на выход, а то на входе их емкость... И входная емкость ОУ на самом грубом пределе... ну не впишется в 0.1%. И вообще...
И, вообще, непонятно, как понимать такую точность разную на нулевой и ненулевой частотах. Вот на частоте 1 герц уже можно 0.1%?
И чем будем измерять-проверять...

Судя по вопросам, и схеме из букваря Вы вообще с аналоговой техникой не работали . На коленке такое не делается и проблемы не заканчиваются за входным делителем и "схемой". Десяток мегаом, сотня килогерц, 10uV ... Да и 0,1% на переменке это, поверьте, очень, очень круто, даже для много более узкого диапазона частот и напряжений. Для ориентации в сложности подобной работы может взгляните на цены приборов такого класса? Либо урезайте осетра, либо займитесь чем-нибудь другим.

Естественно, речь идет о том, что мне нужны указанные точности для постоянки и переменки отдельно.
Да, я согласен, что при 100 кГц входное сопротивленик будет примерно 150 кОм, однако это не так важно.
По поводу реле - в этом и заключается вопрос - какое должно быть реле ( или другое устройство коммутации), позволяющее обеспечить необходимые характеристики.
По поводу "измерять-проверять" - калибратор класса 0,001%.


Уважаемый zltigo, мой прибор класса точности 0,05% по постоянке и 0.5% по переменке (правда в диапазоне 20Гц- 20 кГц) и входным сопротивлением 1 МОм прошел сертификацию и в настоящее время проходит процедуру включения в Госреестр РФ. Поэтому хочется большего... и именно поэтому я прошу помощи у специалистов...

Чудеса встречаются, и судя по приведенной Вами схеме и вопросам это было именно чудо сертификации .

Если Вы обратили внимание, сертифицированный прибор имеет гораздо более низкие характеристики по сравнению с заявленными в начале темы, а схема приведена , естественно в упрощенном виде для того, чтобы понятнее была суть вопросов.
Вы правы чудеса бывают! Но не в этом случае..
Конкретно: какой тип ОУ применили бы Вы в данной задаче?

Ну начнем с азов - оветьте на детский вопрос, 2V синуса это сколько будет peak to peak?

2*1.41*2=5,64 и что это Вам дает ?

Мне? Мне ничего, а Вам подумать над Вашими словами

Следующий вопрос - какую частоту единичного усиления должен иметь операционник, дабы при коэффициенте усиления 10 иметь на частоте 100KHz завал много менее 0,1%

Следующий вопрос - какую частоту единичного усиления должен иметь операционник, дабы при коэффициенте усиления 10 иметь на частоте 100KHz завал много менее 0,1%

где то под 100МГц... а у LT1006 1MHz...

Прошу прощения если я Вас чем-то задел..
Играть в детские вопросы мне не интересно.
Естественно после ОУ стоит много чего, в том числе и RMC и МК и т.д. и т.п.
Если Вы считаете, что реализовать подобную задачу невозможно в принципе - так и скажите.
Я ведь прошу помощи, а не доказательств, что я "полный ноль".


Ну я же сразу сказал, что тип операционника - от фонаря (просто обозначить девайс).

Абсолютно нет.

Это зря,ответив на них сможете САМОСТОЯТЕЛЬНО а не полагаясь на анонимные советы решить, можно-ли по такой схеме построить желаемое и если можно, то какой операционник использовать. Для начала выяснили, что с требованием по питанию уже явно пролетели, причем вне зависимости от операционника .
Задаю наводящий вопрос к ранее заданному - какое усиление при разомкнутой петле обратной связи должен иметь операционник на частоте 100KHz, дабы при замкнутой петле обратной связи и усилении 10, иметь погрешность оного 0,1%? хотя вообще запас нужно многократный, ибо перед ним резисторы и паразитные, и разделительные емкости а за ним вообще много всего, полагаю....
Зайдем и с другой строны - посчитайте, пожалуйста, тепловые шумы (забудем про токовые) идеального резистора 10 мегаом в пролосе 100KHz и комнатных 20 градусах. И как они соотносятся с озвученным Вами десятками микровольт и 0,1% на 200mV переменного напряжения.

Посмотрите ради интереса входные цепи AC мультиметра Agilent 34401A (они есть в Service Guide). Его характеристики на AC гораздо скромнее ваших требований. Схема вас неприятно удивит своей сложностью. Там же можете постотреть, какие реле применяются в подобных приборах.

У меня встречный вопрос - я сейчас заканчиваю разработку прибора класса 0.05% и мне интересно в чем заключается сертификация?
Можете вкратце описать или привести ссылки?

Я присоединяюсь к Вашему мнению -посмотреть. Однако,насколько я помню Аджилент,Вы занижаете его достижения по переменке Есть еще 34410-он поточнее.
Во времена СССР выпускался очень неплохой вольтметр,тип не помню,на переменку.Из серии В7.
Входную цепь проще скопировать,если нет опыта создания подобных устройств.

Он называется В7-53, выпускается и поныне под маркой "БЕЛВАР" и именно его я и посмотрел в первую очередь. Вот только меня не устраивают напряжения питания, используемые в этом приборе. Примененные в этом приборе реле РВ-5а не устраивают меня по габаритам, а городить самодельные реле на герконах МКА-10501 не хочется.
Схему входных цепей Agilent 34401A я посмотрю, спасибо за наводку.


К сожалению привести ссылки сейчас не могу их нужно искать (непосредственно процедурой сертификации я не занимался).
Ну а общий подход - Вы оформляете заявку на сертификацию, где указываете заявляемые характеристики, представляете предполагаемые методики проведения испытаний. Старшие товарищи из центра сертификации Вас поправляют, Вы переделываете методики, Вас опять поправляют и тд .
Ну и передаете свой прибор на испытания. Оба этих процесса в принципе могут идти параллельно - главное чтобы в конце концов все сошлось.

Наивная молодежь думает, что все проблемы можно решить или просто, или быстро. Такая точность на постоянном токе достижима, но рекомендую купить какой-нибудь нановольтметр Keithley и разобрать. Минимизация термо-эдс будет для вас сложнейшей задачей.

А можно, я крамольную мысль скажу...
Не вижу никакого смысла в измерении с такой точностью переменного напряжения. Если амплитуду мы хотим знать, то как быть с формой? Надо сначала гармоники того, что хотим измерить поизучать. а потом уже измерять?
И что предполагается измерять? Амплитуду? Средний модуль? Действующее значение?
Кому эти цифры нужны с такой точностью? Никому, кроме одного-двух "умников".

Vishv, а стабильность номинала входного резистора 10 МОм как собираетеь обеспечить? Долговременную.
а цепей автокалибровки входного делителя у Вас не видно.

А есть микропроволочные таких номиналов... Или - были? Или около того.

Человек хочет переменное напряжение измерять, так что микропроволочные не подойдут. Я бы, скорее всего, из соображений стабильности выбрал тонкопленочный аттенюатор - все напыленные резисторы на одной подложке. Точность делителей высокая не очень нужна, можно потом откалиброваться.

Вот я и думаю, что не нужно его измерять - переменное напряжение. И неизвестно, что это, вообще, такое - переменное напряжение. С такой точностью и в таком диапазоне частот.

Да нет, почему же. Переменное тоже измерять нужно. Лет пять назад я бы тоже сказал, что точность преобразования 0,1% - совершенно нереальная. Но сейчас сделать среднеквадратический детектор из АЦП и контроллера несложно. Принципиальных препятствий нет, по крайней мере.
А вот калибратор такой точности где взять на 100 кгц?

У нас есть генератор 14-бит, хороший. Только объясните, зачем с такой точностью среднеквадратичный детектор в таком частотном диапазоне нужен. Раз в квадрат возводим, - точность нужна в два раза выше... Если контроллер используем, - нельзя пропускать и интерполировать далеко... - сколько точек в микросекунду нужно на 100 кГц? А разрядность АЦП?
И, главное, - что мы измерили, и как это число применять...

Татьяна,Ваша мысль крамольна.
Точность ,вообще то,так себе. Для поверки генераторов можно использовать подобную штучку.
Насколько я помню В1-9 может обеспечить подобную погрешность,и диапазон у него 100КГц.
Могу соврать,но В3-63 на 1КГц имеет погрешность 0.05%.

Вот и скажите, зачем нужно измерять это... При этом только для синусоиды... Иначе нужно знать форму сигнала...
Про синусоиду тоже нужно знать, что она синусоида..
Повторяемость... и проч. и проч. и проч.

В1- 9 может. Я в последнее время пользовался В7- 72 часто в качестве образцового. http://www.mnipi.by/multimetr13.html Вот поверяли его с помощью В1- 9. Кстати, мне снабженцы самовольно впарили вместо этого вольтметра упомянутый Агилент. По сравнению С В7-72 так себе прибор. Даже старый В7-34 ему не уступает, если взять реальные погрешности- я сам на В1-9 это проверял. Вообще, халтура. У него (Агилента) в качестве свидетельства о первичной поверке бумажка с измерениями погрешностей в нуле и на краю диапазона. И то я её выдрал у дистрибьютеров с трудом. Где- то близко есть под рукой. Могу отсканировать, если кто не верит. А описание типа они почему- то не смогли предоставить. Интересно, почему?


Ага. это у меня старый спор с потребителями. Они все хотят СКВ для синуса, зачем- не знают. когда спрашиваешь- в каком частотном диапазоне, отвечают- в самом широком.

Тут интересовались резисторами прецизионными и безиндукционными. С5-61 и Р2-67.

Про ЭТО ничего не скажу. Но измерение СКЗ возможно без знания формы сигнала. Важна воспроизводимость формы.
И если форма стабильна-Вы сможете измерять с большим разрешением,большей точностью и большим удовольствием.
Знания при проведении измерений всегда необходимы. Я про синусоиду. И про спектральную чистоту синусоиды.

Вообще, это не совсем так. Любой СКЗ детектор имеет ограничение по частотному диапазону, где его погрешность не превышает предельной. Даже тепловые в реале. Так что вообще, не любая форма. Кроме того, зачем измерять мощность помех и увеличивать тем самым погрешности измерения? У Вас, скажем, искаженная синусоида 50 Гц на вторичке трансформатора. Ну пусть 10 гармоник значимых с точки зрения СКЗ И на ней всякая ВЧ всячина. Её зачем мерять?

С частью первой Вашего ответа полностью согласен.
Со второй-полностью нет.Сигналом может быть,например,меандр. Я согласен и с Вами и с Татьяной,что для синуса вольтметр СКЗ явно избыточен.

Это если подходить чисто теоретически- считая, что и меандр у Вас идеальный, чего в жизни не бывает и быть не может, и в сигнале совсем нет шумов. Чего тоже, к сожалению, не случается.

Можно и практически. Сформировать меандр можно с очень высокой точностью. Шум-это неотъемлимая часть сигнала.

Так то оно так....Если Вам этот шум нужен в результатах измерения- нет вопросов. И кроме того, ваш высокоточный сигнал все- таки никогда меандром не будет. Поскольку Вам никогда не получить истинно разрывной функции в реале. То есть, и здесь есть предел по точности измерения СКЗ. Да и зачем это все? Для этих целей есть уже приборы, измеряющие мгновенные значения, разумеется, с оговорками на точность опять же.

Предел есть,но согласитесь,что сформировать меандр(и не только) можно с точностью существенно превосходящую точность вольтметра.
У вольтметров В4 точность так себе.У осциллографов-2%.Суть не в этом.Если у изделия выходной сигнал нечто горбатое,но стабильное-то все равно придется измерять вольтметром СКЗ.А,согласитесь,что измерять с большей точностью,и за чужие деньги,всегда приятнее.
Было бы неплохо уточнить предмет спора.Вы случайно не против вольтметров СКЗ?

Ну и как точно сформировать тогда? У осциллографов точность 2%- это точность полки. В лучшем случае. И то надо ещё линейность смотреть. И точность по горизонтали. Ессть ведь специальные калибраторы осциллографов, которые генерируют меандры точной формы. И стоят они очень не слабо по этой причине.

Я не против, но во многих случаях СКЗ вольтметры только портят жизнь. Измеряют то, что не нужно. Они действительно полезны при измерении шумоподобных сигналов ограниченного спектра. Хотя эталонные вольтметры и установки измерения напряжений/токов- именно СКЗ. Тепловые. Даже для синуса.

Кварцованный генератор имеет погрешность по длительности порядка -6 степени. Если сформировать нч меандр-то вклад нестабильности кварца будет ничтожен. По горизонтали у аджилентов и тектрониксов -0.002%. Если не вру.
По второй части Вашего ответа возражений нет. Хотелось бы только дополнить полезность измерением площади.

Да, но это все в среднем. И очень в среднем.

Дак и измерение то среднеквадратическое

А, это интересно. А как СКЗ прибор узнает период усреднения? Для него ведь он неизвестен.

Вы про что?

Измерительных приборов такой точности не делал - на мой взгляд в делителе проблем нет - реле должны быть герконовые, монтаж на фторопласте, детали с точностью не хуже заявленой -
основные проблемы не во входе - они будут дальше с АЦП и true rms.
А вот, что смутило
1. Вход находится под потенциалом ad780 - лучше повесить на 0, соответственно сделав питание двуполярным.
2. У Вас будут проблемы с конденсаторами 0.1% - найти сложно - может сделать термостатирование?
3. Нет защиты от HV - в такой схеме сделать её проблематично.
4. Странные у Вас коэффициенты деления - 1: 11 вроде как не стандарт - но вполне осмысленно если потом править результат ацп.

К примеру, у вас идеальный меандр периодом 1 сек и с коэф. заполнения 0,5, а время интегрирования СКЗ детектора- 0,5 сек. Это самый грубый случай. Могут быть и тоньше эффекты.

Время интегрирования связано с полосой - например у в3-57 полоса 5гц-5мгц. Если надобно полосу 0.1Гц - 100 кгц необходим переключатель....

Вообще говоря, делитель 10 МОм просто так для частот до 100 кГц смысла делать не имеет. Входная емкость, емкость компенсации + емкость кабеля все испортят. Или нужно подключаться к точке с низким вых. импедансом. Нужно делать или вход наподобие осциллографического+ кабель с делителем+ аттенюатор, тоже как у осциллоскопа, или ограничится обычным значением порядка 100 ком для входов переменного тока. Бывают, конечно более высокоомные входы, но или частотный диапазон уже, или погрешности выше, или измерения на переменке на ВЧ производятся при подключенной параллельно низкоомной нагрузке, или все вместе.

Согласен - может есть смысл сделать стандартный вход 1Мом 12pF для подключения стандартых делителей от осцилографа? Думаю, что когда нужна точность можно подключать напрямую, а в большинстве случаев можно и так.
Однако - true rms и так во всех осцилографах имеется.
В одном старом TEK475 я приделал микровольтметр к выходу усилителя - он там выведен на заднюю стенку - очень удобно и без глюков современных цифровиков.

вот и я об этом- в среднем. И долго. У современных вольтметров типа В7- 72 есть настраиваемое усреднение в дополнение к усреднению детектора и АЦП. Даже у старого В7- 34 такая штука есть. Но только в 10 кратном размере.

Уважаемые участники обсуждения!
Приятно, что предложенная тема Вас заинтересовала.
Видимо необходимо внести некоторые уточнения перед тем, как продолжить эту тему.
Итак:
1.Предполагаемый прибор является вольтметром постоянного и переменного напряжения, причем при измерении переменного напряжения используется RMC-DC преобразователь AD637. Дальше сигма-дельта АЦП и МК для управления, калибровки и т.д.
2. Прибор является лабораторным.
3. Заявленные мной в начале темы требования к входному каскаду являются предельными (то, чего мне очень хотелось бы достичь).
4. Естественно я понимаю, что готовое решение мне никто не предложит.
Теперь о двух главных проблемах с которыми я столкнулся:
1. АЧХ вольтметра имеет немонотонный характер, кроме того вид АЧХ зависит от амплитуды входного сигнала, что делает затруднительным обработку результатов измерений с целью линеаризации характеристики.
2. Противоречие между требованиями малого дрейфа и низкого уровня шумов при измерении постоянного напряжения (при применении AD8551 c зарезанной до 10 Гц полосой результаты получились более менее..) и необходимостью работать в широком частотном диапазоне при измерении переменного напряжения.
Я предполагаю, что первая проблема обусловлена наличием паразитных емкостей в схеме и конечными параметрами ОУ, но не могу оценить степень их влияния и соответственно "методы борьбы".
Разрешение второй проблемы мне видится в использовании "правильного" ОУ (или "хитрой" схемотехники) или простого разведения измерений постоянного и переменного напряжений по разным каналам начиная с входных клемм прибора (мне этот вариант не нравится).
Если кто-то поможет "пинком" в правильном направлении я буду благодарен.
Если кто-то может, поделитесь ссылками на схемы реальных приборов, пожалуйста.

1. Доводилось иметь дело с ad637 - для него нужно двуполярное 15 вольт - зачем тогда требование однополярных 5 вольт
2. Погрешность будтет 1% и зависеть от формы сигнала до +10% на прямоугольниках.
3 . Если нужна точность больше можно взять 16битный ацп на мегагерц 10 и обрабатывать в цифре - но советовать тут легко , а сделать сложно.
4. Есть ещё болометрические true rms конвертеры - кажется Linear что-то достойное предлагал

В "прошлой жизни" у меня AD637 работал при +-5 В с индивидуальной калибровкой и обеспечивал 0.5% без проблем, а в тут я его назвал "по инерции".. sorry!
Идея с АЦП у меня крутится уже давно, видимо в "следующей жизни" буду пробовать.
Болометрические конвертеры не смотрел - спасибо, посмотрю обязательно!
Однако перед реализацией такой архитектуры проблему с немонотонностью АЧХ входного каскада необходимо решить.

А как Вы думаете, почему промышленные лабораторные вольметры и мультиметры все сделаны на интегрирующих АЦП?
Вам нужно разработать стандартный аттенюатор- как в обычных вольметрах. Обратите внимание, у резисторов есть такой параметр- "предельное напряжение" он отражает область линейности зависимости тока от напряжения. При увеличении номинальной мощности рассеяния резистора (только не путайте с рассеиваемой на нем мощностью) предельное напряжение- больше. Т.е. резистор, скажем, 0.5 Вт может работать при больших напряжениях, чем 0,125 Вт при тех же номиналах. И так далее- конденсаторы частотной компенсации тоже нужно выбирать с запасом по напряжению- иначе их утечка скажется. Н90 и т.п. барахло в такие цепи не идут. Входные токи последующего каскада тоже нелинейно зависят от напряжения. В общем, при Ваших уровнях погрешностей учитывать приходится все.