Мечта начинающего перфекциониста, или метрология для самых маленьких

мечта начинающего перфекциониста, или метрология для самых маленьких

• 
  Цена: $6,57
  

• 
  Перейти в магазин
  

• 
  Найти похожие товары на searchsku.ru
  

к
ак видим — спаяно аккуратно, отмыто достаточно чисто, упаковано в антистатик с наклейкой, на которой подписаны результаты замеров на их эталонном вольтметре — 5 знаков после запятой. микросхема, правда, запаяна

Конденсатор С4 - плёночный с малой утечкой, остальные - керамические. Резисторы R2-R4 желательно малошумящие, у меня стоят С2-29В, допуск на них роли не играет. На IC2 собран активный фильтр. AD8551 - ОУ со стабилизацией прерыванием, имеет очень малое напряжение смещения нуля и его дрейф.
Калибровка ИОН прибора смещает передаточную характеристику почти на всех режимах сразу. Поэтому нужно выбрать один, метрологически самый важный, и уже для него выбрать/собрать калибровочный источник. 
TL431 к прецизионным ИОН отнести нельзя, но всё же подойдёт с большим натягом и только с буквой "B".
Если бы я решил заняться настройкой  MY68.jpg, то перво-наперво выставил бы потенциометром VR2 опорное напряжение АЦП. Для этого необходимо переключить прибор в режим измерения постоянного напряжения и подать на вход напряжение 0.3 - 0.35 В от калиброванного опорного источника. Как вариант, от любого источника с кратковременной стабильностью не хуже 0,1 %, но параллельно контролировать напряжение прибором более высокого класса. Далее с помощью VR2 нужно получить на дисплее показания, соответствующие опорному напряжению на входе. В этом случае АЦП работает "напрямую", т. е. никакие входные делители здесь не участвуют, а следовательно, мы имеем дело с базовой погрешностью прибора.
После этого, если очень хочется, можно выполнить настройку прибора в режиме измерения переменного напряжения с помощью VR1, в режиме измерения частоты с помощью VR3, ёмкости конденсаторов с помощью VR4 (именно в такой последовательности!). Конечно же снова понадобятся соответствующие эталоны или мультиметр более высокого класса точности.
К сожалению, калибровки режима измерения сопротивления в приборе нет в принципе и быть не может по одной причине: и эталонные резисторы, которые участвуют при измерении сопротивления, и резисторы входного аттенюатора при измерении напряжения - одни и те же. Настраиваем прибор в одном режиме, соответственно сбиваем настройку в другом.
Андрюха 007, если вам доступны микросхемы ИОН типа REF192, REF5025 и др. с малым допуском на выходное напряжение, тогда калибруйте ИОН прибора по ним. Проверить режим омметра можно по прецизионным резисторам (не хуже 0,25%), опять же если они вам доступны. А вот когда увидите отклонение, превышающее паспортную погрешность, тогда и будем думать 
Источники опорного напряжения характеризуются целым рядом параметров, включая номинальное выходное напряжение и его температурную зависимость. Последняя как раз и указана мной на схеме, как коэффициент 5 ppm/C. Величина его взята из справочного листка на REF192. Единицы ppm - это аббревиатура "parts per million", частей на миллион. Приведенное значение 5 ppm/C означает, что при изменении температуры в пределах рабочего диапазона на 1 градус Цельсия выходное напряжение ИОН может измениться не более, чем на 5 миллионных долей. При номинальном напряжении REF192, равном 2,5 В, это изменение составит 12,5 мкВ.
В MY68 всего 6 диапазонов измерения сопротивления. За исключением последнего, все имеют предел допустимой погрешности +/-0,8 %. Следовательно, для проверки мультиметра будет достаточно набора из 6 резисторов с номиналами не менее половины от верхней границы каждого диапазона и допуском 1/5-1/10 от предела допустимой погрешности. Например, можно набрать резисторов С2-29В с допуском 0,1% (Ж) и номиналами в районе 200 Ом, 2 кОм, 20 кОм, 200 кОм, 2 МОм. Равенство номиналов и "круглость" их значений не обязательны, но желательны из соображений удобства оценки результатов.
Для калибровки (проверки) измерения сопротивлений, сделать вот такую табличку, по которой можно периодически проверять мультиметр:


Для домашней поверки мультиметра подойдет натор резисторов точности 0,1% с номиналом 2/3 от мах. диапазона.
Для напряжений и токов необходимы приборы с классом точности на порядок выше поверяемого.
Хотя погрешность измерения, в радиолюбительской практике, в пределах 1,0 - 1,5% вполне достаточна.


Далее:

http://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=52829&sid=2b05620434f2f75a8629117962cb9d69&start=120

Ну что ж, пришло время вывести на испытательный полигон ещё две "конструкции выходного дня", имеющих непосредственное отношение к теме.



Нетрудно догадаться, что это снова транспортная мера напряжения постоянного тока с тремя выходными каналами: основным 10-вольтовым и двумя зависимыми, на 1 В и 0,1 В. Как и в прошлой конструкции в тесноте алюминиевого корпуса от пульта координатно-измерительной машины ютятся 4 основных функциональных блока: стабилизатор питания, источник опорного напряжения (ИОН), масштабирующий усилитель и декадный делитель напряжения.
ИОН построен на базе интегрального стабилитрона LTZ1000 по классической схеме, лишь незначительно отличающейся от той, которую я приводил на странице 3 темы.



Функционально ИОН состоит из двух узлов. Первый - стабилизатор температуры кристалла. В него входит транзистор-термодатчик (выводы 6-8 LTZ1000), симметричный резистивный нагреватель (выводы 1-2) и ОУ DA1.1 с обвязкой. Светодиод HL1 служит для индикации аварийного режима термостата, когда температура окружающей среды Tenv слишком близка к целевой температуре чипа Tcи режим термостабилизация нарушается. Чтобы этого не происходило достаточно, чтобы соблюдалось условие (Tc-Tenv)>=10. Наиболее критичными элементами в этом узле являются резисторы R4 и R5, образующие делитель напряжения, который в свою очередь определяет рабочую температуру термостата. Изменение сопротивления любого из них на величину 100 ppm приводит к погрешности выходного напряжения ИОН в 1 ppm. По этой причине в качестве R4 и R5 рекомендуют выбирать металлофольговые резисторы с близким по величине и знаку ТКС, не превышающим 1 ppm/C (Agilent для своего вольтметра 3458A регламентирует 1,3 ppm/C). Не смотря на это обстоятельство, термостабилизатор работает очень эффективно. Стоит ответить, что типовому температурному коэффициенту напряжения ИОН в 0,05 ppm/C соответствуют колебания температуры чипа всего на 0,00125 градусов Цельсия!
Второй узел ИОН - стабилизатор тока опорного стабилитрона VD2 (выводы 3-4). Для этого предусмотрен датчик тока в виде резистора R1 и ОУ DA1.2 с обвязкой. Транзистор (выводы 4,5,7) служит для компенсации ТК напряжения стабилизации стабилитрона VD2. Наиболее критичными элементами в этом узле являются резисторы R1 и R2. Изменение их сопротивления на 100 ppm вызывает дрейф выходного напряжения ИОН соответственно на -0,15 ppm и -0,4 ppm. Таким образом для R1 вполне допустимо использовать микропроволочный резистор с ТКС до 10 ppm/C, для R2 же требуется более стабильный металлофольговый резистор с ТКС не более 1 ppm/C. 
Что касается операционного усилителя, то к нему предъявляются следующие основные требования: минимальные входные токи и их дрейф, минимальный дрейф напряжения смещения, возможность работы при однополярном питании (rail-to-rail по входам). В справочном листке на LTZ1000 производитель рекомендует ОУ LT1013. Интересно, что практически во всех приборах, имеющих в составе ИОН на базе LTZ1000 (а их не мало, одних лишь мультиметров 7 моделей), используется именно LT1013, и только Fluke в своём 8508A заменила LT1013 на чуть более новый LT1413. Впрочем, это не слепое копирование даташита и не дань традиции. Это лишь говорит о том, что нет на сегодняшний день ОУ, обладающих по совокупности критичных характеристик какими-либо преимуществами перед LT1013.
К моему великому сожалению, запасы LT1013 иссякли неожиданно и не вовремя. Пришлось срочно искать ему замену из числа доступных, к коим я отнёс сдвоенный пикоамперный ОУ AD706. Вполне подходящий по всем показателям, кроме одного - он не rail-to-rail по входам и в типовой схеме включения LTZ1000 самовозбуждается. Эту проблему удалось решить введя в схему резистор начального смещения R11 (в Agilent 3458A он есть, хотя и не нужен) и увеличив ёмкость конденсатора C3.
Теперь немного о втором блоке - масштабирующем усилителе напряжения ИОН (около 7,1 В) в основное напряжение меры 10 В: 



Как видно, его схемное решение достаточно тривиально и включает в себя ОУ виртуальной земли IC1.2 и собственно масштабирующий ОУ IC1.1 с резистивным делителем RH/RL в обратной связи. Коэффициент деления последнего является определяющим метрологическим параметром и должен иметь очень малые температурную погрешность и временнУю нестабильность. Одновременно и то и другое практически невозможно обеспечить, используя серийно выпускаемые дискретные резисторы или их сборки. По этой причине в усилителе использован ранее описанный статистический подход, когда единичные резисторы верхнего и нижнего плеч делителя заменяются цепочками последовательно-параллельно соединённых прецизионных резисторов одной марки и желательно из одной партии. Конкретное схемное воплощение и процедуру расчёта делителя предложил известный китайский инженер и популяризатор в области метрологии Lymex Zhang (lymex/BG2VO):



Все резисторы номиналом 10 кОм на схеме являются металлофольговыми С5-61, отобраны из одной нормоупаковки и имеют ТКС не более 1 ppm/C. Резистор R23 с таким номиналом найти не удалось, поэтому он составлен из двух микропроволочных МРХ 499 кОм 0,02% и ТКС не более 5 ppm/C. Резистор R21 типа С5-61 класса ТКС 30 ppm/C. Остальные резисторы R24-R35 типа С2-29В распаяны на контактных площадках трёх декадных двоично-десятичных переключателей и служат для точной подстройки коэффициента деления и соответственно выходного напряжения меры.
Замыкающим в цепочке функциональных блоков является декадный делитель напряжения, с помощью которого формируются выходные напряжения зависимых каналов 1 В и 0,1 В. Бескомпромиссным вариантом здесь является описанный ранее металлофольговый делитель ДН1-ФМ-0,001 (9 кОм,900 Ом,100 Ом), разработанный заводом "Вибратор" для вольтметра Щ1516 и имеющий класс 0,001 (10 ppm).
Подводя итог, хочу сказать, что не смотря на кустарность исполнения, сборку усилителя на универсальной монтажной плате, и как следствие, отсутствие крайне необходимой в таких устройствах эквипотенциальной защиты цепей, монтаж сетевого трансформатора в непосредственной близости к ИОН, отсутствие термотренировки критичных элементов и целый ряд других огрехов, устройство заработало сразу и именно так, как запланировано. Выставленное напряжение 10 В уже продержалось сутки без изменений даже на 1 ppm. Что же до температурного коэффициента и долговременной стабильности, дальше видно будет 
На сколько я понял, регулировка усиления в данной конструкции возможна в пределах +- 75-80 ppm. Т.е. при повторении нужно будет предварительно измерить напряжение у имеющегося LTZ1000 с точностью не хуже 75 ppm?
Да, Вы абсолютно правы. Стоит правда отметить, что получение "красивых" значений с помощью данной регулировки не должно быть самоцелью. Первична стабильность, абсолютная величина напряжения вторична.
Начну свой пост с работы над ошибками 
По результатам предварительных испытаний ранее описанной конструкции, температурный коэффициент выходного напряжения +10 В получился просто огромным. Ниже комнатной температуры он составил примерно 2...2,5 ppm/C, что ни в какие ворота, разумеется, не лезет. Причиной такого поведения стал нештатный режим работы ОУ AD706 в ИОН: протекающий через измерительный резистор R1 ток в 4 мА обеспечивал напряжение смещения лишь 0,4 В на инвертирующем входе ОУ относительно шины питания. По данным спецификации это смещение должно быть не менее 1 В. В результате получилось, что CMRR оказался слишком мал для работы стабилизатора тока, да ещё и сильно зависим от температуры.
Проблема легко решается "хирургически", достаточно перерезать на плате дорожку к выводу 4 ОУ с конденсатором C4 и отдельным проводником соединить их с точкой "Guard" источника питания, которая имеет потенциал на 2,5 В меньше. Исправленный вариант схем приведён ниже. После этой доработки всё стало на свои места и температурный коэффициент выходного напряжения в том числе.

 

Теперь пару слов о второй конструкции.
Благодаря очень хорошему человеку, которого многие знают по нику Клапауций - автору замечательного сайта-музеяhttp://www.155la3.ru/, у меня появилась возможность собственноручно "пощупать" самые точные из серийно-выпускаемых резисторов - С5-60 разработки пензенского НИИЭМП.



К какому из двух классов относятся эти резисторы - металлофольговым или микропроволочным - для меня до сих пор остаётся загадкой. В разных справочных листках их относят то к одному, то к другому, то сразу к обоим в зависимости от "буквы" в обозначении. На моих - буква Т, которой нет ни в одном справочнике. Впрочем, это и не важно. В первую очередь важны их фактические характеристики. Отклонение от номинала ограничено допуском +/-0,005%, реально же - в 2 раза меньше. По температурному коэффициенту резисторы относятся к классу 3 ppm/C, результаты собственных измерений показывают 1,3 ppm/C.



Небезыитересно и то, что заявленные высокие метрологические характеристики вынуждают заботиться даже о сопротивлении выводов и мест пайки резисторов. Ведь для того, чтобы выйти за границы 0,005% допуска достаточно такой ничтожной добавки, как 0,25 Ом. Именно поэтому в конструкцию резисторов изначально заложена 4-х контактная кельвиновская схема подключения.
Взяв за основу пару С5-60Т на 5 кОм, можно изготовить для своей домашней лаборатории очень неплохую однозначную меру сопротивления, конечно если в ней есть необходимость. Например, вот такую:

 

В алюминиевой коробочке на печатной плате распаяны соединённые последовательно резисторы С5-60Т 5 кОм 0,005% 3ppm. Все выводы резисторов соединены толстыми медными проводниками с расположенными на пластмассовых крышках винтовыми клеммами, обеспечивая тем самым 4-х контактную схему подключения. Ещё две клеммы соединены с аналоговым датчиком температуры 1019ЕМ1, расположенным по середине платы. Не смотря на то, что выводы резисторов стальные, припаянные к ним проводники - медные, а клеммы изготовлены из "китайской" латуни, паразитная термоЭДС, которой я так опасался, практически отсутствовала даже при перепадах температуры в комнате. 
Стоит заметить, что печатная плата изготовлена не из стеклотекстолита, а из фольгированного фторопласта, что позволило минимизировать утечки. С таким же успехом можно было использовать обычные фторопластовые стойки или монтировать резисторы на весу, врастяжку между клеммами. Более сложной проблемой оказались утечки в кабелях мультиметров, к которым эта мера подключалась. Если комплект кабелей включает 4 одинарных неэкранированных проводника - тогда всё в порядке. У меня же были комплекты экранированных кабелей, в том числе с охранным экраном. С ними как раз и возникли проблемы, вернее, с их изоляцией. 
Нетрудно подсчитать, каково должно быть сопротивление изоляции, чтобы исказить результат измерения на 1 ppm. Для меры в 10 кОм эта величина составляет 10^10 Ом = 10 ГОм. Так любимый мной кабель от мультиметра В7-41 давал систематическую ошибку в виде занижения показаний на 5 ppm, а это немало! Лишь перейдя на кабели с фторопластовой изоляцией эту ошибку удалось устранить.
Про резисторы С5-60Т (опытные) я уже написал постом выше. К сожалению, радиолюбителям в розничной продаже С5-60, С5-61 найти очень затруднительно. Технологический цикл их производства весьма трудоёмкий, поэтому предприятия (их всего-то 2-3 осталось) работают по заказам, just-in-time.
Если не считать радиолюбительского обмена, источников аж целых два:
1) http://erk.su/catalog/cat/80000/600 - есть несколько номиналов С5-60 и С5-61 с допуском 0,005% и ТКС 5-10 ppm.
2) http://www.vegalab.ru/forum/showthread.php/56794 - Константин из Ростова-на-Дону, обращался к нему неоднократно за резисторами С5-61 с допуском 0,01% ТКС 5 ppm.

Цены в диапазоне от 50 до 80 рублей/шт.