Мой коллега, неравнодушный к прецизионной измерительной технике, вновь предложил познакомиться с интересным вольтметром, информации о котором в Сети оказалось лишь немногим больше нуля. На это раз речь пойдёт не об отечественной разработке, а о локализованном изделии одного из южнокорейских OEM производителей – компании JUNG JIN Electronics Co. Ltd. (ныне Credix Co., Ltd.). На вопрос о том, что это за изделие, лучше всего отвечает цитата из статьи бессменного консультанта раздела «измерения» нашего форума, Александра Анатольевича Дедюхина [6]:
Цитата:
Вольтметр универсальный В7-78. 6,5-разрядный универсальный вольтметр, обладающий широкими функциональными возможностями. Самый близкий аналог этого вольтметра — НР-34401А (Agilent Technologies); из отечественных аналогов близким является В7-54 производства Минского приборостроительного завода. По погрешности измерения вольтметр В7-78 несколько уступает вышеуказанным приборам, но розничная цена (около 30 000 руб.) в полтора раза ниже, чем у НР-34401 и более чем в два раза ниже, чем у В7-54! Поскольку конструкторы компании JUNG JIN не знакомы с отечественными разработками в области универсальных вольтметров, а основной задачей было создать конкурентную НР-34401А модель вольтметра, то внутренняя платформа и функциональные возможности вольтметра В7-78 очень близки к НР-34401А.
Забегая немного вперёд, скажу, что даже первая строка из этой цитаты стала для меня откровением. Дело в том, что в JUNG JIN при всё разнообразии номенклатуры производимых приборов в серьёз не занимались разработкой прецизионных мультиметров. По крайней мере в моей базе данных среди более сотни мультиметров с разрядностью 6,5 и выше не числится ни одной модели этой компании. Лишь в on-line каталоге продукции [3] я обнаружил единственную модель 5,5-разрядного мультиметра DM-500 для которого в обоих доступных руководствах пользователя китайским по белому было написано, что 6,5-разрядный режим доступен только при измерении частоты сигнала.
Как бы то ни было, насколько получился В7-78 конкурентоспособным в сравнении с HP 34401A, узнать лучше всего вживую, чем сейчас и займёмся
Конструктивное исполнениеВольтметр выполнен в стандартном корпусе, занимающем половину 19-дюймовой стойки. Состав элементов лицевой панели вполне традиционный: индикатор (ВЛИ), кнопка включения питания, два ряда функциональных клавиш, пять сигнальных гнёзд. На задней панели располагаются сетевой разъём, коаксиальные разъёмы входа и выхода синхронизации, разъём для подключения кабеля RS-232, предохранитель 5А токовых входов расположенных на лицевой панели.
При сравнении с выбранной для повторения моделью HP 34401A различий во внешнем конструктивном оформлении оказывается больше, чем сходства. «Зеркальная» компоновка лицевой панели (как у настольных Fluke), совершенно иное группирование функциональных кнопок. Кроме того, бросаются в глаза и первые признаки упрощения/удешевления. Отсутствует второй блок сигнальных гнёзд на задней панели и кнопка переключения на них, отсутствует интерфейс GPIB, штатно имеющийся у HP 34401A (точнее, плата GPIB интерфейса для В7-78 докупается и устанавливается отдельно).
Стоит лишь заглянуть внутрь приборов, всё становится намного интереснее. Общая компоновка не претерпела существенных изменений, если не считать зеркального её отражения. Но как говорят, всё дело в мелочах.
Силовой трансформатор закреплён всё так же у лицевой панели, однако размер его увеличен и расположен он крайне близко ко входному усилителю ACV секции вольтметра. Защитный экран, закрывающий весь аналоговый тракт прибора, из штампованного алюминиевого (на фото 34401A не показан) превратился в кусок фигурно вырезанного одностороннего стеклотекстолита. Сигнальные гнёзда из медного профиля, впаянные прямо в печатную плату для снижения термоЭДС, заменены обычными, да ещё и распаяны на переходной плате с разъёмом.
При внимательном сравнении печатных плат можно заметить, что поубавилось число крупных микросхем. А именно, напрочь отсутствуют «сердце» и «лёгкие» аналоговых схем HP 34401A – две заказные гибридные микросхемы с КМОП ключами и прецизионными согласованными резисторами. Зато других компонентов стало так много, что все они не поместились на основной печатной плате и некоторые пришлось размещать на внушительного размера плате угловой. Если говорить конкретно, то на эту плату полностью вынесены входной мультиплексор, масштабирующий усилитель постоянного тока и программируемый источник тока для режима измерения сопротивления.
Маркированные на основной плате логотип и год выпуска (март 2003 г.), а так же версия прошивки (REV 2005.01.03) говорят о том, что прибор не из первых выпусков и стоит ожидать, что все его «детские» болячки были уже устранены.
Метрологические характеристикиСопоставить основные метрологические характеристики В7-78 [1], DM-500 и их конкурента/аналога HP 34401A можно по следующей таблице, в которой зелёным цветом выделены превосходящие характеристики:
Нетрудно заметить, что В7-78, незначительно отличаясь от оригинала DM-500 (видимо при испытаниях с целью утверждения типа заявлены лучшие характеристики), существенно (многократно) проигрывает по допускаемым погрешностям аналогу HP 34401A. Но это ещё пол беды. Совершенно непостижимо такое инженерное решение, но входное сопротивление вольтметра В7-78 при измерении постоянного напряжения всегда, на всех пределах составляет величину 10 МОм. Гигаомного входа, непременного атрибута прецизионных вольтметров уровня HP 34401A, не предусмотрено в принципе! Ко всему прочему, разработчик не посчитал нужным указать в спецификации В7-78 (и DM-500) хотя бы типичные значения дополнительной температурной погрешности, входного тока, интегральной нелинейности, коэффициентов подавление помех нормального и общего видов – ничего этого нет.
Входной усилитель и источник тока Как выше было указано внутренняя (аппаратная) платформа вольтметра В7-78 близка к НР 34401А. Но я даже предположить не мог, насколько она оказалась близка. У американского аналога была заимствована не только структурная/функциональная схемы, но даже принципиальная вплоть до типов и номиналов ключевых компонентов. В дальнейшем если не оговорено особо я буду приводить поузловые фрагменты принципиальной схемы НР 34401А, а в комментариях пояснять те изменения, которые были привнесены разработчиками В7-78/DM-500.
Усилитель постоянного тока (УПТ) вместе с входным мультиплексором, а так же источник тока расположены на угловой дочерней плате.
УПТ представляет собой гибридный дифференциальный усилитель с согласованной парой полевых транзисторов на входе и коммутируемым делителем ООС на выходе, задающим коэффициент усиления. Для компенсации смещения нуля в оригинальном HP 34401A УПТ работает с прерыванием. На каждом втором измерении вольтметр отключает от УПТ внешний источник сигнала, закорачивает вход УПТ и результат измерения смещения нуля использует для коррекции результата последующего измерения входного сигнала. Особенностью такого режима работы УПТ является нежелательное уменьшение входного сопротивления и возрастание входного тока вольтметра из-за периодического подключения параллельно внешнему источнику сигнала разряженного конструктивного конденсатора, образованного входными цепями УПТ. Уменьшение этих вредных последствий достигается введением довольно сложного узла в виде аналоговых ключей, PWM ЦАП и повторителя на ОУ, которые позволяют предварительно выравнивать потенциалы источника сигнала и УПТ перед подключением последнего.
В чём же отличия УПТ вольтметра В7-78? Упрощён задатчик тока дифпары (ликвидирован ОУ и прецизионная резисторная сборка), исключён вышеописанный узел предварительного выравнивания потенциалов, все аналоговые КМОП ключи, ранее располагавшиеся в гибридной сборке, заменены на их дискретные аналоги, делитель ООС из 3-х согласованных по ТКС прецизионных тонкоплёночных резисторов, расположенных в одной гибридной м/с, заменён (!) на три выводных резистора PTF56 с температурным коэффициентом +/–10 ppm/C. Подобная участь постигла и программируемый источник тока. Повсеместно стоят дешёвые синие PTF56 с огромным допуском на ТКС +/–10 ppm/C.
Теперь становится понятно, почему в спецификации на прибор не указаны ни типичный входной ток, ни температурные коэффициенты.
ИОН и аналого-цифровой преобразователь ИОН и аналого-цифровой преобразователь – пожалуй самые ответственные узлы вольтметра. Схема на них отсутствует (к сожалению, как и на всё остальное), но я ничуть не жалею, что потратил дополнительно полчаса своего времени, чтобы путём реверс-инжиниринга эту схему заполучить.
Источник опорных напряжений В7-78, как и в большинстве «взрослых» приборов, основан на термостатированном чипе LM399. Выходных напряжений ИОН целых четыре. Два из них (+10 В и –10 В) коммутируются на вход интегратора АЦП, ещё одно (+7 В) используется в программируемом источнике тока, последнее (+4 В) заведено на чип АЦП последовательных приближений LTC1400, о котором поговорим чуть позже.
Если сопоставить схемы ИОН HP 34401A и В7-78, то обнаружится, что они практически идентичны вплоть до номиналов некоторых резисторов. Однако есть и серьёзное расхождение. Если в HP 34401A все наиболее ответственные резисторы согласованы по ТКС и находятся в ранее упомянутой гибридной сборке, то в В7-78 вместо заказной сборки россыпь всё тех же синих PTF56 с ТКС +/–10 ppm/C, да ещё расположенных в непосредственной близости от горячего LM399. Измерения на моём экземпляре прибора показали, что никакому отбору или группированию по ТКС эти резисторы не подвергаются. Особенно пострадал в моём случае инвертор +10 В => –10 В. Дрейф с прогревом прибора такой, что дополнительная погрешность измерения вольтметра в 2-3 раза превышает таковую, допустимую по спецификации для HP 34401A.
Ещё интереснее ситуация с АЦП. Просто взять и скопировать алгоритм преобразователя HP 34401A разработчики не могли, т.к. АЦП защищён патентом [8]. Пришлось, по-видимому, импровизировать, чтобы не попасть под патентные формулы
Несколько слов об АЦП «Multislope-III», использованном в мультиметре HP 34401A. Это интегрирующий АЦП, в котором результат преобразования складывается из двух величин. Назовём их условно старшими разрядами и младшими. Старшие разряды (т. е. грубое приближение величины напряжения) определяются непосредственно в ходе интегрирования входного сигнала по количеству квантов заряда, переданных интегратору при подключении к его входу источников калиброванного тока (ИОН +/–10 В с прецизионными резисторами). Младшие разряды определяются с помощью вспомогательного АЦП последовательных приближений, на вход которого подаётся напряжение с выхода интегратора (в HP 34401A всё немного сложнее).
Благодаря отсутствию ключа на входе интегратора АЦП «Multislope-III» имеет исключительно малую интегральную нелинейность (десятые доли ppm), чем могут похвастать все приборы на его основе. Однако известно, что вместе с патентной заявкой на «Multislope-III» рассматривалась ещё одна заявка от Hewlett-Packard на похожий по принципу работы АЦП [7]. Отличия заключались в наличии ключа в цепи измеряемого сигнала, ключа разряда интегратора и более сложном алгоритме преобразования. Последний предполагал выделенную стадию в работе АЦП – калибровочную, в которой определяются коэффициенты связи между единицами старших и младших разрядов. Как раз для этого и предназначен ключ сброса (обнуления) интегратора, использующийся при калибровке дважды. Не берусь судить, насколько лучше или хуже данный подход, но по моим наблюдениям на практике он не использовался ни разу.
А теперь рассмотрим следующие три рисунка, на которых изображены структурные схемы АЦП вольтметра В7-78, АЦП из патента HP [7] (условно назовём его неудачным) и АЦП вольтметра HP 34401A. Нетрудно заметить, что между первыми двумя различия заключаются только в одном единственном источнике тока, который и так можно вполне безболезненно устранить без изменения алгоритма преобразования.
Далее приведены осциллограммы сигналов в ключевых точках АЦП.
Сигнал на выходе нормирующего усилителя (т.е. на входе АЦП) при 4,5 и 6,5 разрядной шкале и входном напряжении 10 В 
Сигнал на выходе интегратора АЦП при входном напряжении 0 и 10 В 
Сигнал на входе вспомогательного АЦП LTC1400 при входном напряжении 10 В 
Логический сигнал INT управления ключом подачи Vin на вход интегратора 
Логические сигналы REF1 и REF2 управления ключами подачи +10V и –10V на вход интегратора 
Логический сигнал RST управления ключом сброса интегратора во время калибровки АЦП 
Эти осциллограммы лишь подтверждают моё предварительное заключение. Конструкторы В7-78 не долго думая (а может и долго) заимствовали уже известную структуру и алгоритм АЦП у Hewlett-Packard, видоизменив их так, чтобы не попасть под патентную формулу [7].
Впрочем, есть на этих скриншотах ещё кое-что, что заставило меня призадуматься. Ни общая длительность единичного измерения вольтметра, ни раздельно этапы измерения входного сигнала и нуля, все они не кратны периоду сетевой помехи (20 мс). К тому же в спецификации вольтметра, как я уже писал, ни слова о коэффициенте подавления помех нормального вида. Совпадение? Не думаю
ACV секция и RMS конвертер Входной делитель, масштабирующий усилитель, RMS конвертер В7-78 не отличаются от соответствующих узлов HP 34401A, за исключением ряда упрощений/удешевлений (на схеме подсвечены красным). Заменены на подстроечный конденсатор ЦАП и ОУ коррекции АЧХ усилителя в области высоких частот. Теперь восстановить равномерность АЧХ невозможно без вскрытия прибора. Кроме того, согласованные по ТКС резисторы ООС усилителя по старой доброй традиции превратились в синие PTF56 с ТКС +/–10 ppm/C.
Токовые шунтыСекция измерения постоянного/переменного тока без изменений скопирована с HP 34401A, включая номиналы и типы резисторов шунтов.
Цифровая секция Пожалуй это единственное в вольтметре, что было спроектировано с нуля, без оглядки на прототип. Комментировать здесь собственно нечего.
Качество монтажа и сборкиДля прибора, стремящегося стать конкурентом HP 34401A, качество монтажа, пайки оставляет гнетущее впечатление. Платы не отмыты от флюса. Переходные отверстия не залужены и не залиты припоем. Выводы у компонентов отформованы кое-как вручную и прихвачены к площадкам только с одной стороны без сквозной заливки. Сэкономлено даже на танталовых чип-конденсаторах. Вместо них сплошь впаяны выводные электролиты.
Результаты тестированияВходной ток при комнатной температуре 120 пА. Это в 4 раза больше, чем типовое значение для HP 34401A. Много, но не критично, т.к. при фиксированном входном сопротивлении 10 МОм с высокоомными источниками сигнала работать всё равно невозможно.
Скорость измерения в зависимости от режима:
Slow (6,5 разрядов) = 2,326 изм./c
Slow (5,5 разрядов) = 2,326 изм./c
Fast (4,5 разрядов) = 5,714 изм./c
Соответствуют ли эти скорости каким-то значением PLC, остаётся только догадываться.
Дрейф показаний при измерении меры 10 В (LTZ1000) после холодного старта прибора просто огромный. Очевидно сказывается ТКС тех самых синих резисторов
Краткосрочная стабильность показаний при измерении меры 10 В (LTZ1000) после прогрева прибора вполне обеспечивает чувствительность в 1 ppm.
Нормированная интегральная нелинейность в диапазоне от 0 до 10 В не лезет ни в какие ворота.
Нелинейность АЧХ в диапазоне 1 кГц - 1 МГц, %FS. Никаких претензий. Заявлен в описании типа диапазон до 100 кГц, получите и распишитесь. Правда конструктивно-технологического запаса по частоте никакого. Выходит, что мой карманный UT71E даже получше будет.
Нестабильность (шум) показаний при измерении напряжения и силы постоянного тока (использован калибратор Datron 4000A). Видно, что амплитуда шума наибольшая, когда входной усилитель в режиме Ку=100.
При измерении сопротивления нестабильность (шум) показаний становится просто невыносимым, 2-3 десятичных разряда можно просто выбросить. Что-то явно не то с подавлением помехи с частотой сети.
Похоже найдена ещё одна проблема. График изменения коэффициента подавления помехи нормального вида в диапазоне частот – это тихий ужас. В какой такой стране частота промышленной сети 54 Гц – я не знаю, но положенные 60 дБ на 50 Гц вольтметр обеспечить не может.
ЗаключениеНе смотря на удобный интерфейс, приятный ВЛИ дисплей, практически полную SCPI совместимость с HP 34401A, вольтметру В7-78 до него, как до луны. И даже существенно меньшая цена В7-78 не сделает его фаворитом.
Впрочем, если бы разработчики немного постарались, получился бы вполне удачный мультиметр. Для этого всего-то нужно: а) исправить в прошивке тактирование АЦП с целью привязки к периоду сети, б) заменить эти ширпотребные резисторы PTF56 хотя бы на такие же, но с допуском ТКС 5 ppm/C, в) мыть платы и не экономить припой, г) не округлять измеренные значения при выводе в интерфейс, д) сделать отключаемым высоковольтный делитель напряжения, чтобы обеспечить гигаомный вход вольтметра, е) сделать что-нибудь с этой жуткой интегральной нелинейностью.
Литература1. Вольтметры универсальные «В7-78». Описание типа.
https://yadi.sk/i/j0UmI4gI3DtN952. Digital Multimeter DM-500. Specification.
https://yadi.sk/i/4uBn_hIT3DtNza3. Jung Jin Electronics Co: General Purpose Instruments.
http://jungjinelect.en.ec21.com/General_Purpose_Instruments--199_3281108.html4. Новые измерительные приборы. Цифровой мультиметр В7-78 // Радио, 2003. – №11. – С. 73
http://www.chipinfo.ru/literature/radio/200311/p73.html5. Дедюхин А. А., Пивак А. В. Средства измерений для разработчиков аппаратуры.
http://prist.ru/info/articles/meas_instruments_for_developers.htm6. Дедюхин А. Средства измерения компании JUNG JIN.
http://www.kit-e.ru/articles/measure/2003_6_204.php7. Patent US5101206A Integrating ADC (HP, 1990)
https://yadi.sk/i/sNZ4WdhH3E3mEf8. Patent US5117227 Continuously integrating high-resolution ADC (HP, 1992).
https://yadi.sk/i/sOS8ZU-S3DtZhG9. HP34401A 原理分析 (анализ схемотехники мультиметра HP 34401A, части 1 и 2)
http://bbs.38hot.net/read-htm-tid-17335.htmlhttp://bbs.38hot.net/read-htm-tid-17402.html10. DIY多斜III积分式6.5位万用表 (самодельный 6.5-разрядный мультиметр на базе Multislope III АЦП)
http://bbs.38hot.net/read-htm-tid-35246.html
Вход
Регистрация
Правила
FAQ
Поиск
И где можно про это почитать более подробнее? Мне интересна информация о разработке приборов подобного класса...
