КИПиА, что касается источников (калибраторов) тока, наверняка небезынтересна будет книга Linden T. Harrison "Current Sources & Voltage References", 2005 года. В Сети есть электронная версия.

На предыдущей странице я упоминал универсальный калибратор постоянного напряжения/тока/сопротивления 4000A английской компании Datron. Тот экземпляр, ремонтом которого я занимался, был выпущен ещё в 1983 году. Тем не менее, даже на сегодняшний день он даёт фору почти всем отечественным калибраторам (исключая лишь В2-43, у которого погрешность воспроизведения на базовом диапазоне практически идентична). И это при том, что ИОН в английском калибраторе не термостатирован вовсе! Как исхитрились инженеры Datron получить столь малый температурный коэффициент (<0,3 ppm/C) и годовую стабильность 5 ppm в диапазоне температур 10 градусов Цельсия всего-навсего с помощью кучки банальных стабилитронов 1N829A?
Увы, ни в 1983 году, ни сейчас достоверно ответить на этот вопрос невозможно. В сфере прецизионной измерительной аппаратуры найти техническое или хотя бы сервисное руководство иногда намного сложнее, чем сам прибор. Не смотря на то, что калибраторы Datron серий 4000 (4000, 4200, 4700) построены на одном унифицированном шасси и имеют один и тот же источник опорного напряжения, ни на один из них нет технического описания в свободном доступе. Тем не менее, мы попробуем разобраться
Внешний вид печатной платы ИОН представлен на фото, компоненты пронумерованы мной в произвольном порядке. Обращают на себя внимание установленные на плате два операционных усилителя, три десятка прецизионных резисторов и металлическая пластина, в отверстия которой через термопасту вставлены 8 стабилитронов 1N829A, терморезистор и маломощный диод.



Два разъёма по краям платы служат для соединения с базовой платой (PWM делителем напряжения). На них выведены линии питания и выходного напряжения ИОН. Штыревой разъём в центре используется только в процессе настройки и тестирования ИОН на предприятии. В приборе он остаётся не подключенным.
Принципиальная схема, которая сравнительно легко читается по печатной плате, проста, как и всё гениальное:



Самым важным с метрологической точки зрения звеном ИОН являются два параметрических стабилизатора, состоящих из последовательно соединённых стабилитронов VD1-VD4, VD5-VD8 и соответствующих цепочек балластных резисторов. На ОУ IC1 собран стабилизатор рабочего тока стабилитронов. Величина тока для каждой ветви задаётся индивидуально, путём перерезания или соединения перемычек S1-S10. Таким образом обеспечивается 32 возможных сопротивления балластных резисторов и соответственно дискретность изменения рабочего тока в 1/32.
Зачем же такие сложности с восемью стабилитронами и дискретными потенциометрами? Ответ очень прост и кроется он в применении статистических методов. Выбранный базовый элемент стабилизатора – стабилитрон 1N829A – относится к классу прецизионных термокомпенсированных и имеет номинальное напряжение стабилизации 6,2 В. Это широко распространённый и недорогой компонент, по своим характеристикам близкий к советским КС108, КС190 и т.п. (но не по цене). Исключительной его особенностью является чрезвычайно малый шум в низкочастотной области. На рисунке ниже приведён график изменения падения напряжения на одном стабилитроне 1N829A с момента включения питания. Измерения проводились мультиметром HP3458A. После стабилизации теплового режима в течении часа было рассчитано среднеквадратичное значение напряжения шумов, нормированное на напряжение стабилизации. Результат составил 0,04 ppm. Для сравнения, собственный шум мультиметра чуть менее 0,02 ppm.



Так в чём же проблема? А проблема (или даже проблемы) заключаются в температурном коэффициенте (ТКН) и долговременной стабильности напряжения стабилизации. С первой можно бороться выбором оптимального рабочего тока стабилитрона, соответствующего минимуму ТКН. Для этого проводится предварительное тестирование партии стабилитронов, для каждого из них определяется вышеуказанный оптимальный ток, после чего все стабилитроны сортируются на группы по величине этого тока. Из каждой группы составляют наборы (kits), включающие 4 стабилитрона, основной балластный резистор (R24 или R25) и инструкцию с указанием номеров перерезаемых проволочных перемычек на плате для установки требуемого рабочего тока.
Со второй проблемой всё намного сложнее. Даже после длительного (тысячи часов) искусственного старения лишь доли процента из всех стабилитронов в партии могут обеспечить требуемую стабильность параметров. Но если формировать выходное напряжение с помощью не одного, а нескольких стабилитронов, то влияние индивидуальной нестабильности на общий результат будет уменьшаться пропорционально квадратному корню из числа используемых стабилитронов. Т.е. в нашем случае можно ожидать приблизительно в 3 раза лучшие показатели. Кроме того, соединяя стабилитроны последовательно мы тем самым увеличиваем выходное напряжение ИОН. Последнее, в свою очередь, уменьшает влияние нескомпенсированных термоЭДС, возникающих, к примеру, из-за температурных градиентов.
Что ж, со стабилитронами разобрались. Идём дальше. Насколько велики требования к остальным элементам, в особенности к IC1 и делителю обратной связи на резисторах R30 и R31? В качестве IC1 выбран ОУ широкого применения типа LM101A. Он не является прецизионным, имеет напряжение смещения Uсм до нескольких милливольт с максимальным температурным коэффициентом 15 мкВ/С. Казалось бы, выбор совершенно нерациональный, учитывая заявленные точностные характеристики прибора. Но это только на первый взгляд. Тепловой дрейф Uсм, приведённый к выходу ОУ, составляет 18 мкВ при изменении температуры на каждый градус Цельсия. На сколько же изменится падение напряжения на стабилитронах? Динамическое сопротивление каждого стабилитрона в цепочке VD5-VD8 приблизительно равно 10 Ом, а общее сопротивление балластных резисторов – 736 Ом. Таким образом изменение напряжения стабилизации по отношению к дрейфу напряжения смещения ОУ будет составлять примерно 1/20 часть или 1 мкВ/C. Много это или мало? Учитывая, что падение напряжения на цепочке VD5-VD8 составляет около 25 В, вклад ОУ (0,04 ppm/C) в общую температурную погрешность просто ничтожен.
Аналогичные рассуждения применимы и для делителя R30/R31. Если ограничить вклад температурной погрешности деления (ТКД) той же величиной в 0,04 ppm/C, то получается, что резисторы должны обеспечивать ТКД порядка 1 ppm/C. А для согласованной пары хороших прецизионных резисторов обеспечить такой ТКД – это просто пара пустяков. Кстати, если внимательно присмотреться к печатной плате, то можно заметить почти дюжину подобных высокостабильных резисторов малоизвестных ныне фирм Mann и Kelvin. Британскую Mann Components «проглотил» в 1983 году будущий электронный гигант Vishay, а Kelvin Industries вообще не оставила никаких следов в истории.
Итак, что мы имеем? Вполне законченный и самодостаточный источник опорного напряжения калибратора – так можно было бы ответить на вопрос, если не бы одно «но»: последующие каскады PWM-делителя, с которыми согласуется ИОН, требуют от него малого выходного сопротивления и напряжения в диапазоне от 20,3 до 20,9 В. Решением этих задач как раз и занимается второй операционный усилитель в составе ИОН. На резисторах R9 - R11 собран делитель, необходимый для усреднения напряжения двух параметрических стабилизаторов и приведения результата к вышеуказанному диапазону. На прецизионном малошумящем ОУ IC2 типа uA714 (полный аналог К140УД17А) и транзисторе VT2 выполнен буферный повторитель, на который дополнительно возложена функция компенсации сопротивления контактов разъёма CN1 и соединительных проводников на платах ИОН и PWM-делителя.
Пожалуй, можно поставить точку в конструкции ИОН. Что и было сделано инженерами Datron в 1982 году, во время первого запуска в производство калибраторов 4000-й серии. Однако год спустя выявилась ещё одна проблема с ИОН: обеспечить температурный коэффициент < 0,3 ppm/C оказалось не так-то и просто. А всё потому, что нулевой ТКН стабилитронов обеспечивается лишь в узкой температурной области. К тому же при комплектовании групп стабилитронов естественный разброс параметров существует даже в пределах одной группы. В дополнение к этому, масштабирующий делитель R9 – R11 стоит после параметрического стабилизатора и его температурный коэффициент в полной мере сказывается на общей стабильности выходного напряжения ИОН.
Избавиться от этой новой головной боли удалось очень простым и оригинальным способом. В схему ИОН был введён узел линейной термокомпенсации на кремниевом диоде VD9, термисторе R32 и резисторной обвязке R5-R8, R12, R13. Работает он следующим образом. VD9 и R32 установлены в отверстия теплораспределительной пластины рядом со стабилитронами VD1 - VD8, поэтому можно считать, что все они имеют приблизительно одну и ту же температуру. Резистор R6 обеспечивает небольшой прямой ток через VD9. Падение напряжения на VD9 имеет практически постоянный температурный коэффициент около -2 мВ/C. В свою очередь, напряжение на VD9 приложено к делителю R5-R4, нижнее плечо которого (R4) включено последовательно в цепь инвертирующего входа ОУ. С другой стороны, резисторы R12, R13, R32 и R8 формируют делитель выходного напряжения ИОН. Падение напряжения термисторе R32 зависит не только от температуры, но и от сопротивления потенциометра R12 (R8 в данном случае частично линеаризует экспоненциальную характеристику термистора). Напряжение на R32, как и в случае с диодом, оказывается приложено к делителю, нижнее плечо которого вновь R4. Отличие лишь в обратном направлении тока. Таким образом, меняя положение потенциометра R12, можно в небольших пределах регулировать температурный коэффициент компенсирующего напряжения на резисторе R4 и, соответственно, на выходе ИОН.

P.S. По иронии судьбы, пока я чертил схему и писал это сообщение, мой австралийский коллега из Scientific Devices прислал сервисное руководство на калибратор. После сравнения я нашёл в своей принципиальной схеме принципиальную ошибку: напряжение питания ИОН не квази-двуполярное +/-18 В с плавающей средней точкой, а полностью однополярное +36 В.

Mickle

Огромное Вам спасибо за труды, и жаль что мало таких людей на форумах.
Буду разбираться с инфой.

Нашел сайт по калибровке http://meettechniek.info/elementair/kalibreren.html

PCBWay - всего $5 за 10 печатных плат, первый заказ для новых клиентов БЕСПЛАТЕН

Сборка печатных плат от $30 + БЕСПЛАТНАЯ доставка по всему миру + трафарет

Онлайн просмотровщик Gerber-файлов от PCBWay + Услуги 3D печати

КИПиА, замечательный сайт с не менее замечательными иллюстрациями. Спасибо за ссылку!

Понадобилось мне для проверки интегральной нелинейности одного прибора (и её корректировки при необходимости) эталонный делитель напряжения 1:2. Характеристики делителя должны включать максимальное рабочее напряжение 20 В, номинальное сопротивление плеч делителя в диапазоне 10-20 кОм и самое важное - кратковременную нестабильность коэффициента деления не более +/-0,00001% в течении 30 минут после настройки. Вот и думаю, насколько реально это обеспечить ...

Выбираем схему BMS для заряда литий-железофосфатных (LiFePO4) аккумуляторов

Обязательным условием долгой и стабильной работы Li-FePO4-аккумуляторов, в том числе и производства EVE Energy, является применение специализированных BMS-микросхем. Литий-железофосфатные АКБ отличаются такими характеристиками, как высокая многократность циклов заряда-разряда, безопасность, возможность быстрой зарядки, устойчивость к буферному режиму работы и приемлемая стоимость. Но для этих АКБ очень важен контроль процесса заряда и разряда для избегания воздействия внешнего зарядного напряжения после достижения 100% заряда. Инженеры КОМПЭЛ подготовили список таких решений от разных производителей.

Подробнее>>

Mickle, очень интересно будет увидеть ваше решение.
Мне это кажется сложно осуществимым: поскольку С5-60 придется в активный термостат ставить, а также обеспечить их равенство с точностью выше указанной вами.

При питании моста Уитстоуна напряжением 40 В его чувствительность 100ppm/мВ (80 В - 50 ppm/мВ).

p.s. была интересная тема http://electronix.ru/forum/index.php?sh ... 79484&st=0 , но зарегистрироваться мне не удалось. А без регистрации не получается скачать статью по калибровке делителей Кельвина-Варлея.

Новый аккумулятор EVE серии PLM для GSM-трекеров, работающих в жёстких условиях (до -40°С)

Компания EVE выпустила новый аккумулятор серии PLM, сочетающий в себе высокую безопасность, длительный срок службы, широкий температурный диапазон и высокую токоотдачу даже при отрицательной температуре. Эти аккумуляторы поддерживают заряд при температуре от -40/-20°С (сниженным значением тока), безопасны (не воспламеняются и не взрываются) при механическом повреждении (протыкание и сдавливание), устойчивы к вибрации. Они могут применяться как для автотранспорта (трекеры, маячки, сигнализация), так и для промышленных устройств мониторинга, IoT-устройств.

Подробнее>>

Что ж, проблему я решил и готов поделиться с котами

На первый взгляд погрешность в 0,00001% (0,1 ppm) - это из области фантастики. На самом же деле это вполне достижимая величина даже в контексте долговременной стабильности, причем существует несколько подходов к её обеспечению при проектировании делителей в серийных приборах: от простейших резисторных делителей до операционных индуктивных делителей и применения для тех же целей широтно-импульсной модуляции. Последние два - суть многих современных калибраторов напряжения постоянного тока. Но увы, мне они не подходят, так как излишне сложны и громоздки для разового использования. Первый подход, использующий резисторные делители, намного проще, поскольку приборы на его основе являются чисто пассивными. Его я и решил взять на вооружение
Поскольку ничего из фабричных делителей (Кельвина-Варлея Fluke 720A, отечественный Н4-8 и пр.) мне недоступно, я решил изготовить делитель самостоятельно, "из того, что было" . Не желая перегружать сообщение, приведу лишь общие соображения касательно характера и влияния дестабилизирующих факторов. К таковым следует отнести все те, которые нарушают симметричность плеч делителя. Например, для того, чтобы измеренный с помощью компаратора сопротивлений коэффициент деления вышел на границу диапазона допустимых значений, достаточно одной следующих причин:
1) появление паразитной термоЭДС в 2 мкВ при номинальном напряжении на плече 10 В. Такую термоЭДС легко может дать спай медных проводников оловянно-свинцовым припоем при температурном градиенте вдоль спая ~ 1 гр. Цельсия.
2) изменение сопротивления одного из плеч на 0,2 ppm по причине саморазогрева под рабочей нагрузкой, паразитных конвективных тепловых потоков и пр. Эту погрешность может вызвать, к примеру, различие температур резисторов верхнего и нижнего плеч делителя на 0,1 гр. Цельсия при несогласованности ТКС резисторов на 1 ppm/C.
3) Вариации сопротивления контактов соединительной арматуры на 0,002 Ом при номинальном сопротивлении плеч 10 кОм (только при двухпроводном подключении).
4) Ток утечек в одном из плеч 200 пА, что эквивалентно сопротивлению утечек 50 ГОм.

Первый вариант, который я рассматривал, предполагал размещение двух прецизионных резисторов в рабочем объёме одноконтурного термостата. Кандидатов на такую должность было немало: микропроволочные резисторы С5-60, фольговые С5-61 и С5-60Т с допуском 0,005% и классами ТКС 3, 5 и 10; микропроволочные делители ДНМ и тонкоплёночные резисторные сборки.



Измерения показали, что резисторы С5-60 и С5-61 имеют разброс ТКС не более 1 ppm/C в одной партии. Сборки КМ308 обладают не худшими характеристиками и позволяют получить ТК отношения 0,8 ppm/C, хотя ТКС единичных резисторов в них 50-100 ppm/C. Одноконтурный термостат так же не представляет особой проблемы в плане обеспечения температурной вариации не более 0,1 C.
Тем не менее, я отказался от этого варианта. Малый объём рабочей камеры термостата, необходимость размещения добавочных резисторов, устранение термоЭДС - всё это в совокупности не давало никаких существенных преимуществ по сравнению с более простым "бестермостатным" методом.

Вариант второй. В отсутствии локальных тепловых источников большинство дестабилизирующих факторов легко устраняется. Но вместе с тем, более строгие требования предъявляются к согласованию характеристик резисторов делителя. Причём, не только номинального сопротивления, но и температурных коэффициентов первого и второго порядков.
На следующей фото приведён пример конструкции делителя Кельвина-Варлея Fluke 720A (он же KVD-700), обеспечивающего даже лучшие ТТХ, чем требуется.



Как видно из фотографии, никаких термостатов в нём не предусмотрено. Зато наиболее ответственные резисторы первой декады размещены в герметичном маслонаполненном блоке. Резисторы микропроволочные, номиналом чуть менее 10 кОм. Последовательно с каждым из них соединены расположенные уже снаружи резервуара на печатной плате цепочки резисторов для подгонки номинала до 10 кОм.
Следует так же принимать во внимание, что вне зависимости от того, с помощью каких средств достигается выравнивание температур резистивных элементов делителя: размещением ли в масляном резервуаре, алюминиевой или медной кассете или конвективным теплообменом на воздухе, - немаловажное значение будет иметь идентичность кривых ТКС дискретных резисторов. Даже с помощью индивидуального подбора резисторов в пары решить эту проблему весьма непросто. Тем более, что часть дорогостоящих прецизионных резисторов, не имеющая пары, остаётся "за бортом". В этом случае приходится измерять ТКС всех резисторов в диапазоне температур, сравнивать полученные кривые и вводить корректирующие поправки, например, последовательным или параллельным соединением резисторов с другими ТКС. Если кривая ТКС хорошо аппроксимируется линейной функцией, тогда говорят об альфа-компенсации. Если кривая нелинейна (манганин), тогда для её аппроксимации используют полином второго порядка и говорят о бета-компенсации.
Второй случай, нелинейную коррекцию температурной характеристики, я никогда ещё наблюдал. Первый случай достаточно широко используется на практике ввиду простоты методики (Datron 4902S, Fluke 5450A, Fluke 742A, Fluke 752A и др.). Очень часто добавочные резисторы можно изготовить буквально из подручных материалов, например, из медной проволоки, имеющей постоянный ТКС около 4200-4300 ppm/C. Подобную компенсацию можно выполнить несколько иначе, соединяя параллельно или последовательно резисторы с противоположным по знаку ТКС.



С появлением и развитием технологии металло-фольговых резисторов появилась возможность вывести производство делителей напряжения на новый уровень. Упрощённо такой фольговый делитель можно представить в виде диэлектрической подложки на которую нанесены (приклеены, зачеканены и т.д.) проводники в виде фольги из резистивного сплава. Ничего не напоминает? Конечно, точно таким же образом устроены проволочные и фольговые тензорезисторы.
Какие же преимущества даёт эта технология? Рассмотрим для примера одни из фольговых печатных делителей, который любезно предоставил уважаемый коллега Cocteau:



Каждый резистор в этом делителе представляет собой множество зигзагообразных дорожек на тонкой стеклотекстолитовой печатной плате. В свою очередь плата надёжно приклеена к стальной пластине. Стальная пластина выполняет сразу несколько функций: обеспечивает теплоотвод и минимальный температурный градиент, выполняет роль несущего конструктивного элемента, и наконец, обеспечивает максимальную близость ТКС резисторов делителя. Конструкционная сталь по сравнению с алюминиевыми и медными сплавами имеет наименьший температурный коэффициент расширения, порядка 10^-5 1/К. Поскольку толщина пластины мала, при воздействии внешних силовых или тепловых факторов на всей её поверхности (за исключением краевых зон) будет двухосное напряженно-деформированное состояние. Главные оси деформации направлены соответственно вдоль сторон прямоугольной пластины. Точно так же направлены и проводники печатных резисторов. Отсюда следует, что ввиду совместности упругих деформаций пластины и проводников, изменение сопротивления последних строго предсказуемо и практически не зависит от ТКС материала самих проводников. Стоит обратить внимание и на то, что плечи делителя состоят из нескольких последовательно соединённых резисторов, которые в добавок ко всему чередуются между собой. Этим достигается очень близкие значения ТКС плеч делителя.
Именно такие печатные фольговые резисторы я и взял за основу. Схема их соединений приведена ниже:



Всего было использовано 8 печатных делителей класса долговременной стабильности 10 ppm/год. Половина из них была включена в общую цепь развёрнутыми на 180 градусов. Это было необходимо, чтобы компенсировать неодинаковую толщину лакового покрытия на платах, которые, по-видимому, сушили в вертикальном положении. Платы расположены в направляющих пазах с зазором, чтобы исключить в них возможные реактивные напряжения в результате тепловых деформаций или деформации корпуса в целом. Конструкция и все электрические соединения выполнены по возможности симметричными. На крышку корпуса выведены две пары медных винтовых клемм для кельвиновского подключения к источнику опорного напряжения и три потенциометрические клеммы. После сборки без какого-либо подбора или настройки измеренная несогласованность сопротивлений плеч составила всего 1,6 ppm. Для окончательной настройки понадобилось задействовать несколько добавочных резисторов на 0,8 Ом и подстроечный двухшкальный потенциометр СП5-35, который под шлиц выведен на верхнюю крышку прибора и позволяет корректировать ТКД делителя в пределах 0,25 ppm.



Испытания показали, что требуемые характеристики обеспечиваются с большим запасом. Выставленный коэффициент деления сохранился неизменным в течении 24 часов с неопределённостью +/-0,1 ppm при доверительной вероятности 0,95.

P.S. Масса делителя в корпусе составила аж 4 кг, но это неизбежная расплата за стабильность.

Про блок делителей я совершенно забыл. Хорошо что он пошел в дело.

Как всегда интересно.
Но после прочтения у меня возник вопрос: зачем строить делитель если в принципе есть средства для его контроля? Ведь наверняка этими же средствами можно было проверить нелинейность, собрав делитель с близким к требуемому коэффициентом деления, и измеряя его коэффициент деления с необходимой точностью непосредственно перед и после проверки линейности другого прибора.

Совершенно справедливое замечание. Но сложности, как известно, кроются в деталях. Сравнить два сопротивления по 10 кОм с неопределённостью 0,1 ppm - это одна проблема. При её решении не нужно думать об абсолютной погрешности измерения, интегральной нелинейности омметра или его температурном коэффициенте. Совсем другое дело - измерить произвольный коэффициент деления с такой же неопределённостью. Здесь ситуация меняется на противоположную.
Делитель потребовался мне всего лишь для минутного дела: выполнить послеремонтную прекалибровку широкодиапазонного калибратора напряжения на пределе +/-20 В. В сервисно-технологической документации эта простая задача решается простыми средствами: делителем 1:2, мерой напряжения 10 В и нуль-индикатором. Затруднение было только с первым из них.

Миниатюрный вариант ИОН на базе LTZ1000CH. Схема классическая, из даташита. Было изготовлено два экземпляра: один для модернизации прибора, второй - контрольный. Температура термостатирования выбрана 65 град. С. Разумеется, при столь малых габаритах платы для тепловых якорей и Г-образных разгрузочных пазов места уже не нашлось. Хотя, если посмотреть на ИОНы от HP/Agilent 3458A и Keithley 2002, то становится понятно, что может быть и ещё хуже
Металлофольговые и тонкоплёночные резисторы подбирались по ТКС первого порядка (за исключением наиболее критичного делителя R4/R5, для которого учитывался и второй порядок). Фактические значения коэффициентов указаны на схеме.
Следует иметь ввиду, что ИОН не является законченным устройством и не может использоваться самостоятельно, например, как транспортная мера напряжения. Пропорциональный регулятор в термостате ИОН имет большой коэффициент усиления и крайне-высокую чувствительность к помехам общего вида. А ввиду большого выходного сопротивления ИОН, подключать к его выходу что-то, отличное от буферного или масштабирующего ОУ, совершенно бессмысленно. К примеру, показания вольтметра на нижеприведённой фото менялись на сотню микровольт всякий раз, когда я подходил ближе двух метров к столу с работающим на нём компьютером.

Mickle

В очередной раз познавательно и интересно

Попрошу рассказать как считается процент погрешности сопротивлений, при параллельном и последовательном включении.То есть как узнать какой будет в суме процент погрешности. или сопротивление расчетное.

Пример

Имеем сопротивление 9000 Ом-1%(может быть от 8910 Ом до 9090 Ом) + последовательно 900 Ом -1%(может быть от 891 Ом до 909 Ом )
В сумме может быть ( 8910 Ом + 891 Ом ) а может быть (8910 Ом +909 Ом )- ???

Отвечу вместо Mickle.

Погрешность косвенно измеренной величины, которая может зависеть от нескольких величин одновременно, статистически рассчитывается как корень квадратный из суммы квадратов частных погрешностей.

В вашем случае косвенно измеренная величина - это суммарное сопротивление. Его среднее значение равно 9900 Ом. Абсолютные частные погрешности равны 90 и 9 Ом соответственно для резисторов 9000 и 900 Ом. Погрешность суммарного сопротивления будет равна корню квадратному (90*90+9*9) = 90,45 Ом.
Часто встречающиеся "в быту" случайные величины имеют распределение Гаусса, которое показывает с какой вероятностью данная величина может иметь то или иное значение. Это распределение описывается средним значением случайной величины и ее дисперсией, которая показывает как сильно величина "размазана". С 67% вероятностью значение величины попадает в интервал +-дисперсия, а с 89% вероятностью - в интервал +-3 дисперсии.
Поэтому если в допуск резисторов 1% укладываются 90 % ваших резисторов по 9000 и 900 Ом, то можно сказать, что с этой же вероятностью 90% мы получим суммарное сопротивление (9900 +- 90,45) Ом. Но правильнее запись будет (9900 +- 90) Ом.


Но может получится так, что погрешность 1% у резисторов - это не случайная погрешность, а систематическая, которая возникла в результате неправильно откалиброванного омметра. В таком случае стоит говорить о максимальной погрешности которая будет равна сумме частных. В результате получим суммарное значение (9900+-99) Ом. Правильнее конечно будет запись (9900+-100) Ом.


Технология изготовления резисторов у производителей отработана и обычно имеет место случайная погрешность. Поэтому если соединить последовательно 100 резисторов сопротивлением 1 кОм и допуском 1%, то в результате получится сопротивление 100 кОм с допуском 0.1%. Аналогичный результат получим при их параллельном соединении. Т.е. погрешность будет уменьшаться пропорционально корню квадратному из числа однотипных резисторов. Об этом писал Mickle, говоря о статистических делителях.

Cocteau

Благодарю Вас за разьяснения.

Минул 30-летний юбилей выхода в свет первого в мире 8,5-разрядного мультиметра. Казалось бы, 30 лет для приборостроения - срок не малый, но пробиться даже в первую десятку оказалось не так и просто.
Вот она, летопись героев :

Магия восьми и одной второй.

Без преувеличения можно сказать, что эталонные 8,5-разрядные мультиметры являются не просто уникальными по своим характеристикам изделиями со специфической областью применения. Их появление создало предпосылки для перехода на качественно новый уровень методологии в национальных метрологических институтах многих стран.
От обычных прецизионных мультиметров широкого применения эталонные мультиметры отличает целый ряд признаков:
- динамический диапазон АЦП свыше 8 десятичных порядков (при измерении постоянного напряжения и сопротивления);
- дифференциальная нелинейность порядка 0,01 ppm;
- интегральная нелинейность не хуже 0,2 ppm;
- собственные шумы менее 0,05 ppm RMS в диапазоне частот 0,1-10 Гц;
- температурный коэффициент менее 1 ppm/C;
- наличие базового предела измерения с номинальным напряжением 10 В и более, на котором должны гарантироваться высокое входное сопротивление (>10 ГОм) и малый входной ток (<50 пА).
Что касается долговременной стабильности, то про неё можно сказать буквально следующее: то, что типичный 6,5…7,5-разрядный мультиметр может обеспечить лишь в течении 24-х часов, эталонный мультиметр – в течении года.
Вполне очевидно, что проектирование подобных приборов требует применения системного подхода и наличия у фирмы-разработчика компетенций в областях схемотехники, аналоговой и цифровой электроники, материаловедения и т.д. и т.п. Иначе говоря, с нуля разработать такой мультиметр практически нереально.

Всё началось…
в 1983 году, когда известная британская компания Solartron Instruments представила всему миру свою передовую разработку – широкодиапазонный мультиметр модели 7081 с диапазоном показаний +/-140000000 единиц.



Разумеется мультиметр разрабатывался не на пустом месте. Большая часть схемных и технологических решений была отработана на предшествующих моделях, в числе которых 7,5-разрядный Solartron 7075, а также целое множество других с разрядностью от 3,5 до 6,5.



Центральным элементом мультиметра стал интегрирующий аналого-цифровой преобразователь с широтно-импульсной модуляцией (PWM). Наряду с классическими методами двух- и трёхтактного интегрирования, метод PWM был запатентован Solartron, причём сразу в двух странах (GB1434414A и US3942172A в 1976 г., US4340883 в 1982 г.).



Отличительной особенностью метода стало отсутствие в цепи измеряемого сигнала каких-либо коммутационных элементов, которые, как известно, являются источником интегральной нелинейности АЦП (ввиду конечного сопротивления ключа) и дополнительных шумов из-за инъекции заряда. Кроме того, поскольку среднее напряжение на конденсаторе за единичный период преобразования равно нулю, устраняется ещё одна проблема: влияние диэлектрической абсорбции в диэлектрике конденсатора.



Цикл единичного преобразования инженеры Solartron окрестили словом GLUG (букв. глоток, бульк) подразумевая под ним квант заряда. В модели 7081 длительность одного GLUGа выбрана равной 6,25 мс. При частоте заполнения 5,24288 МГц это примерно соответствует разрешению в 4,5 десятичных разряда. Для того, чтобы получить бОльшую разрядность, выполняется усреднение нескольких циклов. Так, для 6,5-разрядного режима обрабатывается результат 64 GLUGов и общее время измерения становится 0,4 сек. Соответственно для 7,5 имеем 512 GLUGов и 3,2 сек, а для 8,5 разрядов – 8192 GLUGа и время измерения 51,2 сек.
Вообще, инженерам чувства юмора не занимать. К примеру, точку объединения сигнальных проводников на схеме в Solartron называют «Mytchett» (деревня в паре миль от их фабрики ), Datron – просто «Star Point», у кого-то встречалась даже «Mecca».
Интегральная нелинейность мультиметра с таким типом АЦП согласно спецификации не превышает 0,2 ppm. Мои измерения показывают величину менее 0,1 ppm (0,00001%). Понятно, что столь впечатляющие технические характеристики не могли не заинтересовать и других разработчиков измерительной аппаратуры. Действительно, в советской литературе середины 80-х годов появилось описание метода «динамического интегратора», сопровождающееся скромной ссылкой как правило на руководство одного из мультиметров Solartron. В 1987 году был разработан превосходный отечественный 5,5-разрядный мультиметр В7-46, ставший родоначальником последовавших за ним В7-53, В7-54 и др., основанных всё на том же методе «динамического интегратора». О Solartron все благополучно забыли, тем более, что и фирмы такой более не существовало



Не будем о грустном. Так что же представляла собой модель 7081? Это моноблок стандартного размера под 19 дюймовую стойку, оформленный в классическом стиле Solatron: скруглённые углы, приятная плёночная клавиатура с оранжево-голубой расцветкой, ВЛИ алфавитно-цифровой дисплей успокаивающе светло-синего цвета.



Внутри прочного корпуса из необратимой пластмассы разделённого перегородкой расположены трансформатор источника питания, 4 основные и несколько коммутационных плат. Функциональная структура мультиметра предполагает деление всех узлов на две категории: имеющие связь с цифровой «землёй» (earthed, «заземлённые») и изолированные от неё (floating, «плавающие»). Компоновка мультиметра выполнена соответственно этому критерию. В левой части корпуса располагаются выпрямители и стабилизаторы, а также всё то, что относится к «заземлённой» части: плата микропроцессорного управления и периферийная логика.



Плата микропроцессорного управления имеет на борту 8-битный МП Hitachi HD6809, ПЗУ с программным обеспечением и энергонезависимое CMOS ОЗУ для хранения текущих режимов, констант и результатов измерений. Программное обеспечение включает в себя все высокоуровневые процедуры управления режимами измерения, калибровки, обработки результатов, интерпретации команд по протоколам GPIB и RS232, вывода на дисплей, обмена данными с «плавающей» частью.
Примечательно, что на каждой из двух плат установлено по одной батарее питания (литиевая на 3,7 В и Ni-Mh аккумулятор на 3,6 В). Поскольку живут они совсем не долго, могут возникнуть опасения: а не потеряются ли калибровочные константы в таком случае? Ответ – нет! Литиевая батарея предназначена для резервного питания часов реального времени и календаря. Аккумулятор же служит только для сохранения в памяти текущих режимов, результатов измерений, «нулей». Эти два источника можно смело отключить, на приборе это практически никак не скажется. Лишь работа с ним станет менее удобной.
Но есть проблема посерьёзней. В самых первых выпусках мультиметра устанавливались ПЗУ программ в виде пяти чипов TMS2564 по 8 кбайт каждый и ОЗУ в виде шести чипов HM6116 по 2 кбайт каждый. И всё бы ничего, но надёжность и тех и других была никудышной. Кроме того, TMS2564 имели нестандартную цоколёвку и заменить их на классические 2764 не представлялось возможным. К несчастью сия проблема коснулась и меня. В один прекрасный день мультиметр просто не запустился безо всяких признаков жизни Оказалось, что программное обеспечение при каждом «холодном» старте мультиметра проверяет равенство нулю контрольной суммы всей области ПЗУ и в случае неудачи зацикливается на этой проверке, постоянно прописывая по отладочному адресу текущую контрольную сумму и сигнализируя тем самым о причине неполадки. Пришлось пойти кардинальным путём и заменить когорту из 11 чипов всего на 3 штуки, но с большей степенью интеграции. Временная кросс-плата на макетке получилась немного аляповатой, но как говорят «нет ничего более постоянного, чем временное».



Всю правую часть корпуса мультиметра занимают изолированные от цифровой земли узлы, расположенные на двух платах. На верхней находится высоковольтный делитель 1:100, входной масштабирующий усилитель постоянного тока, усилитель переменного тока и преобразователь среднеквадратичных значений. На нижней плате располагаются аналого-цифровой преобразователь, гальванически изолированный источник токов для режима измерения сопротивлений, вспомогательный микропроцессор с обвязкой и линейные стабилизаторы напряжения.



Входной масштабирующий усилитель является вторым по метрологической значимости узлом в мультиметре после АЦП. Сложность его проектирования кроется во взаимоисключающих требованиях: входное сопротивление не хуже 10 ГОм, входной ток не более 50 пА, размах входного напряжения до +/-12-20 В, полоса пропускания соответственно возможностям АЦП, амплитуда шумов в низкочастотной области менее 1 мкВ RMS, малый температурный коэффициент смещения нуля (десятые доли ppm на градус) и высокая долговременная стабильность коэффициента усиления.
Готовые интегральные решения, пригодные для использования в 8,5-разрядных мультиметрах на рынке не получили распространение, но используя дискретные элементы такой усилитель разработать не составит особого труда. Datron Instruments, к примеру, во входном усилителе своих топовых мультиметров предусматривала дополнительные цепи для коррекции температурного смещения нуля и компенсации входного тока. Регулировка первых происходила на заводе при испытании в термокамере, настройка режима вторых могла быть выполнена в любой момент пользователем. Solartron выбрали иной путь и разбили функциональную схему усилителя на две части – два параллельных канала.



Основной канал, собранный на быстродействующем ОУ с согласованной парой полевых транзисторов, не обладает требуемой температурной стабильностью смещения нуля и имеет большое его начальное значение. Этот недостаток призван исправить МДМ канал с двухфазным мостовым модулятором на полевых транзисторах с малым током утечки. Кстати, в предыдущем мультиметре модели 7075 также использовался МДМ усилитель, но модулятор был собран на четырёх фоторезисторах с двумя светодиодами. Об эффективности такой комбинированной схемы говорят не только технические характеристики прибора, но и данные собственных измерений: входной ток утечек 3-7 пА, стабильность нуля в течении наработки в 1000 часов при колебаниях окружающей температуры 5 гр. Цельсия – не более 0,1 ppm от предела 10 В.
Несколько слов стоит сказать об источнике стабильных токов и режиме омметра. Всего в приборе реализовано три способа измерения сопротивлений, которые выбираются в зависимости от номинальной его величины.



Если речь идёт о диапазоне от 10 МОм и более (до 10 ГОм), автоматически применяется потенциометрическая схема, когда последовательно с измеряемым резистором включается эталонный (10 МОм входного высоковольтного делителя) и сравнивается падение напряжения на них. Когда сопротивление находится в пределах от 10 МОм примерно до 1 кОм, применяется классическая схема с программируемым источником тока. Линейность этого источника чрезвычайно высока и по моим измерениям лишь немного уступает линейности АЦП (0,2 ppm).
Интересно и то, что кратковременная нестабильность результатов измерений сопротивления может быть даже меньше, чем таковая при измерении напряжения. Это объясняется тем, что и АЦП и источник тока связаны с одним и тем же ИОН, т.е. измерения выполняются относительно единственной меры – одного из токозадающих резисторов.
Наконец, если сопротивление не превышает 1 кОм, пользователь может активировать особый режим True Ohms. Он позволяет исключить дополнительную погрешность, которая возникает даже в 4-проводных схемах и связана с нескомпенсированными термоЭДС в цепи. Измерение в таком случае выполняется за два такта: с отключенным и подключенным источником тока. На дисплей выводится разность полученных результатов. Хотя режим True Ohms можно выбрать даже при измерении высокоомных резисторов, положительный эффект от его использования проявляется преимущественно в диапазоне до 1 кОм.



Вспомогательный процессор Hitachi HD6303 выполняет все низкоуровневые операции в мультиметре: осуществляет обмен данными и командами с «заземлённым» процессором по последовательной шине; считывает из ЭРПЗУ, проверяет и записывает (при калибровке) калибровочные константы; управляет режимами аналоговых узлов; программирует реверсивные счётчики АЦП и считывает с них данные после каждого GLUGа; измеряет частоту промышленной сети и программирует делители тактового генератора для нормальной работы ФАПЧ.
Структура ПО вспомогательного процессора достаточно сложная ввиду преимущественных операций с «железом». Основной каркас ПО – это конечный автомат, управляемый событиями системы сообщений между процессорами. Точнее, этих автоматов не один, а два, причём независимых. Любопытства ради я попытался набросать граф состояний для одного из них. В дополнение выкладываю схемы пространства ввода-вывода, назначения портов, системы сообщений, которые мне удалось на данный момент составить:



Заняться этим делом пришлось не от хорошей жизни. Инженеры Solartron в ходе проектирования и доводки мультиметра (с марта 1984 г. по март 1989 г. я насчитал 8 ревизий) допустили ряд просчётов, самый досадный из которых – ошибка в тайминге операции автоматической коррекции нуля АЦП, что приводит к нарушению монотонности результатов измерений до и после коррекции на 4-5 ppm. Причём величина погрешности зависит от того, насколько изменилось входное напряжение. Проблема эта связана с длительностью переходных процессов и конечным временем установления показаний при ступенчатом изменении напряжения на входе АЦП и решить её можно чисто программно. Чем и пришлось заняться. В результате реверсирования получен исходный (ассемблерный) текст прошивки вспомогательного процессора и написан небольшой патч, который занимает несколько байт в свободной области ПЗУ и примерно в 5 раз уменьшает разрыв в показаниях за счёт увеличения общего времени коррекции в 2 раза.



В заключении хочу рассказать один секрет Дело в том, что одновременно с моделью 7081 была выпущена в свет более дешёвая 7,5-разрядная модель мультиметра 7071. Внешне они ничем не отличались, но самое интересное то, что и внутренне тоже! Одни и те же унифицированные узлы с идентичной маркировкой, та же самая прошивка ПЗУ. Единственное, что делало 7071 на ступень ниже по техническим характеристикам – центральный элемент ИОН. Стабилитрон 1N829A по результатам термотренировки имел больший долговременный дрейф и не подходил для модели 7081. Так же имелись различия в длительности и объёме процедур калибровки и верификации. Но в основе была одна и та же платформа, и «превратить» 7071 в 7081 можно с помощью одной единственной перемычки LK17 на плате Earthy Processor. Это можно сделать хотя бы для того, чтобы протестировать режим максимального разрешения со шкалой более 140000000 ед.
Впрочем, даже модели 7081 есть к чему стремиться. Как бы ни были хороши стабилитроны 1N829A, как бы тщательно их не отбирали и не тренировали, в схеме ИОН существует фундаментальное ограничение: цепь квадратичной температурной компенсации ТКН. Чем больше отклоняется температура внутри корпуса прибора от 27 градусов, тем больше величина напряжения компенсации и тем больше амплитуда привносимых им шумов.
Ради академического интереса я решил проверить: можно ли устранить это ограничение, если бы мультиметр выпускался в наши дни. Оказалось – вполне. После демонтажа всех элементов штатного ИОН и установки вместо него дополнительной платы с LTZ1000, низкочастотные шумы измерения снизились в 2-3 раза до отметки 0,028 ppm при номинальном напряжении 10 В. Долговременная стабильность тоже стала на высоте. Регрессионный анализ данных, полученных в ходе 1550 часовой наработки прибора показал, что после 800 часов «приработки» скорость дрейфа нормализуется и составляет около 1-2 ppm/год. Всё это ставит Solartron 7081 на один уровень с более современными Keithley 2002, Datron 1271 и Advantest 6581T. Есть ещё порох…

Спасибо.

Mickle Присоединяюсь спасибо интересно.


Есть несколько вопросов.
Из ответа про характеристики погрешности -- viewtopic.php?p=1370354#p1370354 , я понял,что выбирать измерительный прибор надо исходя из меньшого значения цифры -- аддитивная составляющая.

Очень интересно по этой ссылке -- http://i066.radikal.ru/1207/96/58ace035e117.gif цитата -- (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.) про делитель напряжения, в каких диапазонах подробней пожалуйста.Про двоично-десятичная кодировка переключателей разобрался и все понятно.А вот про дополнительные R9-R23, R11-R21 - на сколько они делят напряжение.. Собираюсь повторить делитель. Да по ходу ещё вопрос, достал кодирующие переключатели новые - они от времени серебрение почернело - как очистить.

Mickle, спасибо. Очень интересно читать ваши сообщения.

КИПиА, в аддитивную составляющую закладываются погрешности, связанные со смещением нуля предусилителя, ошибкой автокалибровки нуля в АЦП, пропуском кодов и дифференциальной нелинейностью АЦП, шумом в измерительном тракте и др. При прочих равных условиях меньшая аддитивная компонента как правило соответствует меньшей дисперсии результатов измерений в серии. Для мультиметров широкого применения это буквально означает более стабильные показания в младшем разряде. Впрочем, я могу и ошибаться.

Что касается схемы по ссылке, то это моя вина, что на ней не нарисован делитель напряжения для формирования 1 и 0,1 В. Если ИОН представить упрощённо, то получится примерно следующее:



Из 10 В получается 1 и 0,1 обычным делителем из 3-х резисторов. А вот огород R9-R35 нужен только для того, чтобы выходное напряжение ИОН 10 В имело минимальную долговременную нестабильность, к примеру, 0,0001% в год. Полагаю, что в радиолюбительской практике такое вряд ли понадобится.

Про процент стабильности в домашних потребностях согласен.Но меня всегда во всем,электронике,электрике,механики,сварке и т.д.привлекает - сам процесс точности изготовления работ.На сайте я давно, но после случайного просмотра этой темы я специально за регистрировался чтобы чтобы поучиться у Форумчан. Захотелось сделать домашнюю измерительную технику с погрешностью 0,1%. Думаю и народу будет интересно также изготовить такие приборы или пере калибровать имеющиеся китайцы.Вот здесь будет огромная польза Всех Форумчан, и потребность их громадного опыта. Для реализации на практике.
А теперь по сути. Хочу сделать делитель напряжения универсальный приставку к разным приборам , чтобы можно выбирать декадными переключателями разные комбинации деления. Но декады все работают на значение параллельного суммирования сопротивления. Вот и запутался как пристроить декадную коммутацию к делителю напряжения.
По Вашей схеме совсем запутался,декадный делитель работает совместно с R21 и суммирует их сумму и добавляет до основного делителя.Вот здесь и путаница как соблюдается алгоритм коэффициента деления с RH RL .