Первый луч солнца возвестил о наступлении нового дня Нового 2026 года. Сказка закончилась, начались суровые будни...
Как хорошо известно, алгоритм Аллана (вариация Аллана) является дополнением к классическим способам описания характеристик случайных сигналов (выборочной дисперсии, стандартного отклонения, спектральной плотности и др.). Суть алгоритма заключается в том, что с его помощью подвергаются обработке не сами сигналы, а разность между их значениями, разнесёнными по времени на интервал, называемый временем осреднения. Вариация Аллана применяется для статистического анализа характеристик непрерывных случайных процессов и порождаемых ими числовых последовательностей. К последним, например, можно отнести ряды отсчётов измерительных приборов, преобразующих какие-либо электрические величины (напряжение, силу тока, сопротивление и пр.) в цифровой эквивалент.
Зачастую результат вычисления вариации Аллана представляют в форме графической зависимости, которую называют
девиацией Аллана. При этом для удобства анализа график строят в логарифмическом масштабе по обеим осям, что позволяет вычленить отрезки с характерным наклоном и выдвинуть гипотезу о природе шумов, вносящих вклад в ошибку измерения.
Как было видно в предыдущем посте, на графиках для короткозамкнутого входа нестабильность R6581, взятого за эталон, имеет доминирующую компоненту белого шума вплоть до времени интегрирования 1000-2000 PLC. В то же время, R6581D демонстрирует переход к фликкер-шуму уже на 200 PLC (при чём, только на пределах 100 мВ и 1 В, где сигнал подвергается масштабированию). На графиках, полученных при подаче на вход калиброванных напряжений 100 мВ, 1 В и 10 В, ситуация в целом сохраняется, меняются лишь границы перехода.
Таким образом, есть основания считать, что в аналоговом измерительном тракте R6581D присутствует некий узел или компонент, привносящий шум (ошибку) с распределением амплитуд вида 1/f. Теперь осталось выяснить, что это за узел или компонент.
Перво-наперво следует отметить, что появление в свободном доступе сервисной документации на японские измерительные приборы - это событие даже не редкое, а скорее ненаблюдаемое. Поэтому чаще всего приходится ограничиваться собственными умозаключениями, основанными на рутинной обратной разработке изделия. R6581 в этом плане исключением не является.
Конструктивно аналоговые узлы мультиметра скомпонованы на основной печатной плате (см. рис. ниже) к которой посредством разъёма подключается мезонинный блок RMS преобразователя, экранированный от помех алюминиевым корпусом (на рис. не показан):
"Сердцем" мультиметра является дискретный интегрирующий АЦП, опорные напряжения для которого формируются унифицированным модулем с чипом ИОН LTZ1000. Источник входного сигнала АЦП выбирается релейно-транзисторным коммутатором. При необходимости сигнал подвергается дополнительному усилению (масштабированию) в 10 или 100 раз (например, в случае установки пределов измерения 1 В и 100 мВ):
Если закрыть глаза на различные функциональные преобразователи и элементы поддержки артефактной калибровки, оставив только путь сигнала в режиме измерения напряжения постоянного тока, то громоздкая функциональная схема значительно упрощается:
Теперь становятся понятны возможные пути формирования дополнительной мультипликативной низкочастотной помехи в R6581D:
1) общесистемный - через пульсации / нестабильность источников питания аналоговых узлов;
2) общесистемный - через нестабильность мастер-ИОН LTZ1000 и вспомогательных масштабных усилителей;
3) общесистемный - через нестабильность токозадающих резисторных сборок в АЦП;
4) локальный - через нестабильность Кд делителя ООС во входном масштабном усилителе (только на пределах 100 мВ и 1 В).
С аддитивной помехой оказалось несколько сложнее, но всё же варианты так же обозначились:
1) общесистемный - через нестабильность термоЭДС в цепях сигнала за пределами контура автокоррекции нуля;
2) общесистемный - через несовершенство ключевых узлов автокоррекции нуля (переходные процессы, УВХ нуля интегратора и пр).
Не стану утруждать читателей скучным описанием того, как шаг за шагом отметались вышеперечисленные пункты. В конечном итоге решение оказалось на поверхности, а точнее, буквально витало в воздухе
Если посмотреть на изображение аналоговой платы в ИК, сразу бросаются в глаза локальные области повышенной температуры. В основном это параметрические стабилизаторы, ОУ (особенно скоростные), LTZ1000 и регулирующий транзистор его термостата. В непосредственной близости от таких горячих "островков" можно обнаружить ультрапрецизионные тонкоплёночные (во входном усилителе) и металлофольговые сборки.
Далее обращаем внимание на то, что внутреннее пространство аналогового блока вовсе не герметично. В экранирующем корпусе предусмотрены окна для межблочных кабелей и разъёмов. С одной стороны корпус суфлируется с атмосферой через сквозные прорези в разъёмах для измерительных кабелей. С другой стороны - внутренние окна выходят в каналы проточного охлаждения штатным вентилятором. Таким образом, на естественный конвективный теплообмен внутри корпуса накладываются потоки воздуха, вызванные перепадом давления из-за работы вытяжного вентилятора.
Насколько существенно влияние этого фактора на решаемую проблему? Владельцы прибора могу провести натурный эксперимент: прогреть прибор с открытой крышкой аналогового блока и слегка подуть на практически любую из резисторных сборок в ИОН, АЦП или входном усилителе. Отклонение показаний в единицы ppm (а то и в десятки) гарантировано. Разумеется, в следующем такте измерения это отклонение будет скомпенсировано алгоритмом автокоррекции нуля, но отнюдь не полностью.
Что дальше? А дальше было замечено, что в "эталонном" R6581 есть серьёзное топологическое отличие - блок RMS, корпус которого устанавливается непосредственно над узлами АЦП, ИОН и входного усилителя с теми самыми резисторными сборками. Т.о. блок RMS волей-неволей разделяет продольные потоки воздуха, вызванные работой вентилятора.
Чтобы подтвердить или опровергнуть эту гипотезу, мы с моим помощником смастерили габаритный макет RMS блока в виде алюминиевой пластины и закрепили оную на стойках над платой аналоговых узлов:
Заново проводим тестирование. Накладываем графики девиации Аллана поверх уже построенных. И... всё. Видим, что проблема фактически решена.
Конец.
. Ну и Measurement & Automation Explorer очень удобен для метода тыка 
.
