Ну что ж, пришло время вывести на испытательный полигон ещё две "конструкции выходного дня", имеющих непосредственное отношение к теме.
Первая из них выглядит следующим образом:
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
Tc и 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
