RLC Meter, аналоговая часть

Что мерить, чем мерить, как мерить. И, естественно - зачем мерить...

При поддержке компании ПРИСТ


Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

Да, надо делать хорошие щупы.

Пришел домой. Посмотрел, что получается при разомкнутых щупах в канале измерения тока при резисторе 100 КОм.
Включается усиление x15 всего лишь, и там высокочастотные помехи.
Амплитуда помех - 30 мВ. Понятно почему измерения были "не очень" :facepalm:

Причем это именно шумы. Отключаешь щупы и амплитуда сразу падает в 10 раз.
А если еще отключить ноутбук от розетки то падает еще в 2 раза :)
После этого измеритель показывает 2.2 GOm на 100 Гц.
Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

Щупы пока ленюсь делать, но проблему с помехами решил временно так.
Подложил под схему и щупы жестянку и припаял ее к земле устройства, отлично экранирует.

Откалибровал резистором на 0.982 МОм и измерил несколько сопротивлений своим прибором и покупным UT71A.

Результаты такие.
Мой прибор на частоте 100 Гц:
R0 = 1.014 MОm
R1 = 3.674 MOm
R2 = 4.656 MOm

UT71A:
R0 = 1.016 MOm
R1 = 3.671 MOm
R2 = 4.655 MOm

но правда у UT71A последний знак не очень стабилен, легко может измениться на +-3 КОм на резисторе в 1 МОм
у моего прибора показания тоже изменяются, но значительно медленнее, гдето на +-0.5 КОм.

С более высокими частотами пока проблемы, не хватает параллельного представления измеряемого элемента.
Вот пример происходящих процессов. Подключил параллельно резистору конденсатор в 9.1 pF, чтобы были более наглядны процессы. Без конденсатора они такие-же, но на более высокой частоте и в деталях неудобно рассматривать.

Изображение

До 500 Герц мусор в мнимой части, а потом там вполне понятный рост и падение.

Причем open/load калибровка как в статье не улучшает, а наоборот ухудшает стабильность показаний!
Впрочем поизучаю вопрос тщательнее. Может у меня в программе косяк, а может и в теоретическое есть какое-то объяснение.
Galizin
Мучитель микросхем
Сообщения: 477
Зарегистрирован: Ср окт 15, 2008 09:33:03
Откуда: Воронеж

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение Galizin »

balmer писал(а):Причем open/load калибровка как в статье не улучшает, а наоборот ухудшает стабильность показаний!

Вы наверное имеете ввиду относительные прыжки увеличиваются. Так и должно быть.
Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

Нет. Сопротивление 3MOm начинает линейно снижаться с частотой. Причем быстрее, чем без калибровки. Сопротивление в 1 МОм как близкое к load значению показывает очень стабильные результаты и практически нулевую емкость после корректировки.

Пока грешу на то, что Open калибровка поворачивает фазу не в ту сторону. Блин сколько геммороя на каждом поддиапазоне :(
Хочу проверить такой вариант калибровки. Измерить Open сопротивление на частоте 100 Гц. Open емкость на частоте 100 КГц. Для остальных частот высчитывать Open комплексное сопротивление зная два этих параметра.
bob1
Мучитель микросхем
Сообщения: 453
Зарегистрирован: Ср июн 08, 2011 20:25:20
Контактная информация:

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение bob1 »

balmer писал(а): Open емкость на частоте 100 КГц.
Т.е не поворачивая фазу принять как эталон??! Значения калибровочных резисторов надо знать заранее!!! Потом уже определить нужные углы поворота на каждом диапазоне.
Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

Чтото печалит меня формулы из Open-Short-Load калибровки.
Такой вот результат получился на диапазоне 1 МОм - 10 МОм.

На трех точках 1 МОм, 2.7 МОм и 10 МОм результат совпадает идеально на всем диапазоне. Мнимая часть при этом точно равна нулю.
Однакож на промежуточных точках совпадения нет.

Изображение

Красная линия - значение до коррекции.
Зеленая - после коррекции.

Ничего, таки разберусь в чем тут проблема!
Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

Попарился с диапазоном 1 МОм - 10 МОм. Рассказываю о результатах.

Но сначала график :) :
Изображение

Измеряем резистор 10 МОм. 1.55 pF это паразитная емкость щупов.
Красная линия - измеренная реальная часть сопротивления.
Синяя линия - измеренная мнимая часть сопротивления.
Зеленая линия - скорректированная реальная часть сопротивления на величину паразитной емкости щупов.
Максимум синего графика - это место где емкостное сопротивление становится равным 10 МОм и сравнивается с сопротивлением резистора.

Пытался воспльзоваться формулой Zx = Zstd*(1/Zstdm-1/Zom)*Zxm/(1-Zxm/Zom) из перевода статьи HP_AN_346.doc

И нашел таки границы ее применения. В случае когда емкостное сопротивление начинает превалировать над вещественным, результат становится неустойчивым. То есть если мы берем в качестве референсноно сопротивление Zstd=10 MOm, то эта формула выдаст абсолютно точное значене при измерении резистора 10 МОм. Но вот если мы возмем резистор 8 МОм, то результат окажется печальным. Дело в том, что после того как емкостное сопротивление начинает превалировать над резистивным - формула начинает "усиливать" ошибки связанные с неточным определением емкости и шумами.

Чтож, придется смириться, что диапазон сопротивлений 1-10 МОм работает только на частотах 1 КГц и ниже.

В конце концов пришел к тому, что для точности лучше 1% достаточно учесть:
- последовательное сопротивление щупов
- последовательную индуктивность щупов
- сопротивление щупов
- откалибровать сопротивления резисторов

Все параметры не зависят от частоты, что приятно!

В калибровочный коэффициэнт для резисторов входят заодно и другие неточности связанные с разным коэффициентом усиления в канале тока и напряжения.

Ошибки связанные с неточностью усиления MCP6S21 учитывать не стал. По измерениям они меньше 0.1% и явно выходят за границы точности нашего прибора.
Galizin
Мучитель микросхем
Сообщения: 477
Зарегистрирован: Ср окт 15, 2008 09:33:03
Откуда: Воронеж

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение Galizin »

balmer писал(а):Красная линия - измеренная реальная часть сопротивления.
Зеленая линия - скорректированная реальная часть сопротивления на величину паразитной емкости щупов.

Странные линии получаются. Например почему измеренное сопротивление падает с частотой. Насколько я понимаю должна увеличится болтанка этого номинала. Начать скакать показания например вместо одного знака три. Но почему меняется сам номинал?
Второе предложение звучит также странно. Реальная часть корректируется на величину емкости. На величину емкости должна корректироваться мнимая часть. Реальную часть модно складывать только с реальной частью намерянного.
Непонятно по какой формуле Вы считали собственно результат. Я бы для начала считал по приведенной Вами формуле, но с откидыванием учета всяких паразитов. То есть
Zx = Zstd/Zstdm*Zxm
В этой формуле Zstdm зависит от частоты. Получить Zstdm можно из этой же формулы подставив известное Zxm- калибр резистор
А как Вы считали Zstdm? Что у Вас Zxm, в каких единицах?
Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

Galizin писал(а):Например почему измеренное сопротивление падает с частотой. Насколько я понимаю должна увеличится болтанка этого номинала. Начать скакать показания например вместо одного знака три. Но почему меняется сам номинал?
Второе предложение звучит также странно. Реальная часть корректируется на величину емкости. На величину емкости должна корректироваться мнимая часть.


Когда конденсатор и емкость соединены параллельно, то конденсатор влияет не только на величину мнимой части, но и на величину реальной.

Впрочем возникла у меня новая печальная печаль :cry:
Стал измерять разные конденсаторы, удивился что 1000 pF конденсатор измеряется криво на частотах 100-200 Гц.
Оказалось, что "возбуждается" I-V конвертер. Скажем подаем мы частоту 160 Гц (там пик амплитуды возбуждения). На выходе присутствует не только 160 Гц, но и частота порядка 150 КГц примерно такой-же амплитуды. Повторяется это как с резистором 10 КОм так и с резистором 100 КОм. Причем на "виртуальной земле" ноль держится I-V конвертором очень четко. Ничего не понимаю :dont_know: Теоретически исходя из частоты возбуждения и емкости конденсатора надо искать резистор порядка 1 КОм с которым оно резонирует.

В аттаче последняя версия аналоговой части.
Вложения
analog3.pdf
Аналоговая схема
(49.36 КБ) 412 скачиваний
bob1
Мучитель микросхем
Сообщения: 453
Зарегистрирован: Ср июн 08, 2011 20:25:20
Контактная информация:

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение bob1 »

Для эксперимента увеличьте порядка на два номинал кондера С2.
Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

Спасибо, совет помог. Увеличил емкость C2 до 3.3 nF и сразу на низких частотах пропали артефакты.

На форму сигнала от DAC думал в последнюю очередь. Всетаки 3000 сэмплов и 12 бит выдают достаточно красивую синусоиду, на осциллографе никаких проблем не видно.
alexf58
Нашел транзистор. Понюхал.
Сообщения: 183
Зарегистрирован: Сб фев 09, 2013 23:00:23

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение alexf58 »

Что то тема затихла. Видимо автор занят. А жаль - интересно. Особенно нравится сбалансированный подход: половина в железе, половина в софте. Но тут хочется спросить. По сравнению с устройством из соседней ветки (viewtopic.php?f=25&t=95086&start=600), где аналоговая часть практически "никакая" - 3 корпуса MCP6002 - есть ли реальный выигрыш по точности и/или диапазону?

Можно щупы сделать как предлагалось, но я пошел по пути наименьшего сопротивления:
http://cgi.ebay.com/ws/eBayISAPI.dll?Vi ... 0721612352

3 штуки за $5, якобы позолоченные.

И еще вопрос. Есть 32F429IDISCOVERY с мощным процессором и большим экраном за $23. Может на нем сделать вместо 303-го?
bob1
Мучитель микросхем
Сообщения: 453
Зарегистрирован: Ср июн 08, 2011 20:25:20
Контактная информация:

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение bob1 »

alexf58 писал(а):- 3 корпуса MCP6002 - есть ли реальный выигрыш по точности и/или диапазону?

Диапазон получается шире с применением переключаемых шунтов и применением PGA.
alexf58 писал(а): по пути наименьшего сопротивления:
Для любительских приборов смысла большого не вижу. Переходное сопротивление контакта, при измерениях не учитывается применением 4-x проводной схемы подключения. Также подключаемые детали ведь не золотые.
alexf58 писал(а): за $23. Может на нем сделать вместо 303-го?
Для интереса прикинте конечную стоимость устройства...... выйдет дешевле купить готовое уст-во. А для прибора с верхней частотой 100-300кГц 303 за глаза.
Успехов!!
alexf58
Нашел транзистор. Понюхал.
Сообщения: 183
Зарегистрирован: Сб фев 09, 2013 23:00:23

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение alexf58 »

bob1 писал(а): Переходное сопротивление контакта, при измерениях не учитывается применением 4-x проводной схемы подключения.


Четыре провода исключают сопротивление проводов, а там где контакты - контакта 2 а не 4. Но дело не в этом. Просто по такой цене можно не мучаться с пилением крокодилов. А из третьего получится пинцет для проверки мелких деталей.


bob1 писал(а): Для интереса прикинте конечную стоимость устройства...... выйдет дешевле купить готовое уст-во.


$23 (правда без доставки) это целая плата с процессором и экраном (!). Так что дело не в скорости. Сделать только аналоговую часть, а цифровая готова.
Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

alexf58 писал(а):По сравнению с устройством из соседней ветки (viewtopic.php?f=25&t=95086&start=600), где аналоговая часть практически "никакая" - 3 корпуса MCP6002 - есть ли реальный выигрыш по точности и/или диапазону?


Устройство практически готово. Очень много мучался с точностью и калибровкой прибора. В конце-концов получается точность лучше 0.5% в диапазоне 10 Ом - 100 КОм. За пределами диапазона точность плавно падает. Частоты пока 100 Гц - 175 КГц. Края диапазона - это единицы mOm, единицы nH и сотые доли pF.

Хочу еще ради интереса попробовать низкие частоты, около 10 Гц. Верхние частоты обрезал, поставив RC фильтры перед усилителями с PGA. Ибо если не обрезать - эта схема принимает средневолновые радиостанции и они перегружают усилительный тракт.


alexf58 писал(а):Можно щупы сделать как предлагалось, но я пошел по пути наименьшего сопротивления:
http://cgi.ebay.com/ws/eBayISAPI.dll?Vi ... 0721612352


Это хорошие щупы, но емкость меньше 1 pF врядли измерить. Таки схема, где крокодил заземлен, и только маленькая площадка подключается к детали сильно лучше.


alexf58 писал(а):Есть 32F429IDISCOVERY с мощным процессором и большим экраном за $23. Может на нем сделать вместо 303-го?


У 32F429 - несколько более медленный ADC и это существенно на высоких частотах.
На DISCOVERY вообще не получится сделать качественного измерителя.
Я каждый сантиметр провода экономил до ADC, ибо шумы, везде шумы!
Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

Вот так сейчас выглядит железка:
Изображение

Нда, коробочки может научусь делать. Потом :)))
alexf58
Нашел транзистор. Понюхал.
Сообщения: 183
Зарегистрирован: Сб фев 09, 2013 23:00:23

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение alexf58 »

balmer писал(а):Я каждый сантиметр провода экономил до ADC, ибо шумы, везде шумы!


Да, я на это наткнулся. А аналоговая часть как на analog3.pga, или были изменения?

Скорость ADC IMHO не так критична. На измерении до 100К хватает с головой 1 мегасампл. А там можно и 2 канала с чередованием пускать, и даже делать undersampling без потерь. Но вот помехи на дискавери - это смерть.
Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

Вот финальный вариант.
Добавил RC цепочки R1C15 R3C13 чтобы верхние частоты отсечь.
После R21/R24 тоже стоят конденсаторы, но их перенес на цифровую часть, поближе к выводам микроконтроллера.

Добавил резистор C7 который включается при частотах ниже 3 КГц. DAC сигнал получается не совсем синусоидальный. На осциллографе это не видно (на выходе DAC). На I/V конвертора на основе IC2/IC3 очень высокий паразитный сигнал получается.

Да одного MSPs для 100 КГц вобщем хватает, но таки 3 MSPs как мне кажется позволяют более точно определить фазу. У меня получилось лучше 0.1 градуса точность фазы.
Вложения
analog3.pdf
Финальный вариант.
(29.91 КБ) 381 скачивание
Аватара пользователя
barby67
Потрогал лапой паяльник
Сообщения: 365
Зарегистрирован: Вт янв 22, 2008 23:13:41
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение barby67 »

Уважаемый balmer, очень нравится ваш подход к разработке (доскональное изучение темы). Судя по всему у вас должен получиться не плохой прибор. Скажите, планируете ли вы написать статью? Готов подключиться, в плане разработки платы и тестированию.
Аватара пользователя
balmer
Это не хвост, это антенна
Сообщения: 1433
Зарегистрирован: Вс дек 02, 2012 03:13:48
Откуда: Калининград

Re: RLC Meter, аналоговая часть

Сообщение balmer »

Да, до конца июня обязательно выложу статью на Radiokot.
По большому счету осталось только причесать исходники. Выложить репозиторий на GoogleCode. Ну и собственно говоря написать статью.
Как минимум у моего девайса есть один плюс перед другими разработками - он умеет общаться по USB с компьютером и строить всякие графики в зависимости от частоты. Это прикольно, потому как можно видеть резонансы в динамиках, трансформаторах и конденсаторах большой емкости.
Ответить

Вернуться в «Измерения»