Нановольтметр, стабилизированный прерыванием.

[Philimon]

Здесь на форуме я уже обсуждал устройство замера напряжений порядка сотен нановольт. Сначала просто хотел сделать несложное устройство чтоб использовать в автомобиле для замера падения напряжения(двунаправленного) на проводе от аккумулятора, по котором проходит довольно маленький ток утечки (10-100мА) с разрешением +-1мА(падение напряжения +-300нВ) но простым такое устройство не получилось. Как оказалось создать его на основе Операционного Усилителя(ОУ) несложно, но такое устройство на практике оказалось слишком чувствительным к температуре и всевозможным дрейфам нуля, не дающим возможности измерять с точностью менее 10мкВ.
Эту проблему возможно решить только стабилизацией прерыванием, и поскольку устроить такое - задача непростая, решил сделать НАНОВОЛЬТМЕТР как отдельное устройство, протестировать в различных условиях а потом создать упрощенную версию для автомобиля, и перевести его показания на щиток приборов, например на стрелку датчика уровня топлива или на спидометр.
Здесь опишу про сам нановольтметр:

схема_нановольтметр.JPG

(235.73 КБ) 1191 скачивание

В симуляторе он оказался способен измерять даже +-5 НАНОВОЛЬТ. Но сомневаюсь, что на практике можно добится такой точности. Мне вполне достаточно разрешения +-250нВ.
Главная измерительная микросхема U1 - двойной ОУ LMP2022ME - одна из самых прецизионных как по термостабильности так и по шуму и напряжению смещения на входе. Первый каскад независимый с обратной связью, на котором можно точно регулировать усиление до необходимого уровня на выходе. Второй каскад имеет фиксированное усиление 1300раз. Если необходимо замерять напряжения около 1мкВ, то на первом каскаде можно установить усиление 770раз, если на входе будет +-1мкВ, то на выходе - +-1В.
ОУ U2A - разделительный каскад обратной связи(ОС), он усиливает в 80раз, но подает на инверсный вход второго каскада не усиленное напряжение а ослабленное в 5раз.
Микруха 4017ВР с тактовым генератором частотой около 100Гц - десятичный декадный счетчик, который по сути разделяет входные импульсы последовательно на выходы Q0 - Q3, на пятом импульсе счетчик обнуляется и начинает считать сначала.
U2A подает напряжение ОС только во время первого импульса "конроль"(фиолетовая цепь по схеме). Любое смещение или дрейф нуля на выходе компенсируется в пару сотен раз этой ОС, таким образом на этом такте мы "балансируем" ОУ. Главное, что не имеет значения природа этого смещения, будь-то температура или паразитные токи, вобщем все, что с частотой меньше 20Гц у нас самокомпенсируется. На этом такте вход закрытый, так что компенсируется любая внутренняя причина дрейфа. Закрываем вход с помощью трех полевиков на входе. Почему три? потому, что один транзистор при таком включении лишь ослабляет входной сигнал где-то в 100раз а так как у нас на входе микрухи точность - нановольты, то ослабить нужно в много раз больше если на входе окажется например пару вольт или помехи, наводки и т.п.
На U2B и прецизионном (не электролит!) конденсаторе 50мкФ - элемент аналоговой памяти этого необходимого балансировочного напряжения смещения или установки нуля. Он построенный по принципу малой зарядки, т.е. он заряжается где-то на 5% от подающегося усиленного напряжения коррекции через прецизионный резистор 34кОм.. В общем итоге на выходе мы получаем сигнал точно равный напряжению коррекции и "запоминаем" его для следующих тактов.
Следующий такт "т.изм" - такт измерения(салатовая цепь по схеме) - собственно измерение напряжения на входе с коррекцией внутренней разбалансировки "запомненным" сигналом коррекции. Этот такт - двойной длительности, в первой части которого мы отрезаем паразитные переходные процессы, которые очень значительные на нановольтах. Собственно само измерение мы проводим на второй части этого такта, в котором уже устоялся режим измерения. Это такт "изм."(красная цепь по схеме).
Последний такт "стир." - стирание памяти, т.е. разряд измерительного конденсатора.
После этого цикл начинается сначала. Таким образом мы имеем на выходе импульсы усиленного напряжения на входе с частотой около 20Гц. Эти импульсы мы сглаживаем конденсатором 1мкФ на выходе.
Блок генератора последовательных импульсов имеет множество триггеров Шмидта с цепями задержки - все это для "отрезания" переходных процессов, и импусных помех, которые на нановольтовых уровнях очень сильно искажают полезные сигналы. Также большой проблемой было использование ключей и полевиков в роли ключей все они имеют паразитные емкости, которые вносят импульсные помехи. Но похоже удалось их эффективно сгладить и отрезать.
Эта схема рабочая (в симуляторе) но еще не законченная. Я не хотел ее усложнять блокировочными конденсаторами, защитными диодами на входах микрух, защитой затворов полевиков и проч. Все это конечно же будет в реальной схеме. Остается также еще решить несколько проблем:
во-первых нужно стабыльный тактовый генератор т.к. незначительное отклонение частоты вызовет разбалансировку схемы. Наверное прийдется использовать КВАРЦ. Кто знает как построить простейший очень стабильный мультивибратор 100Гц ПОДЕЛИТЕСЬ СХЕМКОЙ!!!
во-вторых пока совсем нерешенная проблема дрейфа коэффициента усиления схемы. Впрочем если эти дрейфы будут в пределах +-10%, с этим можно смирится или как вариант устраивать еще и стабилизацию прерыванием по Ку.
Также в схеме необходимо использование суперпрецизионных нескольких элементов : конденсатор 50мкФ, резистор 34кОм и 132кОм. Менее чувствительны к дрейфам резисторы обратной связи микрухи U2A U2B, более важно, чтобы ТКС их были однаковы.
Может кто подскажет чем можно заменить эти резисторы т.к. прецизионные тяжело найти??? Нужно точность около 20ррм/С. А также какой лучше взять конденсатор 50мкФ, прецизионный хотя бы 50-100ррм/С с маленькими токами утечки??
Остальные элементы схемы малочувствительны к дрейфам, впрочем нужно еще проверить это имитацией дрейфов сопротивлений и насколько оно повлияет на работу схемы.
У меня Multisim 12, я не могу понять учтены ли в компонентах шумы микросхем и можно ли смоделировать температурные дрейфы схемы целиком??? Нравится то, что в мультисиме очень неплохо учтены все паразитные емкости.
Вот результаты моделирования, здесь на входе "треугольноик" размахом всего +-100 НАНОВОЛЬТ(красная линия), частотой 0.1Гц, на выходе имеем тот же треугольник, усиленный в 10млн. раз, т.е. с размахом около 1В(зеленая линия). Радует линейность и отсутствие смещений(смещения микрух в Мультисиме учтены). В симуляторе выглядит все прекрасно, но интересно что будет в реале..

нано.JPG

(108.83 КБ) 885 скачиваний

[Сэр Мурр]

Давно не занимаюсь усилителями, и сейчас нет под рукой справочника.Есть специальные ОУ построенные на схемотехнике усиления с прерыванием, дремучий советский аналог- 140УД13. Есть гораздо более продвинутые и доступные ОУ, там доходит и до фемтоампер.
Частота прерывания обязательно должна быть кратно выше предельной частоты усиления.

[Philimon]

Давно не занимаюсь усилителями, и сейчас нет под рукой справочника.Есть специальные ОУ построенные на схемотехнике усиления с прерыванием, дремучий советский аналог- 140УД13. Есть гораздо более продвинутые и доступные ОУ, там доходит и до фемтоампер.
Частота прерывания обязательно должна быть кратно выше предельной частоты усиления.

Да,знаю.. Это chopper-stabilized OpAmp. Самый лучший из них TLC2652A, его смещение +-1мкВ, амперы меня не столь интересуют ведь я делаю вольтметр. Я спаял пробный усилитель на тоже довольно прецизионной микрухе OPA2277 и оказалось на практике, что он дрейфует от малейших перепадов температуры, влаги и каких-то других причин, их может быть много, выяснить все невозможно. И дрейфы эти были порядка +-5мкВ при комнатных температурах. Одна из причин - фликкер шумы 1/f на частотах меньше 10Гц, причем они увеличиваются с понижением частоты. Для TLC2652A на частотах 0...1Гц их уровень +-0.8мкВ, 0...10Гц +-2.8мкВ. Это розовые шумы, выше действует белый шум плотностью 94nV/vHz, но он для стрелочного прибора не имеет значения. Еще если в схеме во входных каскадах будет хотя бы один резистор коррекции смещения, то его ТКС вызовет дрейфы. Также нестабильность питания внесет свою лепту. Все это не позволит сделать вольтметр с разрешением +-300нВ и мне первоначально нужно было такой прибор для автомобиля, где перепады температуры и влажности вызовут смещения наверное +-20мкВ или больше, т.е. замерять с точностью +-300нВ никак не получится.
Частота прерывания 25Гц вполне достаточна для стрелочного прибора на выходе. Импульсы прерывания сглаживаются конденсатором на выходе. Моделирование показало, что эта схемка способна измерять с пределом +-5 нановольт, но в моделировании наверное не учтены шумы а возможно и учтены, незнаю.... Я выбрал самую малошумящую из прецизионных микрух, где фликкер шумы не больше +-300нВ. Среди chopper-stabilized OpAmp таких малошумящих нет. Еще как мне подсказал El-Eng на столь малых напряжениях всплывут эффекты термопары на стыках разнородных металлов(олово-медь например) и при малейшем перепаде температуры создастся термо-ЭДС, боротся с которой кроме как стабилизации прерыванием не удастся.

[El-Eng]

Кто знает как построить простейший очень стабильный мультивибратор 100Гц ПОДЕЛИТЕСЬ СХЕМКОЙ!!!

Часовой кварц плюс CD4060BC. Схема в даташите, стр. 3.

[Philimon]

Кто знает как построить простейший очень стабильный мультивибратор 100Гц ПОДЕЛИТЕСЬ СХЕМКОЙ!!!

Часовой кварц плюс CD4060BC. Схема в даташите, стр. 3.

Ага, спасибо... Впервые но буду пробовать, хорошо, что есть Мультисим.
З.Ы. Я вижу вы опытный, как вы думаете составленная схема заработает в реале?? И с каким минимальным пределом она сможет измерять?? В симуляторе она меряет пару нановольт..

[El-Eng]

Тут сразу сказать сложно. На что я обратил бы внимание. Первое - инжекция заряда при коммутации полевых транзисторов на входе. Я говорил уже об этом. Нужно убедиться, что эти помехи эффективно подавляются. Во-вторых, я не стирал бы запомненный сигнал смещения, а усреднял его, то же самое я делал бы с результирующим сигналом - все это повышает точность и избавляет от помех. Конденсатор, не электролит, в 50мкФ, с хорошими характеристиками, весьма трудно найти, я рассмотрел бы возможность уменьшения номинала. Непонятна роль индуктивностей в 1mH - сопротивление их обмоток внесет погрешность в Ку и добавит температурный дрейф. Если это - элемент частотной коррекции, я порекомендовал бы использовать стандартный подход (при помощи конденсаторов).

[Philimon]

Тут сразу сказать сложно. На что я обратил бы внимание. Первое - инжекция заряда при коммутации полевых транзисторов на входе. Я говорил уже об этом. Нужно убедиться, что эти помехи эффективно подавляются. Во-вторых, я не стирал бы запомненный сигнал смещения, а усреднял его, то же самое я делал бы с результирующим сигналом - все это повышает точность и избавляет от помех. Конденсатор, не электролит, в 50мкФ, с хорошими характеристиками, весьма трудно найти, я рассмотрел бы возможность уменьшения номинала. Непонятна роль индуктивностей в 1mH - сопротивление их обмоток внесет погрешность в Ку и добавит температурный дрейф. Если это - элемент частотной коррекции, я порекомендовал бы использовать стандартный подход (при помощи конденсаторов).

Я два дня сидел "подавляя" паразитные емкости и импульсные помехи полевиков и ключей, похоже удалось справится. Я просто "поотрезал" по времени эти всплески и выбрал для измерения тот интервал где уже все "успокоилось". Запоминание сигнала смещения - немножко глупо я устроил, кондер заряжается всего на каких-то 5% от заражающего напряжения за строго определенный период времени через прецизионный резистор 34кОм. Т.е использую начальную линейную часть зарядной характеристики. Полностью заряжать 50мкФ за 50мс тяжеловато, а использовать меньшую емкость немогу т.к. импульсные помехи ключей и полевиков вносят сильные искажения в заряд кондера. Спасибо что подсказали, буду еще пробовать может удастся заряжать полностью а емкость хоть немножко уменьшить и таким образом не стирать на каждом такте.
А индуктивности для подавления самовозбуждения на ВЧ по ООС из-за фазовых смещений при прохождении через два каскада. Т.е получается, что усилок возбуждался на частотах, когда фазовое смещение было 180градусов и глубокая ООС превращалась в ПОС. Я подумал, что если природа фазовых искажений ОУ емкостная, то ее можно компенсировать только индуктивностью. Причем в экспериментах индуктивности нужно было подбирать довольно точно +-50%. Только тогда самовозбуждение полностью подавлялось.
Спасибо, что напомнили о сопротивлении катушек, нужно включать там где сопротивления намного больше..

[Philimon]

979.JPG

(103.02 КБ) 830 скачиваний

Удалось значительно упростить и усовершенствовать НАНОВОЛЬТМЕТР. Опишу здесь изменения, которые были внесены.
Во-первых все ключи на полевиках заменил на аналоговые прецизионные двунаправленные ключи, которые имеют лучшие характеристики нежели полевики в отчасти меньшие паразитные емкости. На входе все же оставил полевые транзисторы т.к. нужно сопротивление сток-исток в открытом состоянии как можно меньше. Среди аналоговых ключей есть такие, что имеют сопротивления около ома, но у них довольно большие паразитные емкости. Впрочем это не так важно т.к. переходные процессы у нас и так отрезаются по времени и полевики можно спокойно заменить на микросхемные ключи.
Во-вторых изменил принцип аналоговой памяти напряжения смещения. Теперь конденсатор памяти (5мкФ)имеет в 10 раз меньшую емкость и заряжается почти полностью за один такт. По крайней мере за второй такт он заряжается полностью. Это улучшает стабильность и устраняет сильную зависимость точности этой памяти от тактовой частоты. Теперь тактовый генератор можно делать обычным на триггере Шмидта а не на кварце.
Заменены фильтры от самовозбуждения по глубокой ООС на индуктивностях на конденсаторные а также использовал двухступенчатый фильтр на конденсаторах 30нФ и 1.5мкФ. Такое включение нужно для предотвращения смещения фазы сигнала ближе 180град при увеличении частоты, что вызовет фазоинверсию и ООС превратится в ПОС и возникнет самовозбуждение.
На входе применил мостовую схему для компенсации зависимости смещения от сопротивления источника сигнала в частности от изменений сопротивления на входе из-за переключений ключей в периоды тактов прерываний. Эта зависимость от входного сопротивления не позволяла добиться точности прибора при измерении напряжений близких по уровню к напряжению смещения на входе микрухи, которое в использованных микрухах LM2022 - около 1мкВ.
Переменное сопротивление на входе нужно для компенсации сопротивления источника сигнала. Если оно намного меньше 1кОм, то это сопротивление можно установить на ноль.
Также несколько улучшил тактовые импульсы управления, паузы между импульсами увеличены для более эффективного "отрезания" паразитных всплесков при переключениях.
Все это позволило прибору измерять напряжения +-1 НАНОВОЛЬТ (в симуляторе конечно). Вот осцилограмма, здесь на входе, для примера, меандр +-1нВ(красная линия),период 1сек, на выходе тот-же меандр, усиленный в миллион раз т.е. примерно +-1мВ. Синие столбики - импульсы прерывания.
Пока на практике не пробовал и немогу сказать сколько в реале сможет измерять прибор. Также немогу оценить влияние шумов как самой микрухи так и полевиков на входе. Может кто подскажет значительны ли шумы полевиков если они либо полностью открыты либо закрыты при таком включении как у меня?? И возможно есть лучшие в плане шумов и паразитных емкостей полевики нежели VN10KE??

978.JPG

(162.25 КБ) 905 скачиваний