Методика калибровки мультиметров

[strannik2039]

Здравствуйте уважаемые форумчане. Хочу обратиться к misha8us с просьбой чуть конкретнее описать такие требования к АЦП в биологии. Не сочтите за дерзость или вынюхивание тайны. Просто Вы написали, что электронщиков нету, только программисты. Насколько правильно биологи объяснили программисту суть поставленной задачи? Насколько я помню, то в биологии оперируют с малыми напряжениями, не превышающими десятки милливольт, а иногда и микровольты. А так же используются стеклянные электроды. К чему я всё это. Если наблюдается малое напряжение, то может лучше знать его порядок? 1,10, 100мкВ, 1, 10мВ. просто нужно знать насколько существенна разница в 1мкВ при пределе 10мВ?
Второй момент это внутренне сопротивление источника. Если оно большое, то естественно, при измерении прибором, не имеющим большого входного сопротивления, Вы будете видеть огромную ошибку измерений. Тут лучше посмотреть в сторону электрометра. Особенно если использовать высокоомные стеклянные электроды.
К чему я всё это? Насколько правильно была собрана измерительная модель изначально? Да, Вы взяли отладочную плату, повесили ардуино и отдали на проверку. А какое внутреннее сопротивление сигнала подаваемого на вход? Какое напряжение? Может лучше сделать усиление сигнала, а не стараться всё вытянуть только линейность и разрядностью АЦП? Ведь Вам проверили то, что Вы сами изначально собрали.
Тут много всяких камней, а информации никакой.

Грибанов Ю.И. Измерения в высокоомных цепях Массовая радиобиблиотека». Выпуск 0624.
http://publ.lib.ru/ARCHIVES/M/%27%27Mas ... 0699_.html

[misha8us]

Почитал много всякой литературы, включая статьи и патенты, в итоге ещё модифицировал свою схему (см. вложение) плюс нарисовал ИОН и его буферы (левая часть схемы). В качестве ИОН выбрал LTC6655-2.5 в керамическом корпусе (два параллельно), буфер на Х6. На Х7 и ключах S4 реализован нужный выбор референсного напряжения для интегратора: 1.25 В (замкнуты ключи S4.1 и S4.3), что даёт минус 1.25 В относительно опоры 2.5 В, или 3.75 В (замкнуты ключи S4.2 и S4.4), что даёт плюс 1.25 В относительно опоры 2.5 В, таким образом есть возможность любой полярности референсного напряжения для интегратора. Также добавлен инвертор Х4 входного напряжения. Зачем это? Я решил изменить стандартную процедуру двухтактного интегрирования, сначало, как и раньше, после цикла компенсации нуля (замкнуты ключи S1.3, S2 и S3) производим цикл зарядки С1 от входного напряжения на время 20 мс (замкнут ключ S1.1), потом разряд от -1.25 В (замкнуты ключи S1.2, S4.1 и S4.3) с подсчётом времени разряда, но теперь не останавливаем измерение после срабатывания компаратора Х3, а сразу начинаем второй цикл с обратными напряжениями, т.е. сначало заряд С1 от инвертированного входного напряжения на время 20 мс (замкнут ключ S1.4), а затем разряд от +1.25 В (замкнуты ключи S1.2, S4.2 и S4.4) с подсчётом времени разряда в дополнении с предыдущим, и только теперь останавливаем измерение после срабатывания компаратора Х3 и начинаем вычисление результата (как и раньше, только теперь надо поделить на 2). Для чего это усложнение? Теперь за время измерения (оно увеличилось вдвое) среднее напряжение на конденсаторе интегратора С1 получается равным нулю, что, по идее, скомпенсирует нелинейности интегрирования и влияние абсорбции конденсатора. Поскольку время измерения увеличилось вдвое, то для ещё меньшей разрядки конденсатора компенсации нуля С2 добавил буфер Х5 для компенсации токов утечки ключа S2.

strannik2039 писал(а):

Если наблюдается малое напряжение, то может лучше знать его порядок?

Я в биологии не специалист, моя работа обеспечивать автоматизацию и подобное. У биологов разное оборудование с разными видами датчиков, подключенные к своим готовым усилителям, им нужен качественный вольтметр на диапазон 0.1-2 В, что я и делаю.

mult_int4.png

(26.2 КБ) 405 скачиваний

[iliusmaster]

Если бы товарищи из Франции написали более подробно суть "не прохождения" тестов, то было бы все гораздо проще. Пока похоже, что вы изобретаете велосипед(смотрю ваши схемы) максимально извращенным способом.
Основная проблема при измерении малых величин - это не процесс оцифровки, а процесс правильного снятия этих величин с объекта наблюдения(контакты, экранировка, утечки) и передачи(воздействие огромной синфазной помехи).
Пока вы собираетесь использовать АЦП в однополярном режиме. Могу сказать одно - работать не будет. Вход у схем для измерения малых сигналов должен быть строго дифференциальным для устранения огромных синфазных наводок.
Можете описать в личном сообщении более подробно задачу. Помогу с решением. Есть значительный опыт в области снятия потенциалов.

[misha8us]

iliusmaster писал(а):

Основная проблема при измерении малых величин - это не процесс оцифровки, а процесс правильного снятия этих величин с объекта наблюдения(контакты, экранировка, утечки) и передачи(воздействие огромной синфазной помехи).
Пока вы собираетесь использовать АЦП в однополярном режиме. Могу сказать одно - работать не будет. Вход у схем для измерения малых сигналов должен быть строго дифференциальным для устранения огромных синфазных наводок.

Я в предыдущем сообщении написАл, что мне не надо измерять малые величины, на вольтметр подают уже усиленные сигналы с разных датчиков. Кроме того, на схеме не показаны входные цепи, я ранее уже отмечал, что конечно же ещё будет буфер с большим входным сопротивлением, не проблема сделать его дифференциальным. Просто мне нужны были советы по АЦП, поэтому не видел смысла загромождать схему.

[Mickle]

При всём уважении к заграничным товарищам, я не могу поверить в то, что от вольтметра требуются настолько уникальные характеристики, что существующие массовые АЦП не могут решить поставленную задачу. Пока из ТЗ я увидел только требования к диапазону измерения 0,1-2 В, допускаемой нелинейности 0,001% и намёк на время интегрирования 20 мс.
Вот, к примеру, нелинейность и шумовая полка 7,5-декадного вольтметра на давно устаревшей ADS1281. Что в даташите на м/с заявлено, то и получено. Никаких неожиданностей, если не забывать про обычные для таких изделий меры по борьбе с помехой общего вида.



Много ли из промышленных вольтметров смогут потягаться Так что пока непонятно, что может помешать в применении сигма-дельта АЦП или мультибитных SAR с оверсэмплингом, типа LTC2500-32 и т.п.

[misha8us]

Mickle писал(а):

Вот, к примеру, нелинейность и шумовая полка 7,5-декадного вольтметра на давно устаревшей ADS1281.

Мне такие проверки ничего не дают. Как я понимаю, нужны проверки, например, 1 В и 0.99999 В, чтобы эта разница (10 мкВ) на индикаторе была всё время одного знака без никаких цифровых усреднений и не прыгала больше, чем 1-4 мкВ (т.е. при 5 знаках после запятой не превращалась в 0 или 20 мкВ). При этом абсолютной точности хватает +-0.05%, т.е. если подать 1 В и 0.99999 В, то на индикаторе допустимо 0.9995 В при входном 1 В (-0.05%), но тогда должно быть 0.99949 В при входном 0.99999 В, т.е. опять должна быть видна разница 10 мкВ и правильное направление (1 В больше 0.99999 В). Видимо сигма-дельта АЦП это не обеспечивают настолько достоверно, насколько требуется (что видно и у Вас, нелинейность у сигма-дельта АЦП не одного знака, значит монотонность не обеспечивается). Так что применение сигма-дельта АЦП исключено.

[Mickle]

Уверяю вас, всё так и будет, как вы пишете. Напомню, что ppm - это миллионная доля, т.е. единицы относительные. И мной приведённые графики нелинейности и шума - как раз в ppm. А заданное вами приращение 10 мкВ/2 В - это 5 ppm, т.е. в 50 раз больше фактического разрешения вольметра. Для измерения таких приращений хватит практически любого 24-битного сигма-дельта. И интегральная нелинейность АЦП, которая активно обсуждается вот уже вторую страницу, вообще никакой роли при измерении приращений не играет. Шум, монотонность, дифф. нелинейность, пропуски кодов - да. Интегральная нелинейность - нет. Кстати, график последней не может быть одного знака по определению, поскольку рассчитывается как отклонение от линейной регрессии. И уж вывод о монотонности делать на основании 10 точек я бы не стал.

[misha8us]

Mickle писал(а):

Уверяю вас, всё так и будет, как вы пишете.

Но коллеги из Франции уверили меня (вернее моего заказчика), что всё не так, как Вы говорите, и я им верю (тем более, что уже не первый раз я слышу от уважаемых мной людей критику в адрес сигма-дельта АЦП, что они имеют неисправимые недостатки). В любом случае, переубеждать заказчика можно только в случае 100% гарантии, что он не прав, а её у меня нет, а тот, кто пытается изменить заказчика под свои предпочтения, рано или поздно потеряет всех заказчиков, особенно если продавать ему то, что он не хочет (большая ошибка многих малых бизнесов в России). Да и зачем этот спор, я попросил помощи в реализации именно интегрирующего АЦП (в том числе от Вас с Вашим большим опытом по подобным АЦП), но я не просил помощи в выборе вида АЦП.

[Mickle]

В таком случае, если по религиозным соображениям допускаются только интегрирующие АЦП, целесообразно не разрабатывать новую их топологию, а взять самый простой, с которого начинали. Вклад интегральной нелинейности (из-за той же абсорбции или саморазогрева весовых резисторов) в ошибке измерения приращения напряжения всё равно будет исчезающе ничтожным и неизмеримым. Проблема здесь, как мне кажется, - получить требуемые ENOB и разрешающую способность.

[strannik2039]

Здравствуйте уважаемые форумчане.
misha8us по ссылке ниже есть пару книг, где не плохо описаны помехи, методы борьбы с ними, принципы интегрирующих АЦП. Я всё собрал в одном месте.

https://yadi.sk/d/aRK8FsIyC-II9A?w=1

Немного добавил литературы по АЦП

[0xFF]

"качественный вольтметр на диапазон 0.1-2 В"

HP3478A -> 0.00001 - 3.03099 B на основном пределе. Без всяких шумов. Старинно Надежно Дешево. Потраченное время на ацп инвестируется в сьем данных через HP-1B. либо на входной мультиплексор, скорее всего оба варианта в 1 флаконе. тк много датчиков ...

А история склепать вольтметр добром не закончится .... При практической реализации будут множество подводных камней. которые на листе бумаги с идеальной схемкой просто не видны

[misha8us]

strannik2039 писал(а):

по ссылке ниже есть пару книг, где не плохо описаны помехи, методы борьбы с ними, принципы интегрирующих АЦП

Кроме двух книг остальное я не видел, огромное спасибо.

0xFF писал(а):

HP3478A -> 0.00001 - 3.03099 B на основном пределе. Без всяких шумов. Старинно Надежно Дешево.

Если Вы имеете в виду приобрести готовый вольтметр, то это невозможно, и дело не только в деньгах (нужны как минимум 10 экземпляров), но и в размерах (требуется компактность, тем более, что кроме постоянного напряжения ничего другого мерять не требуется). Плату для цифровой части я уже начал разводить (там всё просто), хочу на этой неделе заказать у китайцев (отдельные платы будут не более 10х10 см, так что за 10 долларов включая доставку можно заказать 10 штук).

[iliusmaster]

Вы меня так и не услышали.
Помимо помехи на входе усилителя, который вы не описали, помеха также действует на входе вашего АЦП, вход которого вы до сих пор не хотите сделать дифференциальным.
Также помимо синфазной помехи при использовании дифференциальных входных цепей легче бороться с температурными эффектами, масштаб проблемы коих вы пока даже еще не оценили.

Добавлено after 6 minutes 32 seconds:

misha8us писал(а):

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=3929052#p3929052"]Уверяю вас, всё так и будет, как вы пишете.

Но коллеги из Франции уверили меня (вернее моего заказчика), что всё не так, как Вы говорите, и я им верю (тем более, что уже не первый раз я слышу от уважаемых мной людей критику в адрес сигма-дельта АЦП, что они имеют неисправимые недостатки). В любом случае, переубеждать заказчика можно только в случае 100% гарантии, что он не прав, а её у меня нет, а тот, кто пытается изменить заказчика под свои предпочтения, рано или поздно потеряет всех заказчиков, особенно если продавать ему то, что он не хочет (большая ошибка многих малых бизнесов в России). Да и зачем этот спор, я попросил помощи в реализации именно интегрирующего АЦП (в том числе от Вас с Вашим большим опытом по подобным АЦП), но я не просил помощи в выборе вида АЦП.[/uquote]

И да. Задача опытного разработчика, разбирающегося в том, что он делает - оберегать заказчика, который обычно в этом недостаточно компетентен от ошибок. Потому он к вам и идет(ваши знания), если бы у него было достаточно квалификации - сами бы справились. Это так, к слову.
Сигма-дельта АЦП не хуже интегрирующего АЦП применительно к вашей задаче. То есть решить задачу в том виде, в котором вы ее описали - позволяют.

[misha8us]

iliusmaster писал(а):

Помимо помехи на входе усилителя, который вы не описали, помеха также действует на входе вашего АЦП, вход которого вы до сих пор не хотите сделать дифференциальным.
Также помимо синфазной помехи при использовании дифференциальных входных цепей легче бороться с температурными эффектами, масштаб проблемы коих вы пока даже еще не оценили.

Если не трудно, выложите пожалуйста схему с изменениями входной части моей схемы (т.е. ключи S1 и R1), чтобы ввести дифференциальность. И тот метод (два интегрирования подряд с инвертированием напряжений), который я ввёл в последнюю схему, не скомпенсирует синфазные помехи?

iliusmaster писал(а):

Сигма-дельта АЦП не хуже интегрирующего АЦП применительно к вашей задаче.

Хуже согласно не только коллегам из Франции (почему-то у них интегрирующий прибор показывает правильно, а различные сигма-дельта АЦП, которые они всё же надеялись использовать, постоянно врут), но и по комментариям опрошенных мною специалистов, которые тоже много имели дело с сигма-дельта АЦП (в энергетике и физических исследованиях). Так что там, где важна 100% гарантия результата (энергетика, технологические процессы, исследования) будет ошибкой и безответственностью использовать сигма-дельта АЦП на полную шкалу, там или интегрирующие или быстродействующие параллельные, если конечно разработчик ответственный и честный человек, ну а сигма-дельта АЦП в этих областях можно использовать только, если хватает максимум две трети старших разрядов, т.е. максимум 16 бит от 24 битного сигма-дельта АЦП.

[iliusmaster]

Я предлагаю заказать плату полностью дифференциального LTC2500-32 , если укладывается в бюджет, или LTC2508-32 - подешевле.
После этого согласовать входные сигналы и пробовать пройти "испытания" заграничных друзей.

[misha8us]

Насчёт 32-битных АЦП надо подумать (до сих пор все реализации были на 24-битных АЦП), по идее 20-22 бит они достоверно должны обеспечить в любых условиях, что мне будет достаточно.

[Mickle]

Ошибаетесь, ничего подобного 32-битные не должны обеспечить. То, что в интерфейс дополнительно будут выводиться 8 бит мусора (хоть и без пропуска кодов), к повышению ENOB вообще никакого отношения не имеет.

[iliusmaster]

Я предложил этот АЦП исходя из следующих соображений:
1. Он полностью дифференциальный
2. CMRR у него порядка 128Дб до частоты 1кГц.
3. У него малая интегральная нелинейность и малая ее зависимость от температуры.

[YellowColor]

почему-то у них интегрирующий прибор показывает правильно, а различные сигма-дельта АЦП, которые они всё же надеялись использовать, постоянно врут

а случайно не так, что у коллег на интегрирующем АЦП имеется нормальный человеческий вольтметр, а на дельта-сигмах - только evaluation board?

[Mickle]

Выделил в отдельную тему вопросы измерения малых токов в любительских условиях: https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=174339