Любительский универсальный калибратор

[Mickle]

Компоновка немного упростилась за счёт использования специального сетевого трансформатора вместо 3-х унифицированных. А вот отказ от модуля с LTZ1000 в пользу более дешёвого LM399 кроме как ошибкой не назовёшь. 450 дней (10800 часов) - столько понадобилось времени, чтобы предварительно разбраковать партию из 11 шт. по стабильности, ТКС и шуму.



Задел на будущее:

[Mickle]

Оставшиеся два комплекта проверены, прошиты и готовы к сборке (которая, впрочем, вряд ли состоится в обозримом будущем):



В прошивку добавлена функция дистанционного управления (ДУ) прибором, включающая установку параметров воспроизведения, а так же резервное сохранение калибровочных констант. Синтаксис и семантика команд ДУ намеренно сделаны очень простыми и лаконичными, чтобы легко управлять калибратором даже с терминала, не прибегая к программированию или вводу громоздких SCPI последовательностей.



Функция ДУ позволила получить более надёжные оценки нелинейности ЦАП и аналогового тракта воспроизведения напряжения калибратором. С этой целью к выходу каждого из приборов подключался контрольный вольтметр Solartron 7081, имеющий рекордно низкую среди приборов своего класса интегральную нелинейность. Далее простой паскаль-скрипт на EZGPIB последовательно устанавливал коды ЦАП калибратора, соответствующие диапазонам выходного напряжения 0...10 и -10...10 В, выжидал 1 с и запускал серию из 3-х измерений вольтметром. Поскольку кодов 20-битного ЦАП AD5791 больше 1 млн, перебор осуществлялся с разным шагом от 1000 до 10000. Результаты (для одного экз. калибратора) представлены на графиках:



Так же в ходе испытаний были определены значения дополнительных температурных погрешностей всех величин и параметров шума (только для напряжения):



Прогноз долговременной стабильности строился только для приборов с ИОН на базе LTZ1000 по итогам полугодового мониторинга выходного напряжения калибратора при фиксированном коде ЦАП, соответствующем приблизительно 10 В.



В целом, итоги оценки ключевых параметров изделий получились близкими (и даже превосходящими) к таковым для имеющихся 8,5-разрядных мультиметров. Вместе с тем, калькуляция затрат на выполнение проекта показала, что "любительским" его назвать никак нельзя. Один экземпляр калибратора по одним лишь материальным затратам на комплектующие примерно эквивалентен новому 6,5-разрядному графическому мультиметру. При этом 70% в структуре затрат составляют прецизионные резисторы, ИОН, ОУ и ЦАП. Таким образом, для удешевления изделия возможно имеет смысл перейти к альтернативной парадигме ЦАП, например, с использованием ШИМ.

[MegaVolt1976]

А погрешнось +/-1ppm в зависимости от шага это реальная или это просто графики разнесены для удобства?

[Mickle]

Для наглядности.

[MegaVolt1976]

Очень круто вышло!!!

[Mickle]

В завершении этой затянувшейся темы оставлю здесь разработанные руководства по эксплуатации:
зав. №4 ("топовое" исполнение калибратора) - https://drive.google.com/file/d/1Jo_DiP ... sp=sharing
зав. №5 (обычное исполнение) - https://drive.google.com/file/d/1qaY86k ... sp=sharing

[Mickle]

В копилку конструктивно-технологических решений

Миниатюрный программируемый DCV/DCI/OHM калибратор. Создавался для поддержки давно уже витающей идеи о запуске комплекта транспортируемых мер между участниками радиокота.



Основные функции



1) воспроизведение напряжения постоянного тока в 2-х диапазонах с верхними пределами 1,03 и 10,3 В и дискретностью 1 ppm;
2) воспроизведение силы постоянного тока в 4-х диапазонах с верхними пределами 10,3 мкА, 103 мкА, 1,03 мА, 10,3 мА и дискретностью 1 ppm;
3) воспроизведение активного сопротивления с 4-х точечной схемой подключения и номиналами 100 Ом, 1 кОм, 10 кОм и 100 кОм;
4) мера отношения (линейности) напряжения в диапазоне 0...+10,4 В с верифицированной приведённой интегральной нелинейностью не выше 1,5 ppm.

Схема электрическая принципиальная и принцип работы



В основе источника калиброванных напряжений (ИКН) неоднократно описанное на страницах форума типовое решение на 20-битном ЦАП AD5791, положительное опорное напряжение для которого формирует ИОН на базе LM399 с масштабным усилителем. Поскольку проект развивался в течении длительного времени, в самом начале избыточная партия LM399 была поставлена на электротренировку для последующего отбора по характеристикам. В итоге каждый чип получил наработку 45480 часов (чуть более 5 лет). Этого оказалось более чем достаточно, чтобы отбраковать заведомо неудачные экземпляры.
ИКН нагружен на делитель напряжения 1:10 из согласованной по ТКС цепочки металлофольговых резисторов. Таким образом формируются два диапазона напряжений +-1,03 В и +-10,3 В с высокой временной и температурной стабильностью. Выходной каскад - усилитель мощности - конфигурируется с помощью реле либо как повторитель при воспроизведении напряжения, либо как ИТУН для реализации функции воспроизведения силы тока. В последнем случае выбор требуемого диапазона осуществляется с помощью реле, подключающих в разрыв цепи тока тот или иной шунт, выполняющий одновременно роль калиброванного резистора для функции воспроизведения сопротивления.

Конструктивное исполнение
Все основные узлы скомпонованы на одной миниатюрной печатной плате, к которой подключаются вторичные обмотки трансформатора питания, энкодер с блоком из 4-х программных кнопок и светодиодом режима, 2-строчный OLED индикатор и синфазный дроссель с выходом на клеммный блок лицевой панели. Все аналоговые узлы гальванически развязаны от устройства управления на МК и USB интерфейса.



Плата размещена в серийном приборном корпусе из фасонного алюминиевого профиля. Габаритные размеры ШхГхВ 160х165х44 мм. Задняя стенка служит одновременно радиатором для стабилизаторов питания аналоговой части прибора.



Лицевая панель и задняя стенка фрезеровались из листовых заготовок толщиной 2-2,4 мм.



Так как программированием ЧПУ в семье занимаюсь не только я, бывали и такие казусы



Было изготовлено два экземпляра калибратора (основной и резервный) для оперативной замены в случае выявления неисправностей.
Таковые действительно обнаружились при независимом тестировании. Спасибо коллеге за помощь в локализации и устранении.

Тестирование
Размах напряжения шума в диапазоне 0,1-10 Гц определялся как обычно по ГОСТ 18986.23 и ГОСТ 11.004:



Внутреннее сопротивление и ограничение тока в режиме DCV:



Интегральная нелинейность в режиме прямого программирования ЦАП (без калибровочного уравнения) рассчитывалась по Solartron 7081 со специфицированной INL< 0,2 ppm (фактически 0,1 ppm):



Точечные и интервальные оценки температурных коэффициентов (пока без охлаждения):



Оценка влияния на выходные параметры выдержки при повышенной, пониженной и нормальной температурах:



При "выпуске в свет" калибратору переданы размеры единиц, прослеживаемые через Yokogawa Rental & Lease Co. до национальных первичных эталонов Японии. Расчёт расширенной неопределённости приведу позднее, когда уточню вопрос по приложению к свидетельству об аккредитации: не понимаю, как они получили такие exp. uncert. для воспроизведения сопротивления 5730A.



Исходники
В папке гуглодиска выложены принципиальная схема, прошивка с исходниками на C, матмодели NX/STL для 3D-печати, герберы, чертёж и программы для сверления/фрезерования лицевой панели, краткая инструкция по эксплуатации:
https://drive.google.com/drive/folders/ ... share_link

[anby]

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=4388185#p4388185"]При "выпуске в свет" калибратору переданы размеры единиц, прослеживаемые через Yokogawa Rental & Lease Co. до национальных первичных эталонов Японии. Расчёт расширенной неопределённости приведу позднее, когда уточню вопрос по приложению к свидетельству об аккредитации: не понимаю, как они получили такие exp. uncert. для воспроизведения сопротивления 5730A.[/uquote]
Это огромный прогресс, поздравляю!

[ZhuraYuk]

Отличный проект на доставаемых элементах. Но пару вопросов, резисторы подобраны обмеряны? То есть случайный С5-61 туда просто так не вставишь?
LM399 обязательно 5ти летнюю брать?

[Ruth]

У подобранных с5-61 по ТКС будет меньше изменяться коэффициент деления и, как следствие, выходное напряжение ИОН.
Если не отбирать LM399, будет хуже временная стабильность выходного напряжения и шумы.
Эти компоненты можно не отбирать, зависит от требований, предъявляемых к калибратору.

[Mickle]

Так и есть. Резисторы обмеряны и подобраны по ТКС. Испытаны в общей сложности 234 шт. на все платы. Для снижения трудоёмкости использовался 10 канальный сканер.
Поскольку использованный тип ЦАП обеспечивает sub-ppm стабильность в температурном и временном доменах, закладывать в бюджет погрешности резисторы даже группы 5 ppm/°C без подбора нецелесообразно.
LM399 - не обязательно. Однако, до или же после монтажа, а разбраковка всё равно потребуется. И лучше уж выявить неудачные экземпляры (в плане телеграфного шума, временной нестабильности) раньше, чем во время наладки.

[bsw_m]

Знакомство калибратора с первичным государственным эталоном вольта.
Пока только 2 фотографии, все подробности чуть позже.
Лаба и калибратор (слева от стойки):

результаты одно из замеров:


На измерениях, калибратор в 5-й позиции.

[Mickle]

Чуть менее компактный ремейк вышеприведенной конструкции источника вполне вписался в остатки моего радиолюбительского уголка. Однако со временем стала ощущаться обратная сторона миниатюризации - ограниченное число пределов тока и напряжения, и в основном - в большую сторону.
Поскольку два унифицированных корпуса у меня как раз остались невостребованными, решил оформить в них масштабные усилители из подножных деталей, дабы расширить диапазон воспроизведения до 1000 В и 1000 мА. Получилось примерно так:



Сверху источник тока, управляемый напряжением. Крутизна 100 мА/В, т.о. формируются два дополнительных диапазона воспроизведения +-100мА и +-1000 мА.
В структуре баланса погрешности крутизны ИТУН наиболее существенный вклад привносит отклонение сопротивления шунта. В качестве последнего взяты старые добрые буржуйские безындукционные VISHAY-MANN с допуском 0,01% (что совершенно не важно), гарантированной долговременной стабильностью и ТКС<3 ppm/°C. Одно в них плохо - сопротивление 1 Ом, а значит и довольно высокая рассеиваемая мощность 1 Вт с соответствующим нагревом. Проблема дополнительной систематической погрешности из-за саморазогрева была решена введением медного датчика температуры, включенного в цепь нормирующего делителя напряжения. Расчёт сопротивления датчика выполнялся по результатам испытаний резисторов делителя и шунта на температурный коэффициент и коэффициент саморазогрева соответственно. Совпадение с экспериментом вполне удовлетворительное (по крайней мере в пределах возможностей 2-х 8,5-разрядных контрольных мультиметров).



Внизу под источником расположен высоковольтный усилитель, обеспечивающий два диапазоне воспроизведения 0...+100 В и 0...+1000 В. Его уже не раз обсуждали на форуме. Интересно было сравнить несколько мультиметров на предмет дрейфа показаний из-за саморазогрева входного делителя. Не без удивления обнаружил, что 6,5-разрядный настольный Picotest M3500A с плёночным делителем Caddock вполне может конкурировать с мультиметрами более высокой категории, в т.ч. с микропроволочным делителем на входе.

[ZhuraYuk]

[uquote="bsw_m",url="/forum/viewtopic.php?p=4393312#p4393312"]Знакомство калибратора с первичным государственным эталоном вольта.
Пока только 2 фотографии, все подробности чуть позже.
Лаба и калибратор (слева от стойки):

результаты одно из замеров:


На измерениях, калибратор в 5-й позиции.[/uquote]

Элемент нормальный термостатированный Х488 вижу я все еще испольщуется даже совместно с Флюком 5700A.

[Konopla]

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=4474185#p4474185"]Внизу под источником расположен высоковольтный усилитель, обеспечивающий два диапазоне воспроизведения 0...+100 В и 0...+1000 В. Его уже не раз обсуждали на форуме.[/uquote]
А где можно подробнее почитать про усилитель, может и печатку выкладывали? Появилось желание повторить конструкцию, однако не хочется накосячить с платой и источником 1150В.

[Mickle]

Один из вариантов здесь: https://www.radiokot.ru/forum/viewtopic.php?p=3165717. Оставшиеся два (или три, уже не помню) наверняка где-то там же +- 1 год.
Т.к. всё делалось под имеющиеся ресурсы, на повторение не рассчитано.

[Mickle]

Всё не доходили руки (да и интерес давно не торт), но всё же описанный выше миниатюрный программируемый DCV/DCI/OHM калибратор доведён до DCV/ACV/DCI/OHM(2W/4W).
Опробовал компоновку в 2-х серийных корпусах (универсально-сборный SCHROFF и из экструдированного профиля). Маленький понравился больше, хотя и заморочек с его механообработкой тоже больше.



После отпуска выложу файлы "проекта".

[Mickle]

Наткнулся, разбирая комнату, на свою старую поделку. Даже работает до сих пор )



Для расширения функционала дорабатывалась напильником и паяльником: для воспроизведения переменного тока ЦАП переведён на аппаратный SPI, поставлен более шустрый цифровой изолятор и дополнительное реле для переключения между режимами ACI/DCI.



Прошивка и так была была до безобразия жуткой, а после добавления переменки стала просто ночным кошмаром.

Спойлер

+ Добавлен режим ACV 0,1/1/10 В п-п
! Отключено раздражающее мигание курсора.

3.00b
+ Меню управления прибором стали проще и интуитивно понятней.
+ Добавлен режим поддержки синтезатора импеданса через команды прямого управления реле (C и N).
+ Схема подключения ЦАП к МК изменена на аппаратный SPI.
+ Добавлена функция ACI: 10, 100 мкА, 1, 10, 100 мА, 1 А, 10 А п-п.
Последние два предела реализуются через внешний усилитель/ИТУН с входным напряжением +/-1 и +/-10 В.
+ Добавлен дискретный выбор частоты сигнала ACV и ACI: 10, 20, 40, 50, 100, 200, 400 и 1000 Гц.
+ Текущий предел воспроизведения теперь сохраняется и восстанавлмивается при смене функции.
+ Изменена команда выгрузки калибровочных констант. Теперь команд стало две (Z? - для нуля шкалы,
S? - для масштаба шкалы) и работают они только для текущей функции/предела, а не выгружают весь массив сразу.
+ Добавлены команды загрузки калибровочной константы для текущей функции/предела (Z и S).
+ Функция DCI дополнена пределом 10 А, реализуемым внешним усилителем с входным напряжением +/-10 В.

Написана софтина на EZGPIB для оперативной регулировки по эталонному мультиметру в ЦСМ (не пригодилась).
В прошивку включена поддержка режима имитатора активного сопротивления, но так и не дописана на стороне ПК.

[local07]

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=4761449#p4761449"]В прошивку включена поддержка режима имитатора активного сопротивления, но так и не дописана на стороне ПК.[/uquote]
Т.е. в устройстве есть режим имитатора активного сопротивления, т.н. "синтезатор импеданса"?
Если это по мотивам Флюка, то реализуем ли в этой схеме режим имитатора емкости?

[Mickle]

Да, по мотивам Флюка, но не динамический, а с чисто программным управлением. Т.е. вместо умножающего ЦАП используется связка АЦП-МК-ЦАП.
Конечно, ёмкости в таком режиме не имитируются.