Методика калибровки мультиметров

[Mickle]

При доводке 8-разрядного вольтметра с самокалибровкой я столкнулся с неприятным побочным эффектом применения zero-drift ОУ с высокой внутренней частотой коррекции (LTC2057, MAX4424x, 4425x).
Суть проблемы в том, что в сравнении с линейными ОУ и zero-drift ОУ с низкой частотой (LTC1052, ICL7650, 7652 и пр. с внешними конденсаторами большой ёмкости) вышеуказанные намного более чувствительны в импульсным (широкополосным) помехам по любому из выводов. Эта чувствительность выражается в детектировании помехи, сбое работы схемы auto-zero, снижении PSRR, что в конечном счёте приводит к смещению нуля, повышению входного тока, увеличению их температурных коэффициентов. К примеру, первые два показателя увеличивались на 2 порядка от 500 Гц 50 нс "иголок" в нагрузке, обусловленных коммутированием выходов ИОН на резистор интегратора вольтметра. Т.е. в данном случае от zero-drift было больше вреда, чем пользы и оный был заменён на обычный OP97. Конечно, будь в спецификациях ОУ параметр EMIRR, проблему наверняка можно было бы избежать. Но увы, приводится EMIRR только для современных чипов, да и то не у всех производителей.

[TEKTRON]

Теперь понятно, почему после установки проходных дросселей и качественной экранировки ИОНа напряжение заметно менялось, вызывая необходимость перерасчёта делителя ОС в 7/10 конвертере. Дополнительный "бонус" - склонность к возбуду при прямой замене LT1013-MAX44246. Правда, лечится элементарно, плёночными 10 нФ между входом "-" и выходом каждого ОУ.
Придётся, видимо, добавить дросселюк по входу/выходу и в полосовой измерительный усилитель...

[kada]

Подскажите пожалуйста если кто знает что это за резисторы МВСГГ20-0.2 и МВСГГ10-0.2? Похожи на МРХ. На бумажках карандашом написаны цифры: 40000, 42000, 49000, 82000. Это я так понимаю сопротивление? Только вот в чем? Мультиметр показывает бесконечность (предел измерения 40 МОм). Маленькие резисторы прозваниваются.

Хотелось бы знать их ТКС.
Может кто знает от какого прибора этот мега-галетник?

[Mickle]

Резисторы микропроволочные, http://www.155la3.ru/mvsg.htm
Номинал Г20 и Г10 - соответственно 200 МОм и 100 МОм.
ТКС:

[TEKTRON]

В ответ на вопрос, заданный общественности одним из наших форумчан на http://www.eevblog.com/forum/projects/ultra-precision-reference-ltz1000/msg640880/#msg640880 о максимально достижимых ТКН ИОН на ЛТЗ сообщу свои данные здесь, трудно изъясняться по-английски.
Можно было, конечно, и больше поупираться, но после выхода во второй знак после запятой пропал всякий стимул тратить на это время .
LTZ1000A №1 +0,09 ppm/C
LTZ1000 №2 +0,07 ppm/C
LTZ1000A №3 +0,02 ppm/C
Всё это по каналу 7 В, в составе полностью законченного устройства, после подгонки с помощью ТКД температурного делителя. Т платы контролировалась по диодному датчику (корпус собственно ЛТЗ не контролировался, для варианта с "А" это вообще представляется малоинформативным из-за высокого теплового сопротивления. Да и всё равно критически важный делитель размещён снаружи). 10 В канал подгонялся дополнительно по ТКД своего статистического делителя.
Удачи!

PS С функциями климатической камеры неплохо справляется автомобильная сумка-холодильник подходящих размеров на элементах Пелтье...

[xDevs]

Спасибо, значит будем проверять как 2002-й мультиметр освободится.

А подгонка ТКД - это то что вы ранее здесь описывали, или иной процесс?
Было бы здорово больше информации по этому фрагменту, если не затруднит

[TEKTRON]

В данном вопросе я всего лишь юзер, использующий ЭКСЕЛевский файлик по расчёту температурного коэффициента деления статистических резистивных делителей, который любезно предоставил в пользование уважаемый Mickle. Просто для более примитивных случаев (например, температурный делитель ЛТЗ или делитель 1:10:100) использованы упрощённые варианты этого файла.
Поскольку самый существенный вклад в ТКН вносит именно температурный делитель, процедура для ЛТЗ выглядит так - сначала определяем ТКН ИОНа (7 В) как он получился после изготовления, термоизоляции, экранировки и размещения в корпусе. Получаем некоторый результат, и подбором ТКС одного из плеч температурного делителя добиваемся уменьшения ТКН. У меня обычно получалось в верхнем плече 2 равных резистора, а в нижнем - один. Поэтому старался комбинировать в верхнем плече, чтобы получить более тонкую подгонку. Понятно, что все резисторы (С5-61) были с измеренным и маркированным ТКС. Чем точнее определяем ТКС, тем легче в подборе. Мне хватило одного-двух знаков после запятой (в ппм-ах). В целом всё это довольно затратная по времени затея, но результат достижим.
Другой образ действий - тот, который обрисовал Mickle, т.е. изначально подбирать плечи с учётом и первого, и второго порядка отклонений, я такой подбор не делал и пояснить что-нибудь не могу.
Если где ошибся или предложил долгий окольный путь вместо короткого прямого, прошу более подкованных в этом вопросе товарищей поправить.
Удачи!

[TEKTRON]

Спойлер

наEbay сегодня прямо "день любителя LTZ" - один HP3458A (пока что дешевле $2k) и аж целых ТРИ опоры на LTZ1000(A) от него (пока что по $100).
У некоторых совсем сердца нет, раз по три таких вольтметра на органы разбирают (и уже не в первый раз, по моим наблюдениям).
"Вот пишу, а слёзы душат и капают"(с)В.С.Высоцкий

[Mickle]

Может будет для кого-то полезным: измеренный размах напряжения шума в диапазоне частот 0,1...10 Гц для стабилитронов серий КС190 и КС191. Делал как-то малошумящий лабораторный БП и решил не заморачиваться с всякими интегральными ИОНами, а использовать старые добрые КС191Ф. И не прогадал.

[xDevs]

Спасибо за информацию.
Тем временем борюсь с LM399, а то с LTZ и разориться не долго.
План минимум: отладить преобразователи 7V -> 10V, 7V -> 20V.



Пока же попугаи получились, а не 10 В

[TEKTRON]

Ну не знаю, у меня опорник на ЛМ199+[7>10>1] уже с полгода в EDC103J живёт вместо 1N829, пока настройка держится в пределах +-5ппм. Не понимаю, с чем могут быть проблемы. Вы резисторы свои на ТКС подбирали? Ток на стабилитрон чем стабилизировали? Ссылку на схему не подскажете?

[Mickle]

Возвращаясь к вопросу калибровки мультиметров в любительских условиях.
Приобрести меру напряжения, сопротивления и т.д. для ремонта, настройки мультиметров сейчас не представляет особой сложности. На ebay их можно выбрать на любой вкус и допуск. Но после этого возникает другая проблема: мера как правило однозначная, а прибор многопредельный. Как передать единицу измерения на все остальные пределы?
Одним из вариантов решения этой проблемы может стать применение артефактной калибровки, когда передача единицы измерения происходит с помощью внешней многозначной меры и априорно известной функции преобразования встроенного в прибор АЦП. На пример. Пусть имеется мера напряжения постоянного тока номиналом 9,999 В и известной неопределённость. Откалибровать с её помощью вольтметр на пределе измерения 10 В не составит труда. Для этого потребуются две опорные точки, одна из которых будет 9,999 В, а вторая 0 В (вход замкнут). Очевидно, что вольтметр на пределе измерения 1 В так откалибровать уже не получится. Но что если добавить в нашу схему внешний ИОН с номиналом около 1 В и измерить его выходное напряжение вольтметром на уже откалиброванном пределе 10 В? Причём это может быть даже не ИОН, а простой делитель напряжения 1:10 и совершенно неважно, какова его долговременная стабильность или температурный коэффициент. Вся калибровка займёт пару минут, за которые температуру в комнате можно считать постоянной.
Обратная сторона медали связана с основными допущениями данного метода, а именно, с линейностью измерительного тракта и АЦП прибора, избыточной разрешающей способностью АЦП по сравнению с пределом относительной погрешности, стационарности распределения и нулевого коэффициента асимметрии измерительных шумов прибора. В теории это означает, что если допуск интегральной нелинейности АЦП не указан в спецификации и нет результатов его измерения, невозможно будет оценить неопределённость, с которой передаётся единица измерения. Все равно, что чертить прямые линии, используя кривую линейку
На практике интегральная нелинейность зависит от архитектуры и алгоритма АЦП. Худшими показателями в этом плане обладают АЦП двойного интегрирования, далее идут дельта-сигма, рекордсменами по линейности являются АЦП с многостадийным интегрированием и широтно-импульсные АЦП. Из своего опыта могу добавить, что мультиметры с последними двумя типами АЦП неоднократно калибровал по единственной мере в процессе ремонта и результаты были вполне удовлетворительными.
Если по какой-то причине АЦП прибора не удовлетворяет требованиям артефактной калибровки, никто не запрещает использовать внешний АЦП и набор хороших резисторных делителей для расширения пределов измерения. В этом плане превосходной линейностью и SNR обладают ADS1282, ADS1256/1255, хуже LTC2442, в крайнем случае LTC2413/2415 и т.д. и т.п.

А можно поступить иначе и собрать простой, но очень хороший (читай линейный) АЦП на дискретных элементах. Именно так я и поступил, когда решил побороться за микровольты и ppm-ы в конструкции, фотографии которой приводил уже в одной из веток форума. Схемотехнически АЦП представляет собой классический динамический интегратор с импульсной обратной связью и сигналом ускорения сходимости. Входной буферный усилитель U5 (LTC1052) имеет следящее питание для увеличения CMRR. Драйвер слежения U6 (OP97) одновременно является источником потенциала для защитных колец и корпуса реле P1 (РПС25). Последнее позволяет коммутировать вход усилителя либо на клеммы прибора, либо на выход мультиплексора самокалибровки U12. Нагрузкой буферного усилителя является один из 4-х входов двухканального интегратора на ОУ U17 (AD8551) и U20 (OPA604). Остальные 3 входа служат для подачи тока смещения нуля АЦП через резистор R18, разрядного тока через цепочку R36, R38 и ключи Q9 и Q10, и форсирующего сигнала (меандра с частотой 500 Гц) через U16, C16, R40.
Опорное напряжение для формирования токов смещения и разряда поступает от внешнего ИОН (на схеме не показан) через фильтр Саллена-Ки на ОУ U1:B и инвертор на ОУ U1:A (MAX44246). Резисторы R4 и R5 в инверторе и цепочки резисторов R17,19,23 и R36,38 подобраны по близости их ТКС.
Сигнал с выхода интегратора через усилитель-ограничитель на ОУ U21 (КР140УД25) поступает на вход компаратора U24 (LM311). Состояние выхода компаратора защёлкивается в U30:A и U30:B, стробируемых с частотой системного тактового генератора (16 МГц). Изменение состояния компаратора приводит к двум событиям: 1) меняется направление разрядного тока, 2) запускается/останавливается синхронный счётчик заполняющих импульсов на U32, U33. Впоследствии содержимое счётчиков защёлкивается в буферные регистры и считывается в обработчике прерывания микроконтроллера. Таким образом, результатом преобразования является длительность импульса разрядного тока, которым обеспечивается нулевой суммарный заряд конденсатора интегратора за один период форсирующего сигнала.
Стробированием U30, 32 и 33 достигается одна очень важная особенность АЦП: приращение заряда интегратора осуществляется нормированными квантами заряда (GLUG'ами). Это означает, что простым суммированием последовательных отсчётов можно достичь увеличения длины шкалы АЦП. Именно этим и занимается атмега на плате АЦП: инициирует очередной цикл преобразования, считывает и накапливает результат, мигает светодиодом и реализует простейший конечный автомат при обмене по UART командами в виде байт-кода. Для задания режимов работы и обработки "сырых" данных с АЦП был назначен промышленный одноплатный компьютер, на флэш-диске которого разместилась вся среда разработки, так что можно было за пару минут реализовать любые изыски в интерфейсе, алгоритмах обработки данных и даже назначении прибора.
Как видно из схемы, никаких настроечных элементов в ней не предусмотрено. АЦП работает сразу и обеспечивает вполне приличные характеристики:
- 500 изм./сек при 4,5-разрядной шкале, 1 изм./сек при 7,5-разрядной,
- входное сопротивление 300 ГОм, входной ток 100 пА,
- RMS шума 0,35 мкВ при PLC50,
- температурные коэффициенты (без самокалибровки) смещения нуля +0,6 ppm/C, масштаба -0,3 ppm/C,
- интегральная нелинейность 0,2 ppm в диапазоне 0...10 В.
По совокупности это сопоставимо с HP34401A и даже в чём-то превосходит его. Но как часто бывает, хотелось чего-то большего Именно поэтому сейчас на печатной плате живого места нет, а монтаж похож на места боевых сражений, длившихся по вечерам почти 2 месяца. Какие выводы я сделал по завершении этой эпопеи? Упрощённый алгоритм преобразования, недостаточно грамотная разводка питания, плотный монтаж и отсутствие возможности изготовления многослойной платы - всё это в совокупности лимитирует разрешение АЦП ввиду влияния ВЧ помех от цифровой части на интегратор. В общем, поузловая модификация не дала практически никаких улучшений.
К слову об упрощениях. На самом деле исходный алгоритм ШИ преобразования предполагает выходным параметром разность между длительностями положительной t1 и отрицательной t2 частями импульса на выходе интегратора. Аппаратно это реализуется с помощью реверсивного синхронного счётчика и соответствующей обвязки к нему. Переход от разности t2-t1 к длительности только одной части лишает АЦП двух преимуществ: 1) возможности фазовой АПЧ тактового генератора к частоте сети и, соответственно, увеличения NMRR АЦП, 2) возможности учёта ложных срабатываний компаратора при зашумлённом входном сигнале вблизи нуля.
С другой стороны, коль проблема улучшения характеристик имеет системный характер и не имеет простого решения, можно попытаться упростить отдельные узлы без существенного ухудшения параметров АЦП. Что можно сделать, а точнее, не делать? Убрать фильтр внешнего ИОН, подключив выход ИОН непосредственно к ОУ инвертора и при необходимости изменив соотношение номиналов резисторов в обратной связи ОУ. Выбросить входной буфер и усилитель слежения, заменив их одним высоковольтным zero-drift ОУ с минимальным CMRR не менее 140 db. Выбросить реле и мультиплексор режима самокалибровки. Даже усилителем-ограничителем и то можно пожертвовать.







Поскольку эта конструкция давно себя исчерпала и тратить время на неё более нет смысла, самопальное АЦП сейчас демонтировано и пойдёт на запчасти. Вместо него планирую попробовать альтернативный вариант с ADS1282 или ADS1256 на борту в штатном дифференциальном включении с дискретным парафазным усилителем на входе и двумя AD5791.

[xDevs]

А если зайти с другой стороны и реализовать меру на базе ЦАП, аналогично аппноту LT "20bit metrology grade DAC", но на базе современной элементной базы.
И еще вопрос как быть с диапазонами более 20В, например 200 и 1000 В. Обычно используется высоковольтный источник и делителем в обратной связи с ИОН, но насколько это практично в любительских условиях, при отсутствии KVD?

Кстати немного оффтопик, но согласно последнему видео дейва, в K7510 применяется ИОН LTFLU а не более привычный LTZ1000. Производственная унификация (в 732B, 5720A стоит тоже LTFLU) или инженерное решение? Кстати там же на форумах упоминалось что более поздние 8508A также перешли на LTFLU.

P.S. Предложение помощи в изготовлении плат (4 слоя, красивая маска и шелк) по прежнему в силе Ваши конструкции "выходного дня" этого явно заслуживают!

[Mickle]

Конечно, возможность выставить напряжение типа 3,141593 В на выходе эталона - это довольно забавно. Но разработка подобного метрологического ЦАП ничем не проще разработки целого калибратора и уж точно сопоставима по сложности с разработкой широкодиапазонного АЦП.
С высоковольтными пределами я бы вообще в кустарных условиях не связывался. Но если очень хочется, то обойтись вполне можно любым высоковольтным регулируемым стабилизатором и самокалибруемым делителем 1:10 (1:100). Делитель Кельвина-Варлея здесь избыточен.

[xDevs]

Целый час технического стриптиза обзора Keithley DMM7510 (который в девичестве был Model 2040).
Наслаждаемся и вытираем слюни

[otus]

Печатная плата аналоговой чвсти - это шедевр грвировального станка
Класс конечно,но пока очень свежий "пирожок",надо подождать отзывов как оно
всё себя покажет со временем.О ремонте думать даже не хочется
A/D


Vref

[Mickle]

С удивлением обнаружил, что экзотический японский 8,5-разрядник с артефактной калибровкой Advantest R6581T - гроза HP 3458A, продаётся в столице почти за бесценок.

Спойлер

http://usedpribor.ru/

[TEKTRON]

Было бы интересно узнать впечатления счастливого покупателя ...

[TEKTRON]

Потенциальному покупателю на заметку, во избежание разочарования...

The difference between the R6581 and the R6581T/D is that the latter only has DC and Ohms functionality, and with limited range on DC, like 100V DC range maximum.

http://www.eevblog.com/forum/testgear/list-your-test-equipment-score-here!/135/?wap2

<> Advantest R6581T - гроза HP 3458A<>

Всё не так уж сумрачно вблизи... (с) В.С.Высоцкий

[otus]

Статья от Lymex: