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.
Ваши конструкции "выходного дня" этого явно заслуживают!
