Вниманию уважаемой публики предлагается 16-ти фазный ШИМ ЦАП. Целью данной разработки была проверка концепции многофазных ШИМ преобразователей для достижения минимальной интегральной нелинейности и пульсаций выходного напряжения. Несмотря на законченный вид, схема не является окончательной, и конструкция в целом обладает рядом недостатков, поскольку разрабатывалась из соображений максимально возможной простоты. Измеренная нелинейность в базовом диапазоне 10В – 0.1ppm, уровень пульсаций 130нВ (peak-to-peak).



За основу были взяты схемы из [1] и [2]. На этапе макетирования использовалась схема 8-ми разрядного ШИМ, где практически проверялись свойства различных ключей и узлов схемы. Наилучшие показатели среди ключей показали ADG436 и ADG333. Они обладают лучшим быстродействием, при приемлемом неравенстве сопротивлений открытых ключей. Для улучшения характеристик возможно применение сборок полевых транзисторов (типа sd5400), однако это усложнит схему необходимостью применения драйверов.



В качестве схемы формирования многофазного сигнала применены FIFO DT7204, на вход которых подаются сигналы тактовой частоты, сброса и ШИМ от микроконтроллера. Сигнал ШИМ попадает на «сдвиговые регистры» FIFO длиной 4096, таким образом вход ШИМ и 15 выходов формирует 16-ти фазный сигнал старших разрядов ЦАП (16 разрядов). Совокупное количество выходов 2-х FIFO дает возможность получить в дополнение к 16-ти фазам еще 4 для ЦАП младших разрядов (14 разрядов). Частота ШИМ (88,7 Гц) выбиралась максимально низкой из соображений баланса пульсаций на выходе ЦАП и влияния быстродействия ключей на линейность и температурный коэффициент.

В качестве фильтра ЦАП старших разрядов применен 3-х полюсный Zero DC offset фильтр с частотой среза 6,7 Гц. Точка «А» на схеме фильтра подключена к выходу буферного усилителя вместо земли для снижения влияния абсорбции конденсаторов. Для ЦАП младших применен 2-х каскадный RC фильтр с частотой среза 7 Гц.

В качестве ИОН взята за основу схема [3]. Применение интегральных резисторных сборок избавляет от поиска дефицитных компонентов и позволяет удобно задавать ток стабилитрона LTZ1000. Однако, на практике они дают наибольший вклад в погрешность при существенном изменении температуры в корпусе устройства, особенно в масштабирующем буферном усилителе ИОН. Как альтернативу резисторному делителю, можно рассмотреть ШИМ делитель, который обладает лучшим температурным коэффициентом.

Для компенсации нелинейности, возникающей из-за неравенства резисторов в плечах ключей (на границах базового диапазона – 0,7 ppm), применена полиномиальная функция коррекции. Компенсация комплексных температурных коэффициентов производится программно, используя датчик TMP117 на плате.

В качестве внешнего интерфейса в первоначальной редакции использовался изолированный RS-232 на основе ADM3251, но от этого пришлось отказаться, поскольку иметь на плате достаточно мощный передатчик на 200 МГц недопустимо и стоило внимательно читать даташит AN-0971. В результате применена оптическая изоляция последовательного порта микроконтроллера и внешний преобразователь USB-to-COM.



Для удешевления конструкции плата была разведена в 2-х слоях, что является компромиссным решением.



К недостаткам конструкции следует отнести плотную компоновку, отсутствие эквипотенциальной защиты на плате, неверную оценку температурных коэффициентов в общем конструктиве.



Литература

1. Двадцатиразрядный цифроаналоговый преобразователь. Э.А.Купер, А.В.Леденев, А.В.Смирнов. ИЯФ, Новосибирск, 1990г.

2. Вольтметр-калибратор постоянного напряжения В2-43. Инструкция.

3. LTZ1000CH voltage reference – A simplified version of Wavetek/Fluke 7000. Dipl.-Ing. André Bülau

В предыдущем посте был включен gerber с ошибкой. Во вложении исправленный файл и перечень компонентов.

Некоторые компоненты могут быть заменены без ухудшения характеристик схемы:

ICL7650 можно заменить на LTC1052
AD549 на OPA111 или даже LF356

Прекрасная конструкция!
Несколько вопросов:
Исходный код будет доступен? или только прошивка? бесплатно или по подписке ?
Нелинейность с помощью только DMM7510 измерялась или чем-то ещё?
Уровень пульсаций в какой полосе частот ?
Вывод 3 микросхемы DA6 подключен к AGND или к точке А ?

Спасибо за оценку.
- Исходный код в стадии разработки (реализованы только основные функции) и публиковать его не планировалось, однако файл конфигурации микроконтроллера (CubeMX) и фрагменты кода готов опубликовать. Это не коммерческий проект.
- Нелинейность измерялась только DMM7510. К сожалению, другой возможности у меня нет.
- Пульсации на частоте ШИМ. Однако форма пульсаций (почти треугольник) говорит о скудном гармоническом спектре.
- Вывод 3 DA6 на данный момент подключен к AGND. В источнике [1] он подключается к точке "А", однако мне не удалось увидеть разницы на этапе макетирования. И если в фильтре применять конденсаторы с низкой абсорбцией (К71-7 например), то вообще возможно подключение точки "А" фильтра на AGND, при этом уровень пульсаций не меняется.

Есть ли возможность поделиться сканом или фото с телефона страниц этого ? " Вольтметр-калибратор постоянного напряжения В2-43. Инструкция.
"

ZhuraYuk, напишите в ЛС почту.

netrics, не рассматривали возможность компенсации нелинейности отдельной микросхемой многоразрядного АЦП? С такой обратной связью становится возможным значительно снизить требования к узлу ключей, да и бороться с шумами/пульсацией проще, если не оглядываться на требования линейности.

Andrey_B, В этой ситуации многоразрядный АЦП выглядит лишним. Проблема нелинейности возникает по нескольким факторам:
- Неравенство и дрейф сопротивлений ключей;
- Дрейф t-on - t-off ключей (обычно температурный);
- Влияние тока смещения буферного ОУ;
- Влияние абсорбции конденсаторов фильтра.
Как АЦП может решить эти проблемы? К тому же разрешения младших разрядов (156 мкВ / 16384) вполне хватает для точной коррекции.

Вот для примера INL 8-фазного ШИМ ЦАП который я макетировал и компенсирующий полином

netrics, МК может получать текущее значение выходного напряжения через этот АЦП и корректировать скважность ШИМ, подгоняя выход к требуемому значению. Таким образом будут скомпенсированы ошибки узлов ключей ШИМ и выходного усилителя. Например ADS1282 имеет нелинейность 0.5ppm.

Mickle в соседней ветке рассказал про проект "Voltgen", идея оттуда.

Andrey_B, используя АЦП с худшей нелинейностью весьма сомнительно корректировать ЦАП с лучшей. В проекте Voltget АЦП обладает лучшей нелинейностью, насколько я помню.

netrics, ваш образцовый DMM7510, по которому, как я понял, производилась оценка калибратора, имеет паспортную нелинейность вдвое хуже (1ppm), чем паспортная интегральная нелинейность указанного АЦП. Так что вроде всё правильно.

До этого момента я крайне скептически относился к многофазным ШИМ-делителям в разрезе их предельных возможностей по параметрам линейности и температурной стабильности. Хотя история практического применения ЦАП с этой топологией насчитывает много десятилетий и началась, как мне кажется, в 1973 году в Пунане РЭТ с открытием поисковой НИР "Введение-1" ("Исследование точных цепей, цифровых делителей напряжения и принципов построения автоматических калибраторов, вольтметров отношения и разностей постоянного тока"), даже лучшие отечественные приборы на этой основе (В2-41, В2-43) уступали по характеристикам зарубежным аналогам (Datron 4000, Wavetek 4800, Fluke 5440B и др.) с однофазным ШИМ и активной компенсацией вариации сопротивления ключей и температурного дрейфа.
Очень признателен уважаемому netrics за публикацию крайне интересной и полезной разработки, полностью разбившей мой многолетний скепсис
Вызывает уважение скрупулёзный подход к факторному анализу, моделированию и прототипированию изделия. Не каждый радиолюбитель замахнётся даже на простое повторение такого проекта.
Очень хотелось бы, чтобы ТТХ прибора были дополнены таким показателем, как размах напряжения шума на выходе калибратора в стандартной полосе 0,1-10 Гц. Не исключаю, что этот параметр можно несколько улучшить, просто заменив ОУ сумматора на более современный auto-zero. Я понимаю, что низкочастотный чоппер ICL7650S выбран из-за рекордно-низкого тока смещения. Однако даже типовой шум DC-10 Гц у него 2 мкВ п-п (по моим измерениям от 1,2 мкВ), что уже сопоставимо и даже превышает шум ИОН LTZ1000.
Кроме того, касательно полиномиальной коррекции INL по мультиметру DMM7510. Сам я измерение нелинейности 7510 пока не проводил, но на EEVBlog есть график, выложенный одним из разработчиков прибора. И этот график по амплитуде и своей параболической форме точь в точь повторяет функцию коррекции нелинейности ЦАП. Т.о. то, что считалось нелинейностью разработанного ЦАП, вполне может оказаться всего лишь нелинейностью контрольного мультиметра

Andrey_B, ADS1282, например, имеет базовый диапазон +-2.5В (калибратор +-10В). Очевидно придется использовать делитель? Какова будет погрешность, вносимая делителем? Добавим сюда температурный дрейф делителя (даже если хорошо скомпенсированного). Добавим сюда Gain drift АЦП 2 ppm (при единичном усилении) на град.С. И т.д. Еще раз утверждаю, что идея сомнительная.

Mickle, Спасибо за высокую оценку, тем более от вас.
По возможности обязательно выложу размах напряжения шума на выходе. Текущий мой LNA одной древней конструкции и выхода на рабочий режим приходится ждать очень долго (меня достало), но уже получил плату для проекта ZLNA (копия EULER LFLNA-80). Как сделаю - померю.

netrics, вы правы, не спорю. Но если всё таки идти по этому пути, и попытаться решить возникшие сложности, как оцениваете перспективы дотянуться до показателей вашей конструкции? Объясню причину интереса. Ситуация такова, что доступные АЦП в интегральном исполнении имеют характеристики значительно лучше, чем доступные ЦАП. Поэтому есть искушение сделать более повторяемый прибор, в котором высокие характеристики в большей степени будут гарантированы производителем микросхемы, а не факторами таланта разработчика, многочисленности труднодоступной элементной базы, уровня имеющейся образцовки и кропотливости процедуры настройки. Кроме того "бесплатно" получаем дополнительную функцию вольтметра, резко расширяющую спектр применения прибора.


По идее делитель не вносит нелинейности, а его температурный дрейф можно попробовать обойти разными способами. Термостатирование. Алгоритмически, непосредственно перед измерением выхода, измерять опору, подразумевая, что между двумя этими измерениями температура делителя не изменится. Заменить делитель на резисторах делителем на ключах с неизменной, фиксированной скважностью ШИМ, подразумевая что конкретные неидеальности этого узла достаточно стабильны.


Поместить АЦП в термостат. Или скомпенсировать эту температурную зависимость с помощью TMP117, математически это будет даже проще и предсказуемей, чем сейчас.

Какие просматриваются ещё подводные камни?

Andrey_B, концепцию, которую вы предлагаете вполне реализуема, я в этом не сомневаюсь. Я сомневаюсь в целесообразности. Вот представьте, вы получите в итоге устройство с термостатами, резистивными и ШИМ делителями и пр. Вряд ли такое устройство будет дешевле или более технологично, чем более дорогой ЦАП. Мое видение такое - вы же можете предварительно посчитать бюджет погрешности предлагаемого устройства? Мой опыт подсказывает, что "наловить" 0,5ppm в диапазоне 0,1 - 1ppm, в 10 раз легче, чем в диапазоне 1-10ppm А вообще, моя жизненная позиция такая: "Любая проблема решается, если ее решать!".

Добавлено after 5 minutes 6 seconds:
Поскольку, неожиданно для меня, разработка вызвала интерес, я решил немного раскрыть тему и поделится опытом, который приобрел в процессе. Расскажу о нескольких неочевидных моментах (допускаю, что я где-то ошибаюсь, - поправьте).

1. Как оценить максимальную нелинейность и что на нее влияет?
В параметрах ключа (ADG436 например) находим параметр Low ∆RON (3 Ω max) (неравномерность сопротивлений открытых ключей), добавляем к нему, если есть, On-resistance drift (у ключей TI всегда указывается). Предполагаем, что все ключи «уплыли» в одном направлении, и делим на количество фаз: 3/16 = 0,1875 Ω. Далее считаем максимальное отклонение с учетом входного сопротивления фильтра (1887Ком / 16) – итого 1,6ppm. Данный расчет не является корректным (хотя бы потому, что нужно считать СКО), он оценочный.
Что будет еще влиять на линейность? Во-первых – входной ток смещения буферного усилителя (и еще, в моем случае, входной ток бутстрепного ОУ питания входного буфера). Во-вторых – коэффициент абсорбции конденсаторов фильтра. И в-третьих (это важно!) – качество буферного каскада ИОН. Учитывая, что фронты ШИМ имеют мегагерцовый спектр, необходимо предусмотреть меры компенсации (желательно быстродействующий ОУ, балластный конденсатор с максимально низким ESR и пр.)

2. Температурный профиль.
По началу, когда конструктив был готов, я расстроился, сняв температурный профиль – 3,3ppm в диапазоне 12 град.С



Более того, как вы видите, компенсировать его очень сложно. По всей видимости на разных температурах включаются разные процессы. Начальная фаза до пика – это разогрев ИОН, далее работает делитель буфера ИОН, а на 34 град. включается делитель температуры ИОН.

Однако, когда я измерил по отдельности дрейф ИОН и ЦАП, то был приятно удивлен, что температурный коэффициент ЦАП в этом диапазоне составляет менее 0,2ppm! Кстати, Михаил правильно отметил главный критерий выбора ОУ входного буфера, однако еще один аргумент в его пользу это Average Temperature Coefficient of Input Offset Voltage – 0,02 мкВ/град.С.

На этапе макетирования я исследовал в том числе ключи ADG1436, ADG1411, ADG1236, ADG1434, TMUX6234. Данные ключи оказались непригодны для ШИМ ЦАП в основном по причине высокого температурного дрейфа t-on – t-off. На некоторых он был двукратным в диапазоне 5-7 град.С. Я заметил, что победители ADG436 и ADG333 выполнены по техпроцессу LC2MOS в отличие от остальных.

На этом пока остановлюсь. Если кого-то заинтересуют другие аспекты – готов поделиться своим небольшим опытом.

Проблемы с температурным профилем были вызваны неисправной сборкой NOMCA1603. Были заменены температурный делитель ИОН (на TDP16031002, которые обладают лучшим ТКС) и делитель буферного усилителя ИОН (на подобранную по ТКС пару С5-61).

Температурный профиль без коррекции:

К вопросу о надёжности оценки нелинейности ЦАП при использовании DMM7510. Кроме приведенного выше графика мне удалось найти лишь ещё 2 случая измерений собственной интегральной нелинейности DMM7510 на основном пределе измерения напряжения (2022 г., пользователь Pipelie, источник: https://www.eevblog.com/forum/metrology ... rison/100/). Испытания проводились на калибраторе Fluke 5700A с верификацией по HP 3458A.
На основании опубликованных "сырых" данных я построил графики раздельно для положительной и отрицательной полярности, т.к. мультиметр имеет немонотонную функцию преобразования (разные масштабы для разных полярностей):



Хорошо видно, что в диапазоне от 0 до +11 В размах отклонения от кривой уравнения линейной регрессии составляет не более 0,2 ppm. Однако в диапазоне от -11 до 0 В нелинейность достигает 1,2 ppm (хотя и вписывается в спецификацию). В целом, столь ярко выраженная асимметрия функции преобразования АЦП в мультиметре вызывает одно лишь недоумение.

Штудируя страницы форумов я наткнулся на информацию о том, что в 2022 году производитель оптимизировал производство DMM7510 с выпуском ухудшенной уточнённой спецификации Rev.C. Мне стало интересно, как ведёт себя прибор из "старой гвардии", 2017 г.р., т.е. выпущенный ещё до оптимизации:



В направлении положительной полярности никаких существенных изменений. Тот же размах 0,2 ppm, та же точка перегиба в районе 8 В. А вот обратная полярность - как день с ночью. Исчезла параболическая форма кривой отклонения, размах стал 0,2 вместо 1,2 ppm. Вот тебе и оптимизация. Совпадение? Не думаю!

Mickle, Огромное спасибо за ценную информацию. Наконец-то ясна причина "аномалии 7-8В", которую я наблюдал на графиках (кстати на последнем ее тоже видно):

Однако, я склонен считать, что нелинейность вызвана в большей степени 2-мя факторами:
- в диапазоне 0-3в оказывает влияние ток смещения ОУ буферного усилителя (поскольку при 0В вижу +5,5 мкВ смещение, а ШИМ сигнал отсутствует, ключи замкнуты на землю);
- в диапазоне 7-11В начинает влиять неравенство сопротивлений ключей.
Рад любым идеям на этот счет.

PS
Судя по серийнику (№ 04524124 VER 1.7.0e) DMM7510 2024 г.в. (но это не точно).

Целиком и полностью поддерживаю.
Я давно не обращался к этим усилителям, но всё же удалось найти несколько штук, демонтированных с Solartron 7081 и промышленного оборудования (какого - продавец не сказал). Выборка не так репрезентативна, как хотелось бы, тем не менее, 3-кратная разница в размахе НЧ шума налицо:



Измерения проводились на временном стенде из экранированной макетной платы (соединения лужёнкой во фторопластовой трубке). Методика - по ГОСТам 18986.23-80 и 11.004-74.



Обращает на себя внимание разница между 7650S и 1052 не только по шуму в полосе 0,1-10 Гц, но и по амплитуде коммутационных помех на частоте модуляции (200-300 Гц). При сопротивлении источника 100 кОм двукратный выигрыш снова за LTC1052.



Интересно, что один из усилителей ICL7650S прямо в процессе сбора данных взял да и начал шалить: потребляемый ток ОУ необратимо увеличился в 2 раза, шум вырос на порядок (или больше), хотя ОУ свою основную функцию выполнять не перестал. И это не смотря на все меры по защите от статики, защёлкивания и то, что над стендом я даже не дышал