Методика калибровки мультиметров

[MegaVolt1976]

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=3919226#p3919226"]Ниже приведён пример расчёта нелинейности для ваших условий. В расчёте учитывается только гарантированный статический Ку ОУ и минимальное сопротивление утечек конденсатора. Диэлектрическая абсорбция НЕ учитывается.[/uquote]А есть какой то букварь где расписано откуда берётся эта формула? И вообще букварь по расчёту нелинейностей?

[Mickle]

Использованная мной формула - часть аналитического решения для оценки абсолютной ошибки ИАЦП из монографии Шахова "Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения" (https://yadi.sk/i/dVdhqJ3834mJ75).



Я ограничился только первым слагаемым, ответственным за нелинейность. Вывод см. на стр. 28 - 49.

[strannik2039]

Здравствуйте уважаемые форумчане. Ещё хочу напомнить про интересную статью из журнала Автометрия.
https://www.iae.nsk.su/images/stories/5 ... /63-72.pdf

В ней приводится обзор методов преобразования входного сигнала АЦП. И если читать внимательно, то там сказано, что при методе динамического интегрирования ( В7-54, Solartron ), погрешность нелинейности равна нулю.

А это ссылка на архив журнала https://www.iae.nsk.su/ru/articles-archive

[misha8us]

[uquote="anatol378",url="/forum/viewtopic.php?p=3919678#p3919678"]Тем более тема "Методика калибровки мультиметров", а не их создание, особенно в недоделках-симуляторах.[/uquote]

Во-первых, в этой теме очень много полезной информации и об устройстве мультиметров, к примеру на странице 10 Магия восьми и одной второй., за что большое спасибо Mickle-у, а во-вторых, Ваше пренебрежительное и грубое обращение к людям (кстати, насчёт недоделки-симулятора, я в данном случае вообще ничего не "симулировал", у меня мозг ещё работает и без симуляторов, в отличие видимо от Вас), а также использование матерных слов, типа нахуа (а мой опыт говорит, что на технических форумах матерщина это признак того же, что и смех без причины) приводит меня к решению не обращать внимания на Ваши не имеющие никакой пользы реплики.

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=3920019#p3920019"]из монографии Шахова "Интегрирующие развертывающие преобразователи напряжения"[/uquote]

Большое спасибо за файл. Ещё хорошие книги, Прянишников "Интегрирующие цифровые вольтметры постоянного тока" и Гришанов "Интегрирующие цифровые вольтметры".

[uquote="strannik2039",url="/forum/viewtopic.php?p=3920214#p3920214"]А это ссылка на архив журнала https://www.iae.nsk.su/ru/articles-archive[/uquote]

Большое спасибо за ссылку на архив, я уже часть статей начал изучать. Получается, что мой выбор быстродействующего ОУ для интегратора это шаг в правильном направлении и позволяет ограничиться стандартным двойным интегрированием по простой схеме (компаратор взял тоже очень быстродействующий), а разные усложнённые методы тройного и больше интегрирования были вызваны элементной базой 80-х и ранее годов с типичной единичной частотой усилителей в несколько МГц в отличие от 50 МГц (плюс быстродействие почти 200 В/мкс) у OPA2810. Кстати, я ещё больше усовершенствовал свою схему (см. вложение), теперь есть два диапазона, до 2 В (Vref=2.5 В через ключ S1.2) и до 0.2 В (Vref=0.25 В через ключ S1.4, а также реле вместо R1 подключает R7), что возможно благодаря великолепным ключам ADG711 (у них при входном напряжении 2.5 В+-0.25 В изменение сопротивление порядка 0.1 Ом при питании от 5 В). Более того, легко осуществить самокалибровку делителя R5/R6, надо просто провести интегрирование ключами S1.2 и S1.4 вместо S1.1 (Vref при этом компенсируется и не влияет на результат), и полученное значение запомнить в регистре процессора.

mult_int3.png

(14.26 КБ) 378 скачиваний

[misha8us]

Перечитал предложенную выше литературу, много интересных идей, но в итоге решил ничего не усложнять, т.к. по поставленным требованиям мне хватает 5.5 разряда, что надеюсь я получу со стандарной схемы двойного интегрирования благодаря современным деталям. На вложении предыдущая схема с небольшими изменениями, во-первых, увеличил ёмкость поддержания нуля (С2) до 2.2 мкФ (полипропилен), чтобы гарантировать стабильность нуля не хуже 1 мкВ в течении максимального времени измерения (40 мс), а во-вторых, обнаружил интересную микросхему LTC6228, очень быстродействующая, но при этом напряжение смещения менее 100 мкВ, решил поставить её вместо компаратора, она будет сбрасывать триггер, так что не нужен гистерезис. Таким образом измерения проводят в таком порядке, сначало замкнуты ключи S1.3 и S2 и на С2 запоминается напряжение компенсации нуля, далее по команде процессора ключи S1.3 и S2 размыкаются, а замыкается S1.1 на 20 мс и начинается заряд С1 от измеряемого напряжения (входной буфер и делитель напряжения не показаны, они стандартны), затем по окончании этих 20 мс S1.1 размыкается, а замыкается S1.2 (для предела измерения 2 В) или S1.4 (для предела измерения 0.5 В), взводится триггер, который разрешает подсчёт счётных импульсов от генератора 24 МГц, при этом С1 разряжается до напряжения срабатывания компаратора, триггер сбрасывается и подсчёт останавливается, после чего опять замыкаются ключи S1.3 и S2, а подсчитанные импульсы после вычислений выводятся на индикатор. Преимущество схемы двойного интегрирования в том, что точность R1/R7, С1 и частоты счётных импульсов не влияют на результат, если они стабильны в течение периода измерения, а также при условии достаточной линейности интегратора. Если ни у кого не будут дополнений, то начну разводить плату.

mult_int4.png

(17.17 КБ) 407 скачиваний

[Mickle]

Имеет смысл при трассировке платы предусмотреть место для фторопластового конденсатора интегратора. По расчётам этот тип диэлектрика (гипотетически) сможет обеспечить требуемую линейность АЦП двойного интегрирования без аппаратной компенсации абсорбции. Но конденсаторы реально огромные и дорогие. Это вторая по важности причина, почему сейчас тип АЦП ДИ - удел карманных низкобюджетных приборов и ни в одном широкодиапазонном вольтметре с 5-ю и более разрядами он не используется.

[strannik2039]

Здравствуйте уважаемые форумчане. АЦП двухтактного интегрирования, хоть и кажется простым но есть свои недостатки. И да в первую очередь это абсорбция конденсатора. По ссылке ниже немного рассказывается об этом.
https://www.imeko.org/publications/tc4- ... 016-49.pdf

Но я всё же рекомендовал бы посмотреть проект Mickle ( Михаила ) 7.5 - разрядный мультиметр на базе ШИМ АЦП. Это будет куда лучше чем тупиковый АЦП двухтактного интегрирования

[misha8us]

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=3924627#p3924627"]Имеет смысл при трассировке платы предусмотреть место для фторопластового конденсатора интегратора. По расчётам этот тип диэлектрика (гипотетически) сможет обеспечить требуемую линейность АЦП двойного интегрирования без аппаратной компенсации абсорбции. Но конденсаторы реально огромные и дорогие. Это вторая по важности причина, почему сейчас тип АЦП ДИ - удел карманных низкобюджетных приборов и ни в одном широкодиапазонном вольтметре с 5-ю и более разрядами он не используется.[/uquote]

[uquote="strannik2039",url="/forum/viewtopic.php?p=3924723#p3924723"]АЦП двухтактного интегрирования, хоть и кажется простым но есть свои недостатки. И да в первую очередь это абсорбция конденсатора.[/uquote]

Карманные низкобюджетные приборы используют АЦП ДИ не потому, что он плох, а потому, что имеются дешёвые микросхемы с готовым законченным АЦП данного типа именно, чтобы убрать строгие требования к внешним деталям. Что касается конденсатора интегратора, то для 3.5 разряда хватает лавсаного конденсатора, для 4.5 полипропиленного, а для 5.5 должно хватить полистиролового. Кстати, насчёт фторопластового конденсатора, а будет ли улучшение, если параллельно к основному полистироловому конденсатору (470 нФ) подключить сравнительно небольшой фторопластовый (порядка 10 нФ)?

[uquote="strannik2039",url="/forum/viewtopic.php?p=3924723#p3924723"]По ссылке ниже немного рассказывается об этом.
https://www.imeko.org/publications/tc4- ... 016-49.pdf[/uquote]

Вижу там про полипропиленовый конденсатор, а у меня будет полистирольный, у него абсорбция на порядок меньше.

[uquote="strannik2039",url="/forum/viewtopic.php?p=3924723#p3924723"]Но я всё же рекомендовал бы посмотреть проект Mickle ( Михаила ) 7.5 - разрядный мультиметр на базе ШИМ АЦП.[/uquote]

Можно ссылку? Наверняка когда-то видел, но сейчас что-то не нахожу.

[strannik2039]

Тут проще Михаила спросить. Если не ошибаюсь это он показывал схему самодельного вольтметра на ШИМ АЦП. Но давно это было, могу и ошибиться.

[Mickle]

Тут проще Михаила спросить.

Если решение по топологии АЦП уже было принято изначально, дальнейшие рассуждения и советы - пустая трата времени.

Что касается конденсатора интегратора, то для 3.5 разряда хватает лавсаного конденсатора, для 4.5 полипропиленного, а для 5.5 должно хватить полистиролового. Кстати, насчёт фторопластового конденсатора, а будет ли улучшение, если параллельно к основному полистироловому конденсатору (470 нФ) подключить сравнительно небольшой фторопластовый (порядка 10 нФ)?

Полистироловые и полипропиленовые могут иметь разброс по параметру абсорбции, но существенных преимуществ друг перед другом не имеют (см., например, Fig.7 https://www.edn.com/wp-content/uploads/ ... oakage.pdf). Даже фторопластовый диэлектрик - не панацея, если речь идёт о требовании INL < 0,001% в АЦП двойного интегрирования. Так что если использовать К71, то стоит заранее предусмотреть хотя бы одноточечную цепь коррекции абсорбции (и то, если постоянная времени интегратора не меняется).

[misha8us]

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=3924988#p3924988"]Если решение по топологии АЦП уже было принято изначально, дальнейшие рассуждения и советы - пустая трата времени.[/uquote]

Решение принято только из-за простоты, но если есть не намного сложнее улучшенный вариант, то буду очень благодарен, просто то, что вижу я из действительно лучшего, чем простой вариант, получается очень сложно реализовать. И в любом случае, просьба дать ссылку на Вашу схему вольтметра.

[Mickle]

Первоначальная схема АЦП и описание были выложены здесь: Методика калибровки мультиметров. Цель там была примерно такая - получить работающий прототип однополярного 8,5-разрядного вольтметра-компаратора с самокалибровкой и интегральной нелинейностью порядка 0,1-0,3 ppm. Итоговый вариант претерпел существенные изменения преимущественно в узле драйвера ключей, но общая топология осталась неизменной.

Если вопрос только в простоте реализации, тогда куда проще воспользоваться интегральным АЦП. Вот, к примеру, на выбор:
ADS1281 - INL 0,6 (тип.) - 5 (max)
ADS1256 - INL 3 (тип.) - 10 (max)
ADS1260 - INL 2 (тип.) - 10 (max)
ADS1261 - INL 2 (тип.) - 10 (max)
ADS1262 - INL 3 (тип.) - 12 (max)
ADS1263 - INL 3 (тип.) - 12 (max)
AD7175-2 - INL 1 (тип.) - 3,5 (max)
AD7177-2 - INL 1 (тип.) - 3,5 (max)

Половина из этих чипов используется в промышленных 5,5-6,5-разрядных мультиметрах. Вот в этой теме есть фрагмент схемы нового GDM-9061 с АЦП ADS1262, а так же результаты оценки INL: https://radiokot.ru/forum/viewtopic.php?f=10&t=168152

[misha8us]

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=3925044#p3925044"]Если вопрос только в простоте реализации, тогда куда проще воспользоваться интегральным АЦП. Вот, к примеру, на выбор:
ADS1281 - INL 0,6 (тип.) - 5 (max)
ADS1256 - INL 3 (тип.) - 10 (max)
ADS1260 - INL 2 (тип.) - 10 (max)
ADS1261 - INL 2 (тип.) - 10 (max)
ADS1262 - INL 3 (тип.) - 12 (max)
ADS1263 - INL 3 (тип.) - 12 (max)
AD7175-2 - INL 1 (тип.) - 3,5 (max)
AD7177-2 - INL 1 (тип.) - 3,5 (max)[/uquote]

Это уже было реализовано на разных АЦП (последний вариант был на AD7175-2), открывал здесь тему когда-то, но проверка (не мною) показала, что не всё так радужно во всём входном диапазоне, поэтому сигма-дельта АЦП отпадают в моём случае (для биологических исследований).

[Mickle]

Так может начать с того, чтобы разобраться, что и почему было "не радужно". Привести схему (хотя бы фрагмент), методику и результаты тестирования.
Перечисленные мной АЦП используют в своих топовых мультиметрах Rigol, Yokogawa, Iwatsu, Siglent, GW Instek, РИП-Импульс. Даже ЦЕРН изготавливает модули АЦП для Большого адронного коллайдера на базе AD7177-2 и гарантирует INL<0.6 ppm в диапазоне от 0 до +10 В:
https://ohwr.org/project/opt-adc-10k-32 ... wikis/home
https://www.researchgate.net/publicatio ... _prospects

[misha8us]

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=3925156#p3925156"]Так может начать с того, чтобы разобраться, что и почему было "не радужно". Привести схему (хотя бы фрагмент), методику и результаты тестирования.[/uquote]

Проверку делали коллеги из Франции и вот что выяснил: поскольку они не электронщики, а биологи, но программист в штате имеется, они заказали от самих производителей (Аналог, Линеар, Тексас, Интерсил) готовые проверочные платы с разными сигма-дельта АЦП, подключили к плате Ардуино, а сами создавали только программы, потом всё это проверяла местная фирма по поверкам измерительных приборов, вот они и забраковали все АЦП. В нашем случае важна не абсолютная точность, а определение очень маленьких изменений, преобразованных в напряжение, причём с гарантией не только самого изменения (что оно не из-за шума), но и направление изменения. В сам принцип сигма-дельта АЦП заложено продуцирование множества шумов, которые пытаются убрать с помощью цифровых фильтров, и хотя среднекв. значение шумов эти фильтры сильно уменьшают, но реальные (пиковые) значения никак не могут быть гарантированно ограничены, производители могут привести только типовые значения, полученные на каком-то отрезке времени. Использовать метод усреднения с помощью накопления результатов нескольких измерений в нашем случае нельзя из-за ещё большей недостоверности определения изменений. В итоге французы купили мультиметры от брендов с обычными интегрирующими АЦП, а у нас таких денег нет, вот я и пытаюсь сварганить самому, тем более, что нам не требуются всякие примочки и возможности дорогих мультиметров (даже выход на компьютер не нужен).

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=3924988#p3924988"]Так что если использовать К71, то стоит заранее предусмотреть хотя бы одноточечную цепь коррекции абсорбции (и то, если постоянная времени интегратора не меняется).[/uquote]

Я сейчас попробывал на коленке померить абсорбцию имеющихся К71-4 (0.47 мкФ) и К71-7 (0.255 мкФ), подключил к конденсатору тестер (4.5 разряда), зарядил от пальчиковой батарейки до 1.5 В, далее вместо батарейки подключил на 2-3 сек резистор 1 Ом, отключил резистор и проверил напряжение. Проводил такое несколько раз, более, чем 0.6 мВ, ни разу не было на индикаторе, что даёт менее 0.05% коэф. абсорбции. В какой пропорции коэф. абсорбции конденсатора влияет на нелинейность интегратора? Не на 100% же?
Хотя нет проблем добавить коррекцию, как в В7-28. Может быть у Вас есть ссылка, как такая коррекция работаёт?

[Mickle]

Хотя нет проблем добавить коррекцию, как в В7-28. Может быть у Вас есть ссылка, как такая коррекция работаёт?

A passive network method of compensating an analog integrator for dielectric absorption errors (1968): https://drive.google.com/file/d/19a6Axo ... sp=sharing
Compensation of Dual Slope ADC Error Caused by Dielectric Absorption: https://drive.google.com/file/d/1CGgMAt ... sp=sharing

[misha8us]

Вторую статью я видел, а за первую большое спасибо. Но может у Вас есть материал именно по коррекции, применённой в В7-28? Может это из какого-то патента или авторского свидетельства?

[Mickle]

Не могу ничего сказать об особенностях В7-28. Он ни чем среди множества других вольтметров не с коррекцией ДА не выделяется.
Американские патенты есть: https://drive.google.com/drive/folders/ ... sp=sharing

[misha8us]

[uquote="Mickle",url="/forum/viewtopic.php?p=3927689#p3927689"]Не могу ничего сказать об особенностях В7-28. Он ни чем среди множества других вольтметров не с коррекцией ДА не выделяется.[/uquote]

Дело не в нём самом, а в применённой простой коррекции. И я нашёл первоисточник этой коррекции, патент US3564396 (что интересно, он действовал на момент выпуска В7-28).

[Mickle]

Есть и проще, если всё к этому сводится. В Datron 1030 линейность интегратора в начале шкалы АЦП вообще одним потенциометром настраивалась.