Fórum ElektroLab.eu

Konštrukcia variabilnej napäťovej referencie

Konštrukcia variabilnej napäťovej referencie
Elektrolab Pridal  Elektrolab
  245 zobrazení
4
 0
Zaujímavé zapojenia

Pod pojmom napäťová referencia je možné si predstaviť polovodič podobný zenerovej dióde, ktorý vytvára presné napätie, často 5 alebo 10 voltov. Presné polovodičové referencie sa vyrábajú v podobe integrovaných obvodov s integrovanými podpornými komponentami. Samotný základ tejto referencie sa vyrába vysoko presným orezávaním laserom čím sa dá docieliť výrobná presnost pri 10tich voltoch s presnosťou až do ± 0.0025 voltu. Medzi často používané referencie (pokiaľ to s presnosťou myslíte vážne) s napätím do 10 voltov sa dosť často používa séria od Texas Instruments (TI) REF102, ktorá je k dispozícii s presnosťou ± 0.01 voltu, REF102B s presnosťou ± 0.005 voltu, alebo REF102C s presnosťou ± 0.0025 voltu. V prípade, že si chcete postaviť takúto kalibračnú referenciu, tak jej výber nie je miesto, kde by sa malo a dalo šetriť, a tak je v tento projektá použitá práve referencia REF102C s presnosťou ± 0.0025 voltu.

Značnou nevýhodou referencie napätia je, že generuje iba jedno napätie a má obmedzený prúdový výstup. Skúsme si preto navrhnúť obvod, ktorý dokáže generovať akékoľvek napätie medzi 0 voltov a 10 voltov v krokoch po 0.1 voltu. Napríklad 4.8 voltov so základnou presnosťou 10 milivoltov a výstupným prúdom 100 miliampérov (alebo jeden ampér so zosilnením výkonu; pozri údajový list TI OPA551).

Na dosiahnutie tejto presnosti je potrebná analýza a kompenzácia všetkých možných zdrojov chýb napätia. Toto si postupne preberieme v nasledujúcich častiach.

Bloková schéma


Bloková schéma variabilnej referencie napätia.

V ľavej časti schémy je na začiatku zakreslená 10 voltová referencia REF102C, ktorá má chybu ± 2,5 milivolta. To je v rámci 10 milivoltového cieľu návrhu. Odporová sieť s 10 rezistormi (delič napätia), ktorý delí 10 celých voltov na 10 voltov po jednom volte tak, ako je to znázornené. Táto sieť je prvým (a najväčším pri asi 10 milivoltoch) zdrojom chyby napätia, pretože rezistory sú iba 0.1%.

Ďalej v blokovej schéme sú dva otočné spínače na prednom paneli: jeden je pre voľbu v jednotkách voltov a druhý pre desatiny voltov. Takéto riešenie sa môže zdať niekomu čudné, pretože obidva prepínače sú v podstate zapojené rovnako, pretože prepínač desatín voltov prepína v krokoch desatiny voltu, ale nižšie si vysvetlíme, ako to funguje.

Je veľmi dôležité, aby sa rezistorová sieť nebola zaťažovaná ďalšími obvodmi, takže je dvojitý operačný zosilňovač s nízkym vstupným offsetom LT1013 zapojený zo ziskom 1 - vyrovnávacia pamäť veľmi vysokej impedancie. LT1013 má približne jeden milivoltový posun vstupu, čo prispieva k chybe.

Teraz prichádza tá zábavnejšia časť. OPA551 je veľmi zaujímavý operačný zosilňovač s výstupom 200 miliampérov a s typickým vstupným posunom jedného milivoltu. Funguje tiež dobre ako sčítací zosilňovač.

Zisk zosilňovača je pomer spätnoväzbového odporu (R13) vydelený vstupným odporom (R11 pre cestu jednotiek voltov a R12 pre cestu desatín voltov). Preto je zisk pre cestu jednotiek voltov R13 / R11 jeden a zisk pre desatiny voltov cesty R13 / R12 je 1/10. Sčítací zosilňovač jednoducho sčíta dva vstupy v tomto pomere.

Napríklad, ak je prepínač voltov nastavený na štyri volty a desatinový prepínač nastavený na osem desatín, bude výstup 4/1 plus 8/10 alebo 4.8 volta.

Všimnite si, že výstup OPA551 vytvára záporné napätie. Cesta od REF102 k finálnemu výstupu sa invertuje, takže plus 10 voltov sa na výstupe zobrazí ako mínus 10 voltov. Dala by sa použiť REF102 ako negatívna referencia (pozrite si technický list REF102, ako to urobiť), ale zistil som, že fungoval lepšie (menšia odchýlka od 10 000 voltov) ako pozitívna referencia.

Ďalším zdrojom chýb je spôsob zostavenia obvodov. Na úvodné testovanie bolo použité nepájivé kontaktné pole typu plug-in no výsledky boli veľmi zlé. Drôtené vodiče na rezistoroch sú tenšie ako bežne používané prepojovacie vodiče a nedávajú spoľahlivé spojenie s poľom, takže bolo vidieť značné rozdiely na výstupe a to iba pri dotyku na jeden z odporových deličov alebo pri poklopaní na nepájivú dosku.

Ďalšou - logickou voľbou bolo preto použiť univerzálnu spájkovateľnú dosku SB404 a tým sa problémy úplne vyriešili. Táto nepájivá doska je veľmi pohodlným riešením pre práve takéto skúšobné zapojenia - prototipovanie a pri precíznom osadení ju ponechať aj ako finálnu verziu. Špecifikáciu tejto univerzálnej dosky plošných spojov nájdete nájdete na tomto odkaze - klikni

Detail použitej univerzálnej DPS s označením " SB 404"

Zníženie chyby odporového deliča

Všetky rezistory v zapojení boli vyberané s toleranciou 0.1%, ale aj táto relatívna presnosť môže spôsobiť chybu na napätí až 10 milivoltov. Hodnota odporov deliča nie je kritická vec, ale všetky rezistory v deliči by mali mať rovnakú (alebo blízku) hodnotu. To platí aj pre R11 a R13. Mali by mať rovnakú hodnotu, ale nie nevyhnutne rovnakú hodnotu ako rezistory deliča.

V zapojení je použitých celkom 10 rezistorov o odpore 1 000 ohmov pre delič a dva rezistory 1 000 ohmov pre R11 a R13. Ozaj nepodceňujte ich presnosť, nakoľko práve na nich záleží celková presnosť výstupu.
Teraz prichádza výzva: ako zmerať každý z 25 rezistorov na presnosť lepšiu ako 0,1%? Typický obyčajný multimeter s 3½ miestami to jednoducho nezvládne; všetky odpory by totižto odmeral zo zhodným výsledkom 1 000 ohmov! Ak sa však rozhodnete použiť túto metódu priameho merania digitálnym multimetrom, je potrebný minimálne 4½ miestny multimeter, alebo ešte lepšie 5½ miestny multimeter.

Ak nemáte z vyššie spomenutých multimetrov tak nevešajte hlavu, pretože ešte vždy je tu riešenie a to použiť metódu v podobe alternatívneho ​​merania odporu nazvanú "Wheatstone Bridge", s tromi 1 000 ohmovými 0,1% rezistormi z dávky 25 rezistorov a zdrojom napájania +15 voltov. Napätie namerané mostíkom je dosť malé (rádovo milivolty), ale dva 3½ miestne digitálne multimetre, ktoré má snaď každý, pri ktorých je avšak podmienka, že dokážu spoľahlivo a presne zmerať napätie v rozlíšení 0,1 milivoltu.

"Wheatstone Bridge", alebo Wheatstoneov mostík je jednoduchý obvod na meranie neznámeho odporu jeho pripojením tak, aby sa vytvoril štvoruholník s tromi známymi odpormi a privedením známeho napätia medzi dvojicu protiľahlých rohov.

Pri kúpe rezistorov si nemôžeme byť nikdy istý ich presnosťou, avšak nepotrebujeme, aby bola absolútna, ale iba relatívna čo znamená, že ak jeden rezistor poskytne nameranú hodnotu 0.6 milivoltu a druhý rezistor nameranú hodnotu 1.0 milivoltu, môžeme očakávať, že všetky rezistory u ktorých nameriame hodnotu povedzme od nuly do 1.0 milivoltu, budú mať veľmi blízku hodnotu.

Pozrite sa na tabuľku nižšie. Je to zoznam meraní na 22 rezistoroch. Prvý stĺpec je identifikačné číslo odporu v zapojení, druhý stĺpec predstavuje nameranú hodnotu prostredníctvom Wheatstoneovho mostíka a tretí stĺpec predstavuje skutočný odpor meraný presným 5½ miestnym digitálnym multimetrom. Zoznam je zoradený od najnižšej po najvyššiu podľa hodnôt z meraní Wheatstoneovho mostíka.

Tabuľka zodnôt meraní 23 r / 4s

ID Rezistora Wheatstoneovo napätie DVM Použitie
20 - 2.70 100031  
21 - 2.30 100020  
9 - 2.10 100014  
13 - 2.10 100016  
7 - 1.50 99998  
16 - 1.50 99997  
15 - 1.00 99987  
1 - 0.40 99971 Z
12 - 0.40 99970 Z
17 - 0.10 99961  
18 - 0.10 99963  
14 0.00 99957 X
22 0.20 99949 X
10 0.30 99948 X
5 0.40 99946 X
8 0.40 99944 X
2 0.50 99941 X
6 0.50 99942 X
3 0.80 99934 X
11 0.80 99934 X
19 0.80 99933 X
4 1.30 99996  

 

Princíp použitia Wheatstonovho modtíka.

Najvyššia nameraná hodnota v treťom stĺpci je 100031 (rezistor 20) a najnižšia hodnota je 99933 (rezistor 19). Ich rozdiel je 0.98 ohmov - teda takmer presne 0.1%, čo je podľa očakávania veľmi dobré.

Ak sa pozrieme na rezistory, ktoré majú Wheatstoneovo napätie v rozmedzí 0 až 0.8V, dostaneme maximálnu hodnotu 99957 (rezistor 14) a minimálnu hodnotu 99933 (rezistor 19), čo je rozdiel 0.24 ohmov alebo približne 0,02%. Toto je avšak päťkrát viac ako požadovaná presnosť 0.1%, čo znamená ďalší prírastok do počtu chýb vyjadrený asi dvoma milivoltami - a toto nie je určite dobré!

Pretože namerané hodnoty Wheatstoneovho napätia sú v rozsahu milivoltov, je bezpodmienečne nutné , ak sú rezistory vo Wheatstoneovom mostíku na koncoch rezistorových vývodov prispájkované dohromady. Tým sa znížia nežiaduce poklesy napätia a aj parazitné odpory, ktoré dokážu značne skresliť výsledky meraní.

Vo štvrtom stĺpci  s označením "X" sú najlepší kandidáti pre použitie v odporovom deliči a s označením "Z" sú ideálne rezistory pre R11 a R13.

Na obrázku vyššie je tiež znázornené meracie zapojenie Wheatstoneovho mostíka a 5½ digitálneho multimetra. Je zrejmé, že ak máte na stole 5½ - miestny multimeter, tak určite nebudete musieť robiť merania takýmto komplikovaným spôsobom. Je však dobré ukázať aj použitie tejto meracej metódy.

Podrobná schéma zapojenia

Obrázky nižšie predstavujú podrobné schémy hlavných obvodov variabilnej napäťovej referencie. Iba doplnia blokovú schému, ktorá je vyššie o podrobnosti.


Napäťová referencia a prepínače.

Referenčná vyrovnávacia pamäť napätia a výstupné zosilňovače.

Napájací zdroj

Variabilná napäťová referencia pracuje od ± 15 voltov pri odbere asi 100 miliampéroch. Toto zariadenie preto môžete napájať viacerými spôsobmi; napríklad použijete sieťový adaptér zo "šuplíkových zásob" a obvodovo upravíte tento jednoduchý výstup napätia na symetrický výstup ± 15, alebo pre občasné použitie využijete svoj laboratórny zdroj. Ďalšou možnosťou je použitie malého symetrického transformátora s patričnými obvodmi. Zaujímavým riešením je aj použitie kompaktného napájacieho modulu Traco Power TEL 3-0523. Jedná sa o prevodník DC / DC so vstupom 4.5 V až 9 V a duálnymi výstupmi + 15 V a -15 V pri 100 miliampéroch. Vstup a výstup sú navzájom izolované a je možné ho napájať nabíjačkou mobilného telefónu, čo je myslím si najideálnejšie a aj najbezpečnejšie riešenie.

Musím však podotknúť, že tieto nabíjačky bohužiaľ zvyčajne používajú kábel s ukončením USB , alebo micro-USB. No nenašiel som vhodný konektor micro-USB namontovateľný na panel, a tak som USB konektor jednoducho odstrihol a na jeho miesto prišiel klasický napájací konektor 5.5x2.1. Poprípade ešte môžete jednoducho odrezať konektor micro-USB a voľný koniec prevliecť cez vhodnú priechodku a pevne ho pripojiť k doske zdroja napájania.

Tak isto bolo potrebné znížiť výstupný prúd variabilnej napäťovej referencie na 80 miliampérov, pretože OPA551 vnútorne používa iba 20 miliampérov.

Konštrukcia

Obrázok nižšie je v podstate montážna schéma hlavných komponentov variabilnej napäťovej referencie. Ako už bolo spomenuté, bola daná prednosť prednosť spájkovanej zostave pre najlepšiu presnosť a stabilitu. Pre tento projekt som použil dosku SB404.


Výkres zostavenia a osadenia jednotlivámi komponentami.

Presnosť nastavenia výstupného napätia

Obrázky nižšie zobrazuje skutočný výstup Variabilnej napäťovej referencie pri rôznych nastaveniach prepínačov pre jednotky voltov a desatiny voltov. Ako je zjavne vidieť tak presnosť výstupného napätia Variabilnej napäťovej referencie vysoko prekračuje očakávania! Myslím si, že presnosť odporového deliča je hlavným prispievateľom za dodatočné náklady investované do presných rezistorov.

10.00V / 0.0 mV, chyba merania : 0.4 mV

8.000 V / 80 mV, chyba merania : 1.0 mV

6.000 V / 60 mV, chyba merania : 0.5 mV

4.000 V / 40 mV, chyba merania : 0.0 mV

2.000 V / 20 mV, chyba merania : 0.7 mV

1.000 V / 10 mV, chyba merania : 0.2 mV

0.000 V / 0.0 mV, chyba merania : 0.2 mV

Okrem toho je nastavené výstupné napätie s hodnotou 0.0 voltu a 0.0 desatiny iba 0.2 milivoltu. Čo znamená, že súčet vstupných offsetov LT1013 a OPA551 sa blíži k nule.

Očakáva sa, že Variabilná napäťová referencia sa bude používať v prostredí dielne pre hobby. Stále je však dôležité upozorniť aj na to, aké zmeny presnosti výstupu môžete očakávať pri zmenách teploty prostredia.

Údajové listy obsahujú všetky dôležité údaje pre kritické komponenty sú REF102C, odpory v odporovom deliči a R11, R12, R13, LT1013 a OPA551. Zmeny parametrov v dôsledku teploty sa zvyčajne vyjadrujú v dieloch na milión (ppm) na jeden stupeň zmeny teploty.

REF102C má zmenu výstupného napätia o 2.5 ppm na stupeň zmeny teploty. Musíme preto určiť, koľko milivoltov táto hodnota predstavuje predstavuje. REF102C má nominálny výkon 10 voltov. Vydelíme to jedným miliónom a získame údaj 0.00001 voltu alebo 0.01 milivoltu. Pretože REF102C má ppm 2.5, vynásobíme 0.01 číslom 2.5 a dostaneme 0.025 milivoltu na jeden stupeň zmeny teploty.

Rezistory majú zmenu odporu 25 ppm na stupeň zmeny teploty. Tu vezmeme 1 000 ohmov a vydelíme ich 1 000 000 a potom vynásobíme 25 a získame 0.025 ohmov na zmenu stupňa pre každý rezistor. Každým rezistorom prechádza napätie iba 1 volt, takže zmena je 0.025 vydelená 1000 + 0.025, čo je 0.000025 alebo 0.025 milivoltu na jeden stupeň zmeny teploty.

Pretože v odporovom deliči je 10 rezistorov, dostaneme 10-krát 0.025 alebo 0.25 milivoltu na jeden stupeň zmeny teploty. Zdá sa to veľa, ale nezabudnite, že všetky rezistory sú vystavené rovnakej teplote a väčšinou dôjde aj k rovnakej zmene. Pomer rezistorov navzájom sa veľmi nemení, a to je skutočne dôležité.

Vstupný ofset LT1013 je maximálne jeden milivolt v celom rozsahu teplôt (-55 °C až + 125 °C) a má typický offset 0.2 milivoltu pri izbovej teplote.

OPA551 má typický vstupný ofset jeden milivolt pri izbovej teplote a maximálne päť milivoltov v celom rozsahu teplôt (-55 °C až + 125 °C).

Aká je maximálna teda chyba? Je ťažké to určiť, ale myslím si, že na základe výsledkov testovania jednotlivých napätí uvedených na obrázkoch vyššie, by vaša chyba mala byť menej ako tri milivolty a / alebo pravdepodobne menej ako dva milivolty nad ± 20 stupňov od normálnej izbovej teploty.

Uvedenie do prevádzky

Zjavným prvým použitím referencie napätia je kalibrácia vašich digitálnych a analógových voltmetrov. Nastavte preto zdroj referenčného variabilného napätia na hodnotu v rozsahu vybranom na digitálnom / analogovom multimetri a podľa toho upravte v rámci možností hodnotu zobrazovaného napätia.

Pokročilejšou aplikáciou je mapovanie presnosti a linearity analógovo-digitálneho prevodníka na mikrokontroléroch. Napríklad vás niekedy zaujíma, či je A / D prevodník na Raspberry Pi presnejší alebo lineárnejší (alebo obidva prípady) v porovnaní s A / D prevodníkom na Arduine? Tu je vaša šanca to zistiť.

 

Zdroj : nutsvolts.com



Páčil sa Vám článok? Pridajte k nemu hodnotenie
 

     

Komentáre k článku

Zatiaľ nebol pridaný žiadny komentár. Pridáte prvý? Za obsah komentárov je zodpovedný užívateľ, nie prevádzkovateľ týchto stránok.
Pre komentovanie sa musíte prihlásiť.

Vyhľadajte niečo na našom blogu

Webwiki ButtonSeo servis