Upgrade M1T380, part II - reference

Upgrade metry pokračuje... Po vylepšení vstupního dílu kvalitním auto-zero chopper zesilovačem LTC2057 údaj na multimetru neustále driftoval, dokud se teplota uvnitř přístroje po asi třech hodinách neustálila. Poté začal držet i vstupní offset. Měřením za zesilovačem jsem vyloučil vliv Te napětí (resp. zesílené napětí neodpovídalo tak velké změně co multimetr ukazoval na displeji). K odhalení příčiny driftu je potřeba se nejdříve seznámit s principem A/D převodu u přesnějších multimetrů, resp. s principem vícenásobné integrace. Multimetry běžně používají integrační A/D převodník, který je závislý na přesnosti a stabilitě několika komponent. Standardně se používají převodníky s dvojitou integrací, 380ka používá s trojí integrací pro větší stabilitu a přesnost. Hi-tech multimetry, např. HP 3458 (8,5 místný multimetr používaný v metrologii), používají vícenásobnou integraci s dodatečným SAR převodníkem pro měření integračního rezidua (ale tohle zde nebudu popisovat, možná až při stavbě vlastního multimetru). Pro nastínění problému, resp. stability převodníku, zde popíšu princip dvojité integrace.

Blokové schéma A/D převodníku s dvojitou integrací

Na výše uvedeném obrázku je zjednodušené schéma integračního převodníku s dvojitou integrací. Převod je poměrně primitivní - na vynulovaný vstup se nejdříve přivede měřené napětí (absolutní hodnota integrátoru začíná růst) a spustí se čítač, který čítá až do svého přetečení ($t_1$). V tuto chvíli se přepínač na vstupu přepne a přivede se do integrátoru referenční napětí o opačné polaritě (reference tedy bývá bufferovaná jak pro kladnou tak i zápornou hodnotu). Opět se spustí čítač, který čítá pulzy oscilátoru a absolutní hodnota integrátoru klesá. Ve chvíli kdy dosáhne nulové hodnoty, překlopí se rychlý komparátor a ukončí počítání impulsů ($t_2$).

Časové znázornění průběhu napětí na integrátoru

Velikost naintegrovaného napětí ($V_m$) odpovídá následujícímu vztahu
$$V_m=\frac{V_i}{RC} \cdot t_1=\frac{V_R}{RC}\cdot t_2$$
kde po úpravě se dostane
$$V_i=\frac{t_2}{t_1} \cdot V_R$$.

Z dané rovnice plyne, že vůbec nezáleží na RC parametrech integrátoru, ani na frekvenci čítače. Z pohledu dlouhodobé stability se však kouká na stabilitu těchto komponent (a u integračního kondenzátoru ještě na svodové proudy), aby se časem výrazně nerozjížděla kalibrace.
Velikost referenčního napětí je však potřeba znát, bez toho to prostě nepůjde. Dále je vhodné, aby se referenční napětí neměnilo v následujících cyklech, jinak i celková naměřená hodnota bude lítat.
A to se zde právě děje do doby, dokud se neustabilizuje teplota přístroje na přibližně 38 °C po asi třech hodinách. Což je krutě dlouho, protože dle manuálu by měl být ready to use po jedné hodině.

Rozhodnul jsem se tedy proměřit závislost napětí reference na teplotě, resp. času od zapnutí přístroje (vychladlýho na pokojovou teplotu). Teplota uvnitř je trochu chlupatá a to z toho důvodu, že byla měřena osciloskopem se špatně nastavenou citlivostí. V dalších měřeních je již méně kolísavá.

Drift reference na teplotě

 Dlouhodobý log reference

Při tom brutálním driftu jsem se docela zhrozil. Metra používala u běžných typů teplotně kompenzované napěťové normály TKZD 13 (zenerka + vybrané antisériové diody se záporným teplotním koeficientem tak, aby se dostaly na minimální teplotní drift).

Napěťový normál TKZD 13

Normál se pak napájel ze zdroje konstantního proudu, který byl referencován právě k napětí normálu. Prakticky si tohle zapojení vzájemně honí ocásek ve zpětný vazbě a je přibližně 10x více imunní vůči výkyvům napájecí větve, nežli kdyby byla zenerka napájena jenom přes předřadný odpor.

Zdroj konstantního proudu se zenerkou (normálem)

Dělala se poté ještě stabilnější verze, která obsahovala MAB399, což je ekvivalent LM399 - vyhřívané napěťové aktivní reference. Tato koncepce umožňuje běžně dosáhnout teplotní stability 1 ppm/K a dlouhodobé stálosti 20 ppm/rok.

MAB399 s defaultním tepelným izolátorem

Bohužel Metra tuto referenci napájela pouze přes sériový odpor bez proudového zdroje (spolíhala na vnitřní aktivní zapojení, které tohle do jisté míry kompenzuje). Asi to stačilo, protože i Keithley 2000 to takhle má řešeno. Nicméně, pro svůj upgrade jsem se rozhodl MAB399 napájet z korektního zdroje konstantního proudu (CC).
Jelikož jsem nechtěl hned experimentovat se svou M1T380 #2, přemluvil jsem kolegu, jenž má ve svém kuse #3 MAB399, aby ji zapojil na proudový zdroj. Výsledky jsme nalogovali a porovnali na následujících grafech.

TKZD 13 vs. MAB399 (bez CC)

Z průběhu je patrné, že vyhřívaná reference má daleko menší drift od zapnutí a také její šum během provozu je daleko menší dle histogramu.

TKZD 13 vs. MAB399 (bez CC) v ppm

Detail na ppm stabilitu MAB399 bez CC

Nakonec přišlo porovnání dvou typů napájení (odpor vs CC).

MAB399 s/bez CC v ppm + teplota uvnitř přístroje

Šum reference při napájení z CC zůstal přibližně stejný, ale výrazně se změnil teplotní drift a rychlost ustálení od zapnutí přístroje.

Histogramy šumu MAB399 s/bez CC

Graf offsetu M1T380 #3 s MAB399 napájenou konstantním proudem zde neuvádím. Jeho průběh je ovšem takový, že přibližně po 10 minutách od zapnutí offset již necestuje a drží na svém místě. Je to zároveň i doba, po které se ustálí teplota vyhřívané reference, resp. integrovaný topný element přejde do udržovacího režimu. Od Boba Dobkina (konstruktér LM399 a LTZ1000, mimo jiné) prosákla informace, že když se nadstandardně teplotně izoluje nejenom pouzdro reference, ale i PCB z druhé strany, teplotní drift se může snížit až na 0,1-0,3 ppm/K z toho důvodu, že integrované vyhřívání bude po většinu času vypnuto. Bohužel návrhy lepších multimetrů využívají pouze teplotní izolaci, co chodí defaultně s referencí. Zkusil jsem tedy experimentálně postavit destičku s 3x MAB399, paralelně zapojených přes odpory a CC zdrojem.

3x MAB399 s LTC2057 jako CC

Takto zapojené reference zvýší svou stabilitu $\sqrt{2}$krát a zároveň se jim stejným poměrem sníží i šum (tyto reference mají přibližně 7 uV šum, což odpovídá 1 ppm jejich normálovému napětí). Pro reference jsem ještě vytvořil teplotní izolaci z polystyrenu, resp. pěny používané na výplň krabic pro transport citlivých přístrojů.

Teplotní izolace s výřezem pro reference

Nasazená teplotní izolace na PCB

Takto vytvořená reference byla proměřena a porovnána s originální, teplotně neizolovanou, referencí v multimetru.

Tepelně izolovaná vs. neizolovaná reference

Jak je z průběhů patrné, izolovaná reference (modrý průběh) má několika násobnější rychlost ustálení nežli neizolovaná v metře (zelený průběh). Červená čára znázorňuje teplotu okolí, a červená šrafovaná teplotu destičky s referencí.
Čekal jsem i menší šum, ale to se moc neprojevilo. Dávám to za vinu tomu, že měření destičky probíhalo jen tak na stole, s dlouhými přívodními kabely a napájením z laboratorního spínaného zdroje (rušení, šum...) a také tomu, že měřit šum těchto referencí je již na hranici rozlišení 6,5 místného multimetru - všechna měření a logy byly provedeny na Keysight 34461A. Sice tento multimetr umí po USB posílat i desetinné místo navíc, ale klimatické podmínky jsou příliš proměnné na to, aby se mohlo brát v potaz.
Příště bude pokračování o finálním upgrade vstupního dílu a reference.
Podklady pro konstrukci reference v AD ZDE.

Pokračování ZDE.