Создаем опорное напряжение на REF102C и OPA551

Опорное напряжение представляет собой полупроводник, похожий на стабилитрон, который создает точное фиксированное напряжение; часто, пять или 10 вольт. Они подгоняются лазером, а опорное напряжение 10 вольт доступно с точностью до ±0,0025 вольт. Моим любимым эталонным напряжением является 10-вольтовая серия REF102 производства Texas Instruments (TI), доступная с точностью ±0,01 В (REF102A за 6 долларов), ±005 В (REF102B за 9 долларов) или ±0,0025 В (REF102C за 12 долларов). . Здесь нельзя экономить, поэтому для этого проекта я выбрал REF102C. Недостатком источника опорного напряжения является то, что он генерирует только одно напряжение и имеет ограниченный выходной ток. Я решил разработать схему, которая могла бы генерировать любое напряжение от нуля до 10 вольт с шагом 0,1 вольт; например, 4,8 вольта с базовой точностью 10 милливольт и выходным током 100 миллиампер (или один ампер с усилителем мощности; см. техническое описание TI OPA551). Для достижения такой точности требуется анализ и устранение всех возможных источников ошибок напряжения. Это будет обсуждаться в следующих разделах.

БЛОК-СХЕМА

На рис. 1 представлена​​блок-схема моего источника опорного переменного напряжения (VVR).

РИСУНОК 1. Эталонная блок-схема переменного напряжения.

Слева начинается 10-вольтовый REF102C с погрешностью ±2,5 мВ. Это находится в пределах проектной цели 10 мВ. Лестничная цепь из 10 резисторов (делитель напряжения) разбивает 10 вольт на 10 целых вольт, как показано. Эта сеть является первым (и самым большим, около 10 мВ) источником ошибки напряжения, поскольку резисторы составляют всего 0,1%. Я обращусь к этому позже. Далее на блок-схеме расположены два поворотных переключателя на передней панели: один для вольт, а другой для десятых долей вольта. Может показаться странным, что оба переключателя подключены одинаково, поскольку переключатель десятых работает с шагом в десять вольт, но я также кратко объясню, как это работает. Очень важно, чтобы сеть резисторов не была загружена ее последующими цепями, поэтому у меня есть двойной операционный усилитель с низким входным смещением (LT1013), подключенный как буфер с единичным коэффициентом усиления и очень высоким импедансом. Он имеет входное смещение около одного милливольта, которое вносит свой вклад в ошибку.

Теперь самое интересное. OPA551 — очень хороший операционный усилитель с выходным током 200 мА и типичным входным смещением в один милливольт. Он также хорошо работает в качестве суммирующего усилителя. Коэффициент усиления усилителя представляет собой отношение резистора обратной связи (R13) к входному резистору (R11 для вольтовой цепи и R12 для десятой части). Таким образом, коэффициент усиления для вольтового пути R13/R11 равен единице, а коэффициент усиления для десятого пути R13/R12 равен 1/10. Суммирующий усилитель просто суммирует два входа в этом соотношении. Например, если переключатель вольт установлен на четыре вольта, а переключатель десятых – на восемь десятых, на выходе будет 4/1 плюс 8/10 или 4,8 вольта. Обратите внимание, что на выходе OPA551 отрицательное напряжение. Путь от REF102 до конечного выхода инвертирующий, поэтому плюс 10 вольт на выходе отображается как минус 10 вольт. Я мог бы использовать REF102 в качестве отрицательного эталона (см. техническое описание REF102, чтобы узнать, как это сделать), но я обнаружил, что он работает лучше (меньше отклонение от 10 000 вольт) в качестве положительного эталона. Еще одним источником ошибок является то, как собрана схема. Я использовал макетную плату без пайки для начального тестирования, и результаты были плохими. Проволочные выводы на резисторах тоньше, чем обычно используемые провода (22 AWG), и они не обеспечивают надежного контакта, поэтому я мог бы увидеть изменения в выходном сигнале, просто коснувшись одного из резисторов лестничной схемы или постукивая по макетной плате. Итак, я выбрал паяемую макетную плату SB404, и это полностью решило проблему. Эта макетная плата очень удобна, и можно утолщать выводы резистора, нанеся тонкий слой припоя. Я выбрал для всего резисторы 0,1%, но даже такая точность может дать погрешность в 10 милливольт — весь мой бюджет погрешности. Значение резистора лестницы не является критичным, но все резисторы в лестнице должны иметь одинаковое (или близкое) значение. Это также относится к R11 и R13. Оба они должны иметь одинаковое значение, но не обязательно такое же значение, как резисторы лестничной схемы. Всего мне понадобилось 10 резисторов по 1000 Ом для лестницы и два резистора по 1000 Ом для R11 и R13. Я купил 25 резисторов по 1000 Ом по 52 цента каждый у Digi-Key, намереваясь выбрать 10 резисторов, имеющих близкое значение для лестницы. Вам также понадобятся два согласованных резистора для R11 и R13. Теперь возникает проблема: как измерить каждый из 25 резисторов с точностью более 0,1%. Обычный 3-1/2-разрядный портативный счетчик этого не сделает; все резисторы будут читаться как 1000 Ом! Если мы используем этот метод прямого измерения, требуется 4-1/2-разрядный счетчик или еще лучше 5-1/2-разрядный счетчик. Я использовал альтернативный метод измерения сопротивления, называемый методом моста Уитстона, с тремя резисторами на 1000 Ом 0,1% из партии из 25 и источником питания +15 вольт. Напряжение, измеряемое мостом, довольно мало (низкие милливольты), но два 3-1/2-разрядных измерителя, которыми я владею, показывают напряжение всего 0,1 милливольта. Мост Уитстона представляет собой простую схему для измерения неизвестного сопротивления путем соединения его так, чтобы образовался четырехугольник с тремя известными сопротивлениями и приложения напряжения между парой противоположных углов. Я не уверен в их точности, но нам не нужна абсолютная точность, только относительная точность; то есть, если один резистор дает показания 0,6 милливольта, а другой резистор дает показания 1,0 милливольта, мы можем ожидать, что все резисторы, которые дают показания, скажем, от нуля до 1,0 милливольта, будут очень близки по значению.

Посмотрите на рисунок 2 . Это список измерений 22 резисторов. Первый столбец — идентификационный номер резистора, второй столбец — измерение моста Уитстона, а третий столбец — фактическое сопротивление, измеренное точным 5-1/2 цифровым цифровым вольтметром. Список отсортирован снизу вверх по значениям моста Уитстона.

РИСУНОК 2. Выбор резистора лестничной схемы.

Наибольшее значение в третьем столбце — 100031 (резистор 20), а самое низкое — 99933 (резистор 19); разница 0,98 Ом — почти ровно 0,1%, как и ожидалось. Если мы посмотрим на резисторы, имеющие напряжение Уитстона от 0 до 0,8, мы получим максимальное значение 99957 (резистор 14) и низкое значение 99933 (резистор 19) — разница 0,24 Ом или около 0,02%. В пять раз лучше, чем 0,1%, и вклад в бюджет ошибки около двух милливольт! Поскольку измеренные напряжения Уитстона находятся в диапазоне низких милливольт, лучше всего, если резисторы в мосте Уитстона припаяны вместе на концах выводов резистора. Это уменьшит нежелательные падения напряжения. Знаки X в четвертом столбце являются лучшими кандидатами на резисторную лестницу, а знаки Z идеально подходят для резисторов R11 и R13.

На рис. 2 я также показываю результаты Уитстона и 5-1/2-разрядного DVM. Ясно, что если у вас есть 5-1/2-разрядный измеритель, вам не придется проводить измерения Уитстона. Я просто пытаюсь показать, как они соотносятся.

На рисунках 3 и 4 представлены подробные схемы основных цепей ВВР. Они просто добавляют детали к блок-схеме.

РИСУНОК 3. Опорное напряжение и переключатели.

РИСУНОК 4. Буфер опорного напряжения и выходные усилители.

VVR работает от ±15 вольт при силе тока около 100 миллиампер. Он может поставляться несколькими способами; например, преобразователи переменного тока в постоянный, использующие обычную домашнюю электроэнергию для переменного тока. Они недороги и доступны с двумя выходами ± 15 вольт. Я немного нервничаю из-за того, что 120 вольт переменного тока плавают в металлическом ящике, с которым я соприкасаюсь, поэтому я посмотрел на альтернативы и нашел отличный: Traco Power TEL 3-0523 (Digi-Key, 16 долларов). Это преобразователь постоянного тока в постоянный с входом 4,5 В в 9 В и двумя выходами +15 В и -15 В по 100 мА каждый. Вход и выход изолированы друг от друга и могут питаться от зарядного устройства для сотового телефона. К сожалению, в этих зарядных устройствах обычно используется кабель USB-micro-USB. Я не смог найти подходящее гнездо micro-USB для крепления на панели, поэтому я просто заменил кабель с USB на цилиндрический кабель типа M. Или вы можете просто отрезать разъем micro-USB и провести открытый конец через втулку и жестко подключить его к блоку питания. Мне пришлось сократить выходной ток VVR до 80 мА, потому что OPA551 потребляет 20 мА внутри.

На рис. 5 представлена ​​схема сборки основных компонентов ВВР. Как я упоминал ранее, я предпочитаю паяную сборку для лучшей точности и стабильности. Я использовал плату SB404 для этого проекта, но если вы предпочитаете сборку без пайки, то сборочный чертеж, показанный на рис. 5 , можно сжать на две колонки для стандартной 30-колоночной макетной платы без пайки.

РИСУНОК 5. Чертеж опорного напряжения в сборе.

Рассеиваемая мощность OPA551 в VVR в наихудшем случае составляет около одного ватта, что требует наличия радиатора. Я использовал термоклей, чтобы приклеить радиатор к OPA551.

На рис. 6 показан фактический выходной сигнал VVR при различных настройках переключателя вольт и десятых долей. Производительность VVR намного превосходит мои ожидания! Я думаю, что точность лестничной сети является основным фактором дополнительных затрат менее 7 долларов.

РИСУНОК 6. Тест производительности VVR.

Кроме того, выходное напряжение при 0,0 вольт/0,0 десятых составляет всего 0,2 милливольта. Это означает, что сумма входных смещений LT1013 и OPA551 близка к нулю. Ожидается, что VVR будет использоваться в мастерской для любителей. Тем не менее, по-прежнему важно оценить, какие изменения производительности следует ожидать при изменении температуры окружающей среды. Спецификации для критических компонентов: REF102C; резисторы в лесенке и R11, R12, R13; входное напряжение смещения LT1013; и входное напряжение смещения OPA551. Изменения параметров в зависимости от температуры обычно выражаются в частях на миллион (частей на миллион) на один градус Цельсия при изменении температуры. REF102C имеет изменение выходного напряжения 2,5 ppm на градус изменения температуры. Нам нужно определить, сколько милливольт это представляет. REF102C имеет номинальный выход 10 вольт. Мы делим это на один миллион и получаем 0,00001 вольта или 0,01 милливольта. Поскольку REF102C имеет ppm 2,5, мы умножаем 0,01 на 2,5 и получаем 0,025 мВ на один градус изменения температуры. Резисторы имеют изменение сопротивления 25 ppm на градус изменения температуры. Здесь мы берем 1000 Ом и делим его на 1 000 000, а затем умножаем на 25 и получаем 0,025 Ом на градус изменения для каждого резистора. Каждый резистор воспринимает только один вольт, поэтому изменение составляет 0,025, деленное на 1000 + 0,025, что составляет 0,000025 или 0,025 милливольта на один градус изменения температуры. Поскольку в лестнице 10 резисторов, мы получаем 10 раз по 0,025 или 0,25 милливольта на один градус изменения температуры. Кажется, что это много, но помните, что все резисторы подвергаются воздействию одинаковой температуры и в большинстве случаев претерпевают одинаковые изменения. Соотношение резисторов друг к другу не сильно меняется, и это действительно важно. Входное смещение LT1013 составляет максимум один милливольт во всем диапазоне температур (от -55°C до +125°C). Он имеет типичное смещение 0,2 мВ при комнатной температуре. OPA551 имеет типичное входное смещение в один милливольт при комнатной температуре и максимум пять милливольт во всем диапазоне температур (от -55°C до +125°C). Какая максимальная ошибка? Это сложно определить, но я думаю, что, основываясь на результатах моего тестового блока, показанных на рисунке 6 (я не проводил экранирование компонентов, кроме резисторов), ваша ошибка должна быть меньше трех милливольт; вероятно менее чем на два милливольта на ±20 градусов от нормальной комнатной температуры. Очевидным первым применением опорного напряжения является калибровка цифровых и аналоговых вольтметров. Установите источник переменного напряжения на значение в пределах диапазона, выбранного на цифровом мультиметре/вольтметре, и соответствующим образом отрегулируйте показание напряжения.

СПИСОК ДЕТАЛЕЙ