DIY超级10V标准源---另类7转10放大器

haixian

本文共分为5章

第一章，  前言

第二章，  比例跟踪放大器原理及误差分析

第三章，  比例跟踪放大器电路之设计

第四章，  综合效果测试

第五章，  后记

第一章 前言

10V标准源是本坛朋友的钟爱，在细读了坛中前辈的DIY和相关测试的文章后，悟出了些心得，发表在这里与各位爱好者同勉，一起努力，以期有所提高。

10V标准源相对比较简单，主要由两部分组成，LTZ1000参考源和7转10放大器。连Fluke也是这个模式。LTZ1000大家都是用一个公司的产品，电路差别也不大，虽然Fluke可以挑选优质参考源，但毕竟同源同根，潜力有限。因而7转10放大器的稳定性成为标准源稳定性的决定因素。代表世界最高水平的Fluke固态标准源，将功夫下在了电阻上。相信在包括电阻的材料，制造工艺，老化，后期匹配等方面已经做到了极限，其他人很难超越，更别说我们业余爱好者了。本文将别开思路，介绍一种新型的比例跟踪放大器（Trimming Ratio Amplifier），采用易于获得的塑封金属箔电阻，期望其包括温度和时间稳定性的精度能够达到或超过0.1PPM（仅指7转10放大器）。

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第二章 比例跟踪放大器原理及误差分析

1．比例跟踪放大器工作原理：一个放大器是否稳定，最终是看放大倍数是否稳定，“比例跟踪放大器”就是监视放大器的放大倍数，如发现有变化，则通过调整电阻和其它相应器件使放大倍数（或称比例）保持原定值不变。“比例跟踪”是保证最终的效果，比单纯追求电阻稳定具有更宽泛的范围。例如运放的漂移，焊点的热电偶效应，甚至线路损耗都可以包括在监视补偿范围内（注意补偿线路损耗的电压测试应采用共模测试方法）。对于我们所说的标准源而言，就是在标定标准源时，同时记录输出电压与参考电压的比例，并以此作为标准源使用时的调整依据。调整方法有两种，一种是调整放大器，使其维持标定时的比例，另一种是根据标定时的比例和使用时的比例，重新计算输出电压。详见实现部分。

2. 误差分析： 在上述的标定过程中，假设采用HP3458A作为电压表，测试作为参考源的LTZ1000的电压和输出电压，并计算出其比例。由HP3458A的说明书可知，10V挡转移精度为0.1PPM(其中Reading 0.05PPM，Range0.05PPM)，所谓转移精度就是以1个值比如10V为准，另一个测试值7V相对于10V的误差。其比值10V/(7V(1+0.1PPM)),误差略大于0.1PPM。在使用7转10放大器时，我们不断的监视这一比值，使其保持在标定时的比值。如果我们继续使用HP3458A，考虑最坏的情况，误差也不大于0.2PPM。电压表的转移精度实际上是由电压表的非线性决定的。而非线性一般由表的结构决定，相对稳定。所以我们在标定时和使用时使用同一块电压表，其产生的误差方向相同，所以可以预计，实际的监视和调整精度将会优于0.1PPM，个人认为可以达到0.05PPM以上，当然还需要验证。可以用分压器检测HP3458A的非线性状况做出进一步的判断。

使用34401作为电压表呢？估计在1-2PPM水平吧。有待验证。

第三章比例跟踪放大器电路设计

1. 采用HP3458A作为比例检测装置的信号源

此方法非常简单，有条件的朋友马上就可以验证。假如在标定标准源时，测出输出电压与参考电压比例为K1，使用时，测出比例为K2，则V2=V1/K1*K2。其中V1是标定时的标定电压值，V2是使用时的实际输出电压。公式推导也很简单， V1=Vref*K1，V2=Vref*K2，假定参考源Vref不变， V1/K1=V2/K2， 所以V2=V1/K1*K2。如果考虑长线补偿时，一定要采用共模测试这两个电压，参考源电压采用与标定时相同的测试方法，输出电压在长线的输出尽头测试。

2. 采用HP3458A作为比例检测装置的比例跟踪放大器

上图是该方案的方框图。其中控制器可以采用单片机+GPIB控制器。或者单片机+串口（或USB口）GPIB转换器。预计跟踪能力将超过0.1PPM。若采用20只LTZ1000组成统计参考源，将可以达到0.2-0.3PPM年稳的水平。

3. 采用LTC2240作为比例检测装置的比例跟踪放大器

关键的ADC器件采用朋友们熟悉的LTC2240，希望这是一款适合DIY的方案。DAC采用DAC8551，16bitDAC。在+\-20PPM范围内，只要12bitDAC就可以提供0.01PPM的调节能力，16bitDAC提供了充分的裕量。CPU采用8bit单片机 C8051F320。

误差估计，LTC2440具有7.5次\秒的采样率，使其可在1秒内完成1次检零及输出电压，参考电压的测试。测试分辨率0.6uv左右，相当于10V的0.06PPM。结果经多次叠加，还可以进一步提高分辨率，达到0.01PPM的分辨率。LTC2240的零点温飘很小，约20nv/度，影响不大。手册给出了满量程误差漂移，但是该项指标对本项目无影响，积分非线性误差与温度的关系，这个对本项目影响很大，在LTC2240的本项目工作区间，-25度到125度的误差变化约2PPM，所以如果变化3-5度，其误差变化估计也就0.1-0.2PPM。估计总体误差小于0.5PPM，这个指标对于我们DIY也算说的过去了。由于是闭环控制，所以放大器电阻只要采用普通的塑封金属箔高精度电阻就可以了。整个电路已经完成原理图设计和PCB设计，原理图见附件。正在组装和做软件准备。在完成样品后，再对其进行详细的测试，如果效果不好再想办法改善线性度。

第四章 综合效果测试，尚未完成。第五章 后记。待续…

qqwintian

我咋说呢？其实就是一个ADC，线性度极佳，然后做了反馈环……

qqwintian

7转10，可以用任何反馈方法。现在Fluke的都是PWM产生，线性度也极佳。
我没有经验到底是开环PWM能产生到的线性度更好还是ADC能产生的线性度更好。
3458的ADC，如果仅仅做ADC，可以想办法搞到0.05ppm，这不假，当然也就意味着10V的稳定性可以做到0.07ppm。
PWM的开环型，我不知道理论极限，资料少，如果这个能提高线性度，可以比上述的更稳定更好

xuanmic

整个系统造价太高昂了哦，3458还没有普及呢。

lilith

ADC+DAC 闭环，我几年前就在做了：


ADC 是 LTC2400，没用 2440，是因为这只是一个方案验证板：


不过 DAC 不是调整放大器增益，而是直接输出给定电压，副 DAC 微调。除了电压也能用于电流或电阻

shichen717

很想知道2440如何测量10V电压？

xuanmic

新年快乐！伙伴们！

shichen717

看了电路，原理错误。
如果由于分压电阻变化导致10V变化例如100ppm，2440的基准4.096V也会变化100ppm（假设R11和R9完全理想），Ain当然也变化100ppm（假设R32和R13完全理想），2440的读数不产生变化，如何校正10V变化的100ppm？
如果上述4只电阻并不理想，如何由2440的读数判断到底是这4只电阻的漂移还是7-10的比例电阻漂移？

haixian

单独的10V电压没意义，所关心的是两个电压的比例关系。这里做了一个假设，在测试两个电压时，电压表没有发生变化，即降压电阻和参考源都没有变。整个方案的巧妙处正是用相对精度，提高了绝对精度。使我们摆脱了对高精度电阻的依赖，使爱好者也可以做出媲美甚至超过Fluke的标准源。

fffofo

lilith和我都已经实现了可调的，只是方案是用adc，你用的是3458。其实实现的方法很多，但基本原理都是一样的。

haixian

fffofo 发表于 2015-1-2 10:42
lilith和我都已经实现了可调的，只是方案是用adc，你用的是3458。其实实现的方法很多，但基本原理都是一样 ...

使用ADC+DAC的产品成千上万。用途和效果各不相同，你家代替不了别家。还是好好想想其中的区别吧。

selena2211

如果只是产生10V电压，我建议用PWM，无需考虑电阻温飘，ADC及DAC干扰误差之类的，只要你的7V够稳，输出就足够稳。如果想可调，那方案论坛已经有了，可以参考一下

selena2211

haixian 发表于 2015-1-2 10:28
单独的10V电压没意义，所关心的是两个电压的比例关系。这里做了一个假设，在测试两个电压时，电压表没有发 ...

刚才理解错了，你这个实际上受制于ADC的噪音。但是ADC又是我们的弱点，如何摆脱这个弱点才行！

a-fly

楼主的这个方案在原理上就没有良好的保证。
另外，我们用LTZ1000来DIY10V基准，就是必须要超越3458A的，这个方案好像是依赖3458A的。