T型网络I-V转换器静电计（更新完毕）

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在正式开始之前，交代几句要点，大家根据这些要点决定是否继续浏览全部内容。
1.     帖子较长，需要有耐心浏览。我先发一个空贴，再占用几个保留楼层，然后逐渐补充内容。没有发完之前，请不要插楼。
2.     这个电路需要外接万用表读数，它只是一个转换器，不是完整仪器。
3.  测量1G欧姆电阻或者1nA电流，精度优于0.1%。

现在正式开始，大体的内容包括三个部分：A 电路原理说明和理论计算；B 实物制作；C测试。
我之前做了一个测量高阻的电路，取得了初步成功，请参考帖子：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=18325
这个电路有几个不太令人满意的地方：A 无法直接测量微弱电流；B 读取的数值需要繁琐的计算公式转换成最后结果；C 不利于误差消除。后来，lymex先生给出了一个T型网络的参考图，我根据这个图做了研究，最后做成实物。下图是这个电路的思路。左面，有一个基准电路，中间是被测的电阻（或者同时去掉基准和电阻，灌入被测电流），右面是T型I-V转换器。电路的推导，请看图片，公式9是最后的结论公式。













输出的电压由4个部分组成：A 主项；B运放失调电压施加在被测电阻上转化为电流的误差；C 运放失调电压引起的线性误差；D 运放的偏置电流引起的线性误差。
为了降低失调电压引起的误差，需要用电位器调节运放的失调，这就是上图中运放引脚1和5之间电位器的作用。为了降低运放偏置电流的影响，必须选择静电计运放，我选择的是OPA128LM或者AD549LH，虽然现在有很多偏置电流更小的运放，但是它们有一些不足。比如，工作电压只能到5V，那就得有+-2.5V的供电，这样电源部分复杂化了。有些是SOP封装，无法使用F4绝缘柱进行高阻隔离或者无法嵌入保护环印制线。再有就是没有直接调节失调电压的引脚。好了，根据我实物的器件，做一个精度估计。取R1 = 25M，R2 = 1K， R3= 15K，OPA128LM，失调电压Vos调节到25uV以下，偏置电流In≤0.1pA。计算β = 400.015×pow（10, 6），取Vref = 2.4999V，则Vref ×β = pow（10, 9），t = 16。pow（10,9）意思是10的9次方。






根据以上计算可以看出，无论什么情况下，误差项B都可以忽略，因为微小电流或者高阻不可能或者无须测量到那么高的精度。误差项D引起的误差在1T欧姆或者1pA时有一些显著误差，但是业余条件下，在这个档位的误差是完全可以接收的，故而D的误差也可以忽略。但是C引起的误差在1T的时候高达40%，无法忽略。为了消除C的误差，有两个方法。第一，调节电位器使得运放失调电压小于5uV。但是这个方法很难奏效，因为运放和这个电路本身的噪音非常大，根本无法辨认能否调节到5uV以下。第二，采用两次测量消除误差的做法，请看图片。







通过先后两次测量（一次使用0V，一次使用2.4999V），做减法消除误差。并且计算简单。两次读取数值相减取倒数，就是被测电阻，单位G欧姆。

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实物制作。
理论部分说完了，现在看看制作过程的要点。
1.     为了便于后续计算，把所有器件参数误差折算到Vref。这里面有三个电阻，因为不可能是精确的1K，15K，25M，所以误差折算到Vref，使得Vref与β的乘积刚好是1G伏特欧姆。取1G伏特欧姆的目的是为了测量1G欧姆电阻时，输出是1伏特，很容易换算，当然取其他数值也可。


2.     Vref需要能精细调节，所以需要调节电路的支持。使用的基准是AD780，因为这个器件性能不错，耗电低，特别是低压差，便于用电池供电。


3.     需要2个特氟龙节点，以免漏电，如第一个图所示。凡是高阻连接处或者漏电流会引起误差的地方都需要特氟龙接线柱。OPA128的反向输入需要保护，同相输入因为是接地的低阻连接，所以不需要保护。我反复思量，觉得R1、R2和R3的连接处也需要一个。


4.     至少一个对外接线柱需要隔离。这个板子需要引出三个端子，GND，Vref和运放的反相端。特别是运放的反相端，它连到外壳上，必须也得用特氟龙柱。开始的时候，我买了一个特氟龙旋塔，买回来后发现太细小，怕机械强度不够，最后用了BNC。不是所有的BNC里面都是特氟龙的绝缘材料，为了保险，在e络盟上买了POMONA的货。


5.     对外接线柱用了BNC之后，发现一个问题，怎么连接测试夹子。首先不能使用常规屏蔽线，因为板子装在铝合金壳子里，壳子接地，那么BNC的外壳也是地，如果使用常规屏蔽线，则线材之间就会漏电。虽然号称是特氟龙线材也不行，因为管壁太薄，并且那些线材不是纯特氟龙材料。因此需要自己加工了插针，见以下的图。找一个没有焊接的公BNC，只要针头部分，找一截粗的特氟龙线材，把它们焊接在一起，使用粗特氟龙线材是因为它非常硬，不会打弯，不会与BNC外壳相碰。然后用热缩套管封住就行。


















6.     做好屏蔽。首先OPA128的引脚8和外壳是相同的，把引脚8与GND相连，这样OPA128整个被封在GND壳中。板子顶层铺地，特氟龙节点周围铺地，如下图所示。整个板子装在铝合金壳子里，壳子接地。壳子要磨光，去掉氧化层，保证连通。










7.     做好一点接地。仔细看我的布线：退偶电容的地线单独走一根，其他信号地线都是一点接。地平面上不挂任何器件，最后与电源一点接。所有信号线走底层，顶层铺地。每个器件的每个引脚都无泄漏被封在GND中。虽然做了这些工作，仍旧会有电磁泄漏，因为外壳要打孔按接线柱。
8.     测准R1。这三个电阻里，R1会比较大，如何测量准确呢？我采用土方法。找JS买一个Fluke金封，测准。拿回来和我的4.5表500K档位比较，找出误差，再找一个5M塑料块和这个并联，测准，算出5M的阻值。再用5M档位测量，找出误差。测量5个5M，进行误差校正，串联在一起，组成25M。事实证明，我的4.5不差于34401。












9.  消除噪音。T型网络有个缺点，就是噪声大。又因为这个板子需要万用表读数，如果一直在跳，很讨厌，所以我做了RC积分电路，如下图。积分时间常数1S，每次测量需要10秒等待。加大测量时间降噪。实测证明，100G欧姆以下测量，无需这个电路，挺稳定。

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全景图


背面

测试：为了测试，我准备了两个电阻，1G和1T。其中1G是我用20M电阻串联的，每个电阻事先测量，参看帖子https://bbs.38hot.net/read.php?tid=23404





最新的外观图如下。1T是找网友要来的，据说有1%精度，正好用来验证，外观图如下。


经过多次摸索，总结的测试方法如下：
1.     因为我使用的积分电阻是330k，积分电容是6.6uF（2个3.3uF红威马），所示时间常数是2秒。为了降低积分电路的乘积误差（0.1%以下），测试时间至少为20秒，我取40秒或者以读数基本不变化为准，所以以下的视频基本上是40-50秒为一段，扣除接线换挡开销时间，大致是40秒。
2.     每个电阻测量分为2段，一次接基准，一次接地测失调。根据多次摸索，发现接地不好，不如悬空。
以下有几个视频，自己看。根据视频，我们计算一下电阻值，基准电压没调准是2.4998V，不是2.4999V，所以要做一次增益补偿。
测量1G电阻，用2.4998V电压。
http://v.youku.com/v_show/id_XNDY5NjA0MDk2.html
测量1G电阻，悬空，以度量失调。
http://v.youku.com/v_show/id_XNDY5NjA0NDU2.html




另外一次测量1G电阻，用2.4998V电压。
http://v.youku.com/v_show/id_XNDY5NjA1MTA0.html
另外一次测量1G电阻，悬空，以度量失调。
http://v.youku.com/v_show/id_XNDY5NjA1MjM2.html




另外一次测量1T电阻，用2.4998V电压。
http://v.youku.com/v_show/id_XNDY5NjA0Nzcy.html
测量1T电阻，悬空，以度量失调。
http://v.youku.com/v_show/id_XNDY5NjA0OTMy.html


       从1T和1G精度对比看，符合规律。大家都有一种感觉，电阻每增加一个量程，精度就会下降一级。1T测量误差约10%，1G应该是0.01%，从视频看又一次能做到0.16%，所以与规律相符合。
后记：做完之后，发现些遗憾。
1.     有一条地线忘了布，只好采用飞线。
2.     电源忘了加开关，每次都得开壳装电池。
3.     每次测量都需要2次，需要手工切换。当初想到加一个模拟开关，后来因为复杂去掉了。
4.     需要用万用表读数。当初想做一个LTC2400的取得系统，觉得成本高，也怕没有把握，没有做。

电路图.pdf (48 KB, 下载次数: 44)

2012-11-1 16:13 上传

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电路图

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整体外观图












最后的结论是：
1）1G欧姆或者1nA以上档位，可以做到精度0.1%。
2）随着电阻加大或者电流减小，误差增加，基本上是电阻每增加一个量级 ，误差增加一个量级。
3）1T欧姆或者1pA误差10%。
4）测量100G或者1T电阻，可以用外加更高的测试电压，精度可能能提高一个量级。
5）测量电阻100G以下电阻挺好，100G以上无法保证。
6）能否测量电流，没有试验。

全文完毕

hldiy

全文完了，站位听课

nick2329

好贴，顶 顶 顶 顶 顶 顶 顶 顶 顶 顶 顶 顶 顶 ！

dongxu

LZ高手

atl0402

又看到那个特氟龙垫子了，请教从哪里可以买到那个东东，看着质量不错

thy888

高阻标准电阻，都是T电阻网络的

longshort

特氟龙支架始终是个瓶颈啊。

cuison

蹲点学习！