Прецизионный источник напряжения своими руками

Прецизионный источник опорного напряжения (ИОН) AD584LH: проверяем точность мультиметров в домашних условиях

Всех приветствую, кто заглянул на огонек. Речь в обзоре пойдет, как вы наверно уже догадались, о недорогом прецизионном источнике опорного напряжения (ИОН) на базе микросхемы AD584LH, позволяющим в домашних условиях проверить различные измерительные приборы на соответствие заявленной точности. Прибор достаточно популярный, поэтому если заинтересовались, милости прошу под кат.

Приобрести ИОН можно здесь

Характеристики:

• — Тип – ИОН
• — Напряжение питания – 4,5-30V
• — Выходное напряжение – 2,5V, 5V, 7,5V или 10V
• — Используемая микросхема – AD584LH
• — Размеры платы – 56мм*47мм

Внешний вид:

Источник опорного напряжения AD584LH (в дальнейшем ИОН) поставляется в обычном антистатическом пакете:

У некоторых продавцов в комплекте еще идет поверочная бирка с контрольными значениями, но в моем случае ее не было.

Основное назначение прибора — формирования прецизионного малошумящего напряжения известной величины с минимальными температурными и временными дрейфами. ИОН могут применяться как источники эталонного напряжения для АЦП, ЦАП, для источников питания и т.д. Данный прибор позволяет выставить на выходе четыре значения выходного напряжения: 2,5V, 5V, 7,5V и 10V. Конечно, диапазон небольшой, но общее представление о точности измерительного прибора дать может.

Выглядит он следующим образом:

Представляет собой плату, на которой распаяны следующие основные элементы:

• — микросхема AD584LH
• — два вида разъемов питания
• — выключатель питания
• — четыре контактные клеммы
• — два типа выходных клемм
• — индикатор

Монтаж платы односторонний:

Присутствуют небольшие следы несмытого флюса, но на работоспособность это никак не влияет.

Рабочее напряжение ИОН составляет от 4,5V до 30V, наиболее точные результаты получаются при напряжении 12-15V. Напряжение питания ИОН должно быть выше выходного как минимум, на 1 вольт. На плате присутствует два вида разъема питания:

Внутренний хорошо подходит для работы с 12V батарейками типа 23А:

Сама по себе батарейка там не поджимается, а вот со специальным держателем (холдером) встает как родная:

Такие держатели достаточно распространены и стоят меньше доллара за десять штук, поэтому рекомендую приобрести:

К тому с помощью таких источников питания (батареек) можно запитывать различные маломощные приборы, которым требуется для работы более 10V.

Второй разъем предназначен для подключения внешнего питания, преимущественно от сетевого источника. Представляет собой разъем DC 5мм:

У каждого разъема присутствует по одному диоду Шоттки для защиты от переполюсовки питания, поэтому по-дурости сжечь плату не получится.

Что касается самой микросхемы, то есть несколько серий и AD584L самая точная (см. спецификации). Серии «J» и «S» имеют погрешность 30mV при 10V, «K» и «T» 10mV при 10V, а «L» всего 5mV, поэтому выбирайте именно ее.

Габариты:

Размеры платки составляют всего 56мм*47мм:

По традиции сравнение с тысячной банкнотой и коробком спичек:

Тестирование:

В качестве сравнения будем использовать мультиметр UNI-T UT61E как самый точный из всей серии. Первым делом посмотрим точность при 10V:

Очень неплохо, учитывая тот факт, что сама микросхема имеет небольшую погрешность. При 10V допускается погрешность 0,005V.

Опорное напряжение 7,5V:

Погрешность самой микросхемы на этом напряжении составляет 4mV.

Опорное напряжение 5V:

Опорное напряжение 2,5V:

Конечно, немного огорчает отсутствие бирки с измеренными контрольными значениями, но ходят слухи, что китайцы ее «рисуют» от балды. В любом случае точности для домашних измерений хватает с большим запасом.

При использовании источника питания с напряжением меньшим, чем установлено на выходе, погрешность огромная. Напряжение батарейки 23А составляет 9,5V, выставлено 10V, а в действительности на выходе ИОН около 8,41V:

При установке на выходе 7,5V, показания в норме:

При 2,5V также все в норме:

На мой взгляд, разница по напряжению должна быть не менее одного вольта, чтобы получить хорошую точность на выходе ИОН.

Выоды:

Отличная и главное недорогая плата для проверки точности измерительных приборов в домашних условиях. Огорчает лишь небольшой диапазон выходного напряжения, хотелось бы больше. По ссылке самая точная из серии, рекомендую именно ее.

Источник

Как разработать прецизионный источник тока на операционных усилителях

В данной статье обсуждается схема источника тока, управляемого напряжением, для которой требуются всего два операционных усилителя и несколько резисторов.

В теории цепей источники напряжения и источники тока одинаково идеальны и одинаково просты в реализации. Вы просто рисуете круг, а затем добавляете знаки плюс и минус для напряжения или стрелку для тока. Теперь у вас есть элемент схемы, который генерирует заданное напряжение во всех условиях или обеспечивает заданный ток во всех условиях.

В реальной жизни источники не идеальны, и, кроме того, приблизиться к теоретическому источнику напряжения значительно проще, чем к теоретическому источнику тока. Источники напряжения бывают простыми, такими как аккумулятор, стабилитрон или резистивный делитель напряжения в сочетании с буфером.

Источники тока, напротив, обычно требуют некоторой продуманной схемы и большего внимания к деталям своей работы.

Архитектуры источников тока

Для создания источника тока существуют различные способы. Прежде чем мы рассмотрим схему с двумя операционными усилителями, давайте кратко рассмотрим некоторые другие варианты. Вы можете узнать обо всех них подробнее, кликнув на соответствующие ссылки.

Рисунок 1 – Схема применения LT3085, взята из технического описания LT3085

Другой вариант – схема на основе усилителя, которую я обсуждал в предыдущей статье о том, как разработать простой, управляемый напряжением, двунаправленный источник тока. Схема на основе усилителя отдаленно напоминает схему с двумя операционными усилителями, но один из усилителей представляет собой не операционный усилитель, а измерительный (инструментальный усилитель).

Рисунок 2 – Схема источника тока, управляемого напряжением. взята из технического описания LT1102

Наконец, у нас есть источник тока Хауленда, который был тщательно проанализирован в статье, написанной доктором Серджио Франко.

Рисунок 3 – Схема источника тока Хауленда

Схема с двумя операционными усилителями

Я нашел эту схему, которая описывается как «прецизионный источник ток», в старой заметке к применению от Analog Devices. Она производит ток на двунаправленном выходе, прямо пропорциональный входному напряжению.

Ниже показана принципиальная схема:

Рисунок 4 – Схема прецизионного источника тока

В этой схеме мне нравятся несколько вещей. Во-первых, необходимы только два типа компонентов: операционные усилители и резисторы.

Во-вторых, используются операционные усилители одинаковой модели. В этой схеме используются два операционных усилителя, тогда как в источнике Хауленда используется только один. Но тот факт, что оба операционных усилителя могут быть одной модели, является преимуществом, потому что вы можете использовать микросхему с двумя операционными усилителями и тем самым минимизировать любые расходы (дополнительная стоимость и место на плате) для второго операционного усилителя.

В-третьих, четыре из пяти резисторов (R2, R3, R4, R5) могут иметь одинаковые номиналы, и тогда коэффициент усиления по отношению тока к напряжению регулируется только одним резистором (R1). Номинал R2–R5 не является критическим, и поэтому вы можете адаптировать схему к компонентам, которые у вас уже есть в лаборатории. Однако имейте в виду, что резисторы более высокой точности будут давать в результате более точный источник тока.

В-четвертых, входное напряжение дифференциальное. Это дает вам некоторую гибкость в том, как вы подаете управляющее напряжение, и это позволяет вам использовать возможности двунаправленного выхода тока схемы без необходимости генерировать управляющее напряжение, которое находится ниже уровня земли.

Основы работы источника тока с двумя операционными усилителями

Чтобы проанализировать источник тока на двух операционных усилителях, мы будем использовать его реализацию в LTspice.

Рисунок 5 – Источник тока на двух операционных усилителях. Схема LTspice

Здесь я использую «идеальный однополюсный операционный усилитель» из LTspice. Сначала я попробовал это с OP-77, но симуляция не прошла должным образом. Возможно, возникла проблема с макромоделью OP-77, потому что у меня есть другая версия схемы, в которой используется операционный усилитель LT1001A, и она моделируется правильно.

Схемы источника постоянного тока обычно полагаются на некоторый тип обратной связи, который заставляет источник напряжения вырабатывать заданный ток независимо от сопротивления нагрузки (простой пример этого вы можете увидеть в управляемом напряжением светодиодном драйвере).

В источнике тока с двумя операционными усилителями U1 усиливает дифференциальное управляющее напряжение, а U2 сконфигурирован как повторитель напряжения, который измеряет напряжение на нагрузке и подает его обратно на входной каскад.

Показанная выше конфигурация источников напряжения создает дифференциальное входное напряжение, которое изменяется от +250 мВ до –250 мВ. Согласно уравнению, приведенному в примечании к применению, выходной ток должен изменяться от 2,5 мА до –2,5 мА, поскольку A_V = 1 и R1 = 100 Ом, и это именно то, что мы наблюдаем:

Рисунок 6 – Зависимость выходного тока от входного дифференциального напряжения

Одна вещь, на которую вам нужно обратить внимание в этой схеме, – это выходное напряжение U1. Весь ток нагрузки исходит от U1. Если пренебречь очень небольшими токами, которые протекают через резистор обратной связи R4 и на неинвертирующий вход U2, напряжение на выходе U1 будет равно I_вых, умноженному на сумму сопротивления нагрузки и сопротивления R1.

Это напряжение может легко превысить то, что фактически может генерировать выходной каскад операционного усилителя, особенно если вы используете шины ±3 В или ±5 В, а не аналоговые напряжения питания ±12 В или ±15 В, которые, как я полагаю, раньше были более распространены.

Из-за этого ограничения я бы сказал, что источник тока с двумя операционными усилителями является подходящим выбором для приложений с низким сопротивлением нагрузки и/или небольшими выходными токами.

Заключение

Мы кратко рассмотрели схему двунаправленного источника тока, которая имеет разумные требования к перечню элементов и включает в себя входной каскад дифференциального управляющего напряжения. В следующей статье мы будем использовать LTspice для более подробного анализа производительности этой схемы.

Источник

Контрольный источник напряжения на AD584

Наука начинается там, где начинают измерять. И как мы знаем, точность, это характеристика качества измерений, отражающая степень близости результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Иными словами, берясь за новый, или наоборот, видавший виды мультиметр или стрелочный вольтметр нас как минимум должен беспокоить вопрос, насколько точны его показания?

Это действительно важно, поскольку проводя измерения и наладку аппаратуры китайскими приборами мы должны быть уверены, что все сделали правильно. Поэтому проверить, насколько точно откалиброван измерительный прибор, задача первостепенной важности! Как же это сделать? Точные фирменные, и поверенные приборы стоят очень дорого, равно как и лабораторные эталоны напряжений для калибровки, да и в ВНИИФТРИ знакомые есть далеко не у всех. Однако выход есть. Можно взять достаточно точный источник опорного напряжения на ИМС измерить в нормальных условиях отдаваемое им напряжение на поверенном приборе (откалибровать) и приложить эту информацию к источнику напряжения для того, чтобы использовать в процессе проверки оборудования. Естественно, точность такого источника напряжения будет определяться множеством факторов, но главным образом температурой окружающей среды и точностью прибора которым проводились калибровочные измерения. Показания такого источника напряжения со временем дрейфуют крайне незначительно. Таким образом, наш источник опорного напряжение становится своего рода носителем информации о более дорогом и точном измерительном приборе. Задача сделать такой источник опорного напряжения, казалось бы, достаточно сложная, но Китай, как всегда, спешит на помощь. Мне удалось найти автономный источник опорного напряжения на микросхеме AD584 (Analog Devices) с программируемым выходом и 4 выходными напряжениями, которые прекрасно подойдут для проверки показаний и калибровки любого мультиметра. Точности такого источника для радиолюбительских целей более чем достаточно. Как говориться, точно в яблочко может, и не попадешь, но ногу себе точно не отстрелишь.

Немного о AD584

AD584 представляет собой прецизионный источник опорного напряжения с возможностью программируемого выбора из четырех разных выходных напряжений: 10.0 В, 7.5 В, 5.0 В и 2.5 В. Кроме того, возможно получение другого выходного напряжения, лежащего выше, ниже или между этими четырьмя стандартными значениями, с помощью внешнего сопротивления. Входное напряжение микросхемы может изменяться от 4.5 В до 30 В. Для точной подгонки напряжений и температурного коэффициента используется лазерная технология Laser Wafer Trimming (LWT).

В дополнение к программируемым выходным напряжениям AD584 имеет уникальный вывод стробирования, который позволяет включать и выключать прибор. Когда AD584 используется в качестве источника опорного напряжения в схеме питания, питание может быть выключено с помощью одного маломощного сигнала. В состоянии “выключено” ток потребления микросхемы уменьшается приблизительно до 100 мкА. В состоянии “включено” общий ток потребления, включая выходной буферный усилитель, составляет обычно 750 мкА.

Микросхема во всех отношениях замечательная и заслуживает пристального внимания. Почти все подобные источники опорного напряжения, используемые для калибровки и производимые в поднебесной сделаны как раз на AD584. Например, вот пара разных вариантов исполнения. Раз и два .

Подробнее об источнике опорного напряжения

Свой источник опорного напряжения для калибровки имеющихся у меня мультиметров я заказывал на AliExpress вот у этого продавца.

Поставляется источник без какой-либо упаковки и выглядит вот так.

В корпусе из оргстекла заключена плата с источником напряжения, «сервисом» и встроенном аккумулятором. Такую штучку можно взять с собой на рынок и проверять мультиметры при покупке, отбраковывая, что называется, не отходя от кассы.

На нижней крышке находится наклейка с измеренными напряжениями конкретно этого источника.

Измерения проводятся на дорогущем и навороченном прецизионном мультиметре Agilent 34401A (сейчас такой стоит около 1600$), что дает основание этим показаниям более-менее верить. Измерения проводятся при температуре 21 градус Цельсия.

Разберем корпус и внимательно изучим плату и компоненты на ней.

Аккумулятор. Приклеен к нижней крышке. Напряжение аккумулятора 3,7В.

Монтажная плата снизу.

Непосредственно источник опорного напряжения AD584KH.

Буква К, говорит о том, что этот прибор может работать при температурах от 0 до +70 градусов по Цельсию, а также указывает на класс точности. Есть и более экзотические варианты AD584, например, с буквой S, способные работать от -55 до +125 градусов по Цельсию. Мой экземпляр видимо был выдран из какой-то старой техники, о чем говорят боевые шрамы на его корпусе. Значит, скорее всего, это не подделка.

Как видно на фото, закреплен источник на плате особой конструкции. Скорее всего это сделано, для термостатирования, дабы нагрев платы не сильно влиял на характеристики самого источника.

Здесь же на плате находится миниатюрный импульсный повышающий преобразователь напряжения.

Ясное дело, если питать наш источник от слабенького аккумулятора, для формирования напряжения в 5 В и выше, требуется напряжение не ниже 13 В. Преобразователь построен на микросхеме AP34063. В моем экземпляре кривые руки китайцев при сборке повредили индкутивность, но на работу преобразователя и источника это не влияет.

Выходные напряжения источника выбираются последовательно кнопкой и выбранное значение обозначается соответствующим светодиодом. Очень удобно. Включается и выключается прибор длительным нажатием на эту же кнопку.

Сзади расположилось гнездо для подключения зарядного устройства и внешнего питания.

Практика использования

В моей скромной лаборатории постоянно используются три мультиметра, это два переносных, заслуженный и проверенный временем Mastech MS8269 и UNI-T UT61E, а также один стационарный Vichy VC8145.

Кто-то спрашивал, чем я пользуюсь при работе в ремонте и модернизации радиостанций? Вот этим вот и пользуюсь. Проверка всех трех мультиметров показала, что с ними все в полном порядке и подстройка им если и нужна, то весьма незначительная.

Mastech + UNU-T (hold). В рамочке напряжение источника.

Vichy. В рамочке напряжение источника.

Минусы

Что не понравилось, так это то, что отверстия для щупов сквозные! И кроме мусора внутрь корпуса прибора могут попасть любые металлические предметы. А уж о том, что самим щупом можно невзначай закоротить схему внутри источника я уже и не говорю.

Update 29.12.15

Сегодня удалось получить доступ к поверенному (правда поверка уже просрочена на пару месяцев) к высокоточному мультиметру Agilent 34461A. Это следующая более современная модель выпущенная после Agilent 34401A.

Собственно сертификат о калибровке (конверт вскрыть не дали, но не думаю, что там лажа).

И результаты измерений.

Как видим, отличие только в 4 знаке после запятой, да и разрыв в заявленном и фактически измеренном очень мал. Это значит, что написанному на нашей волшебной коробочке можно верить!

Итог

В целом, для калибровки радиолюбительской аппаратуры такой источник можно смело рекомендовать к использованию. Он компактный, откалиброван по точным приборам, может автономно работать от встроенной АКБ, это значит, что его можно использовать и в полевых условиях. В общем, как говориться, маст хэв для любителей точных измерений!

Источник