Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Precyzyjny komparator rezystancji

Mietek Woźniak 28 May 2009 23:46 8045 12
Altium Designer Computer Controls
  • Precyzyjny komparator rezystancji
    Witam!
    Chciałbym przedstawić precyzyjny komparator rezystancji. Stworzony został przeze mnie samodzielnie na potrzeby firmy RESTOR, produkującej rezystory precyzyjne 0,01%.

    Jego działanie polega na wskazywaniu odchylenia procentowego rezystora Rx od Rn, według wzoru D = (Rx-Rn)/Rn * 100%. To znaczy, ze na przykład dla Rn = 100Kohm i Rx = 99980 ohm wskaże -0,020%.
    Następnie zmierzone odchylenie jest porównywane z nastawioną górną i dolną granicą tolerancji (obie z zakresu -4% - +4% z krokiem 0,001). Jeśli odchyłka mieści się w zadanych granicach, wyświetlany jest napis DOBRY, w przeciwnym razie - ZLY.
    Urządzenie ma dwa zakresy pomiarowe: poniżej i powyżej 130 ohm (trzeba wstępnie "zadeklarować" w którym zakresie mieszczą się porównywane rezystory), które różnią się napięciem zasilającym mostek (1,25V lub 5V).

    Zakres akceptowanych rezystancji mierzonych to 10ohm - 2,5Mohm. W docelowej konfiguracji do zacisków Rn dołączona jest precyzyjna dekada rezystorowa, zaś do zacisków Rx szczęki nacinarki do rezystorów.

    Z elektrycznego punktu widzenia działanie układu wygląda następująco - mamy trzy dzielniki napięcia dołączone do wspólnego źródła zasilania. Jeden mostek składa sie z rezystorów wzorcowych 250 ohm 0,01% 10PPM/K, dodatkowo parowanych (w praktyce nie trzeba ich dokładnie parować, korektę można zrealizować programowo). Drugi dzielnik stanowią rezystory Rx i Rn. Różnica napięć tych dzielników jest podawana przez bufory o małym prądzie polaryzacji na wejście układu ADS1242 (przetwornika A/C), którego napięciem odniesienia jest napięcie trzeciego dzielnika - ok. 1/10 Uzas. Uzależnienie napięcia odniesienia od napięcia zasilającego mostek a na celu wyeliminowanie wpływu wahań i zakłóceń napięcia zasilającego mostek na wskazania urządzenia. ADS komunikuje się przez szynę SPI z mikrokontrolerem ATMEGA8, który dokonuje przeliczenia napięcia wejściowego na odchylenie (nie jest to zależność liniowa, mimo, że w okolicach zera - prawie), dokonuje porównań z granicami tolerancji itp.

    Kalibracja układu polega na zwarciu wejść buforów poprzez przekaźnik (symulacja idealnie równych rezystorów wejściowych), a następnie wysłaniu do ADS1242 komendy o kalibracji (układ traktuje wtedy chwilowe napięcie wejściowe jako zerowe i zapamiętuje jego wartość).
    Możliwa jest również kalibracja przy pomocy rezystorów wewnętrznych - wtedy komenda o kalibracji jest wysyłana bez zwierania wejść buforów, tylko w normalnym trybie pracy.
    Przekaźnik jest podłączony tak a nie inaczej, gdyż w razie występowania napięć na jego zwartych stykach (efekt termopary), napięcia te odejmą się od siebie i nie będą wpływać na pomiar.

    Załączam schemat ideowy, gdyby ktoś był chętny - wyślę też wzór płytki w eaglu.

    Precyzyjny komparator rezystancji Precyzyjny komparator rezystancji Precyzyjny komparator rezystancji

    Czekam na wszelkie pytania, opinie i sugestie :D

    Cool? Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    Mietek Woźniak
    Level 19  
    Offline 
    Mietek Woźniak wrote 420 posts with rating 48, helped 24 times. Live in city Kraków. Been with us since 2003 year.
  • Altium Designer Computer Controls
  • #2
    fuczek
    Level 15  
    Ładna robota. Czy istnieje możliwość przystosowania urządzenia do pracy czterozaciskowej (dla rezystorów o niskich wartościach)?
    Aha, i jeszcze drugie pytanie: gdyby układ wejściowy miał możliwość pomiaru oporności badanego rezystora przy dwu przeciwnych wartościach prądu pomiarowego (+/-), to wtedy uśrednienie tych dwu odczytów kompensowałoby chyba napięcia termoelektryczne? Trochę późno, muszę to przemyśleć :-)
    P.S. Czy oceniałeś stabilność czasową / temperaturową źródła napięcia zasilania mostka? Jeśli nie potrzeba dużego prądu, to możesz zrobić zasilanie mostka np. na TL431 + ew. wtórnik.
    Można też inaczej - Link, patrz Fig.22.
  • Altium Designer Computer Controls
  • #3
    Mietek Woźniak
    Level 19  
    Dzięki :) Tego egzemplarza przystosować się za bardzo nie da, za dużo zmian... Ale właśnie pracuję nad kolejną wersją, właśnie czterozaciskową :)
    Pisałem w opisie dlaczego jakość napięcia zasilania mostka nie jest krytyczna (skraca się później we wzorze na odchylenie). Natomiast stabilność całości jest bardzo dobra, wieczorem skalibrowałem go względem rezystorów podłączonych (czyli wskazywał 0,000 z wahającym się +/-), rano (było o wiele cieplej) było +0,000. Ale to chyba nie problem co jakiś czas wcisnąć przycisk "kalibracja" :P

    Ja też muszę to przemyśleć :D ale wydaje mi się, że przynajmniej w takiej konfiguracji w jakiej to będzie pracowało, ewentualne szkodliwe napięcia będą się odejmowały, podobnie jak przy przekaźniku.
  • #4
    fuczek
    Level 15  
    Faktycznie, zwracam honor - przemyślana konstrukcja, prosta i przy tym efektywna. A jak z szumami i zakłóceniami - czy było potrzebne jakieś programowe filtrowanie sygnału, czy wystarcza uśrednianie?
  • #5
    Mietek Woźniak
    Level 19  
    Sygnał nie jest filtrowany programowo, całość filtrowania widać na schemacie :) Przy rezystorach 5M zaczyna się wahać tak +-0,001-2 % :)
  • #6
    dezydery
    Level 15  
    Witam
    Na pierwszy rzut oka nasuwa mi się kilka uwag:
    1.Zasilanie mostka.Wartość napięcia zasilania nie jest krytyczna - wiadomo ale co z szumami stabilizatora 317?Przeceiż te szumy psują ideę zastosowania przetwornika 24 bitowego.Szumy źródeł napięcia odniesienia przeznaczonych do przetworników A/C tej klasy są o wiele niższe.Tak więc uwaga kolegi fuczek jest uzasadniona.Po co stosować super precyzyjny wzmacniacz OPA o niskich szumach i "wypasiony" przetwornik skoro wszystko psuje napięcie zasilania mostka- jakość tego napięcia, nie wartość.
    2.Prąd upływu kondensatorów elektrolitycznych w dolnych rezystorach mostka.Co prawda metoda pomiaru jest na zasadzie porównawczej ale jakość i stabilność parametrów może się zmieniać nawet przy niewielkiej zmianie napięcia na tych kondensatorach mówię tu w kontekscie tego przetwornika A/C który może mierzyć mikrowolty.
    3.Diody 4148 na wejściu przetwornika tej klasy niszczą piękną ideę dokładnego pomiaru chodzi tu o prąd wsteczny i nieliniowość w przypadku gdy napięcie wejściowe będzie się zbliżało do napięcia zasilania. Co prawda prąd wsteczny silnie zależy od temperatury i w przypadku tej metody pomiaru zostanie nieco zminimalizowany jednak nie wyeliminowany.

    4.Zasilanie.Temat rzeka.W tym przypadku wszystko stoi na tej samej masie.Nie widzę dokładnie płytki ale chodzi mi tu o sposób prowadzenia masy oraz sposób jej łączenia.Nie widzę polygonów na płytce, co przy tak precyzyjnym układzie jest wręcz konieczne.Brak filtrów na zasilaniu.Proszę zajrzeć na 21 i 22 stronę pdfa przetwornika.

    5.Płytka PCB.Generalnie należałoby pokusić się o płytkę 2 warstwową i przejście na elementy smd.Spowodowałoby to znaczne skrócenie długości ścieżek które de facto łapią wszelkie zakłócenia z zewnątrz.Poprawiłoby się odsprzęganie zasilania i zminimalizowane zostałyby pojemności pasożytnicze układu oczywiście pod warunkiem prawidłowego zaprojektowania takiej płytki, co nie jest rzeczą łatwą.A przy takim przetworniku wręcz trudne i wymagające ogromnej wiedzy jeśli chce się maksymalnie wykorzystać dobrodziejstwa tego przetwornika.

    6.Piękny ekran przy procesorze z blachy miedzianej czemu ma słuzyć?Lepszy efekt da zastosowanie kilku blm ów na zasilaniu, obniżenie znacząco sygnału zegarowego(nie znam dokładnie zasady działania ale nie jest to super szybki miernik),zastosowanie procesora w obudowie smd i skrócenie ścieżek od kwarcu itp.

    Generalnie układ bardzo ciekawy i widać w nim pomysłowość autora.Proszę się nie sugerować zbytnio tym co napisałem.Nie chcę nikogo krytykować(tak przecież najłatwiej) chciałem tylko zwrócić uwagę na kilka podstawowych spraw przy dokładnych urządzeniach pomiarowych nie wiem czy udało mi się przedstawić chociaż 1% potencjalnych problemów.Ze swojej strony polecam autorowi dokładne czytanie not katalogowych producentów oni zamieszczają na swoich stronach bardzo szczegółowe noty aplikacyjne w formie tutoriali książek zestawów ewaluacyjnych.Opisują jak powinien wyglądać dokładny tor pomiarowy,przedstawiają problemy i sposoby ich rozwiązania.Prawdziwa kopalnia wiedzy w szczególności na stronach Analog Devices jak i Texas Instruments.

    Pozdrawiam
  • #7
    fuczek
    Level 15  
    ->Dezydery: uwagi jak najbardziej OK, ale po stronie Autora jeden ważny argument - układ działa poprawnie :-).
    Z zakłóceniami (zwłaszcza 50Hz) w sygnale mostka można trochę walczyć za pomocą filtru cyfrowego wbudowanego w przetwornik ADS1242 (zajrzyj do karty katalogowej: strona 12 - Digital filter). Trochę gorzej ze stabilnością długoterminową.
    Fajnie byłoby przetestować ten przyrząd z rezystorami wzorcowymi z dokładnością na poziomie wzorca krajowego, czyli lepszą niż 1e-5, na dodatek zbadać stabilność czasową pomiaru. Ciekawe, ile GUM chciałby za takie badanie?
  • #8
    Mietek Woźniak
    Level 19  
    O, dezydery.... Dzięki za takie rozpisanie się! :D
    1. Mówiłem, że napięcie mostka skraca się w równaniu końcowym, szumy które ono wnosi też! Z ciekawości może spróbuję to zasilić nawet niestabilizowanym i napiszę czy mam rację :) Za to szumy samych rezystorów już się nie zniosą, ale na to nic nie poradzę (poza filtrem). Od samego początku wiedziałem, że ADS jest za dokładny do tego zastosowania, ale najlepiej mi podchodził jeśli chodzi o aplikację i dostępność. W opach (właściwie potrzebny jest tylko jeden - ten od mostka z Rn i Rx) nie chodziło mi o szumy, tylko o bias i dryft napięcia offsetu. Będę próbował znaleźć coś innego na ich miejsce - poki co, wylądowały tu bo były pod ręką i są zej****ste.
    2 i 3. - Nie bój się - na początku układ na wyższych rezystancjach rzędu 500k robił kolosalne błędy - skala była przesunięta w stronę minusa o 0,08%. Wtedy sprawdziłem prawie każdy element pod kątem wnoszenia błędu... Z diodami, kondensatorami, przekaźnikiem i nawet płytką drukowaną nie było najmniejszych zmian... Za to jak wywaliłem kable ekranowane łączące płytkę z zaciskami - wszystko wróciło do normy. Rezystancji pomiędzy żyłą kabla a ekranem (masą) było bAAAArdzo daleko chociażby do 1Gohm :)
    Ponadto, co istotne, RESTORowi zależy najbardziej na dobrej dokładności W OKOLICACH ZERA tak +-0,5% i stabilności. W warunkach gdy rezystory nie różnią się od siebie więcej niż te 0,5%, napięcia na wejściach przetwornika polaryzują diody dość sporym, względnie, napięciem wstecznym.
    4. Masa - wszystko stoi na tej samej masie, bo ADC nie ma rozdzielenia na analogową i cyfrową. Nie jest to układ gwieździsty, tylko "liniowy" (o braku pętli nawet nie wspominam), i się sprawdza - ponadto od dołu jest na wszelki wypadek pociagnięta grubą warstwą cyna + drut miedziany. W pdfie filtrami na zasilaniu są kondensatory, które oczywiście zastosowałem - chyba że chodzi Ci o filtry sygnałów z mostka. Tu jednak te moje się sprawdzają.
    5. No fajnie by było z profesjonalną płytką :) ale ja miałem za zadanie zrobić kilka egzemplarzy poprawnie działających, co mi się udało - gdyby to miała być większa partia, to oczywiście ze tak. Wszystko co mogłem zrobić na chwilę obecną to porządnie umyć i zabezpieczyć ścieżki.
    6. No ale nie szkodzi, prawda? :D

    To prawda - przy tym projekcie czasem brakowało mi wiedzy, i wyszło parę niespodzianek - takich jak z tą rezystancją izolacji kabla... O kompetencji autorów opracowań z TI i AD także się przekonałem już nieraz :D

    fuczek, generalnie chodziło o to, żeby ten komparator był lepszy niz dotychczas używane telpodowskie (swoją drogą, odpowiednio utrzymywane i kalibrowane są bardzo dobre). Trzecia cyfra po przecinku jest w sumie potrzebna tylko do tego, żeby przy docinaniu warstwy (korekcyjnym) z ok. -0,5% na mniej więcej -0,01% widać było, co za chwilę się stanie z cyfrą na drugim miejscu po przecinku. 10-5 to kosmos... Też jestem ciekaw kosztów takiej operacji :) W przyszłym tygodniu skonfrontuję swój projekt z 8 cyfrowym miernikiem DATRON, dam znać :)
  • #9
    fuczek
    Level 15  
    Z tą rezystancją izolacji kabli to nic nowego. W fabrycznych rozwiązaniach - np. źródłach niskich prądów i elektrometrach firmy Keithley używa się kabli z podwójnym ekranem, jeden ekran jest przeciwzakłóceniowy, a drugi służy do zmniejszenia upływności kabla - jest sztucznie utrzymywany na potencjale żyły środkowej. Kabel zakończony jest wtyczką Triax (tak jak BNC, ale na obwodzie 3 bolce co 120° - Link1). Fajne poradniki na ten temat można zamówić na ich stronie - Link2.

    PS. W śp. multimetrze V640 dla zachowania wysokiej rezystancji wejściowej (100 MΩ) stosowano dodatkowo teflonowe łączówki, żeby zmniejszyć problemy z upływnością laminatu.
  • #10
    Xweldog
    Level 30  
    Witam
    Przez sentyment do dawnych czasów pozwolę sobie zabrać głos. Układ b.fajny i potrzebny. Zatrzymałeś się na 10Ω. Gdy w przyszłości będziesz szedł "w dół" zwróć uwagę na zastosowany przekaźnik. Kiedyś miałem problemy z R rzędu dziesiątek mΩ. Obmierzyłem oporności między zwartymi pinami zastosowanego przekaźnika. Okazało się, że w przeciętnym było tam ok. 12mΩ a np. w porządnym. austryjackim Schick ( nie wiem, czy jeszcze ta firma istnieje ) 5mΩ. Zastosowałem 3 zrównoleglone MOS-y z Rds 4mΩ. Obecnie niektóre mają Rds ok. 1,5mΩ.
  • #12
    jatzek j
    Level 21  
    Siemanko . Jako ,,totalny '' krytyk nie mam zastrzeżeń do zasady działania układu, aaallleee nic autor nie napisał jakie kryteria postawiła firma produkująca rezystory . Nic ,, szerzej '' autor nie napisał na temat tzw. rezystorów wzorcowych ,rezystorów do kalibracji wewnętrznej oraz tzw ' ,,precyzyjnej dekadzie rezystorowej '' .Nie mówię już o warunkach jakie powinien spełnić podczas kalibracji [mowa oczywiście o stałych wartościach m.in. temperatury, wilgotności czy to dla wzorca czy rezystora badanego ] . Może nie wszyscy zdają sobie sprawę co to jest kalibracja ??? Dla niektórych to,, świętość'' . a dla pozostałej reszty standard . Układ oczywiście działa , aaallee czy tak właśnie ma być ???
  • #13
    Mietek Woźniak
    Level 19  
    Xweldog - nie wiem czy będzie potrzeba iść w dół, ale Twoje wskazówki na pewno zapamiętam :) Jednak dopóki styki nie są szeregowo połączone z rezystorami mierzonymi, ich rezystancja nie ma większego znaczenia.

    fuczek - O.o.... tylko tyle mogę powiedzieć, DOBRZY są :D

    jatzek j - podstawowe założenia - powtarzalność wyników, niewielka moc wydzielana na rezystorach mierzonych, ok 5-10 pomiarów/s, łatwość obsługi, ustawianie granic tolerancji... To najważniejsze :)
    Co do kalibracji, jeszcze raz:
    1. kalibracja wewnętrzna - przekaźnik w pozycji spoczynkowej - wejścia buforów zwarte. Różnicowe napięcie wejsciowe przetwornika jest równe sumie napięć niezrównoważenia OPAMPów. Przetwornik po otrzymaniu komendy SYSOCAL (system offset calibration) zapamiętuje wartość napięcia i bierze ją pod uwagę w kolejnych pomiarach. Komparator jest głuchy w czasie wykonywania kalibracji i można wszystko wciskać, dołączać rezystory, odłączać itp.
    2. Kalibracja zewnętrzna - przekaźnik włączony, czyli tak jak w czasie normalnej pracy. Napięcie różnicowe na wejściu przetwornika to napięcie przekątnej mostka plus napięcia niezrównoważenia OPAMPów. Podobnie jak poprzednio - SYSOCAL i zapamietujemy wartość napięcia, traktując dołączone rezystory Rx i Rn jako wzorce o równej rezystancji. W czasie tej kalibracji przydałoby się nie dotykać zacisków wejściowych, gdyż biorą w niej udział.
    Oczywiście kalibrację należy wykonać w takiej samej temperaturze, w jakiej później będziemy mierzyć, w szczególności trzeba odczekać z nią przynajmniej pół godziny od włączenia zasilania.