Nauwkeurige spanningsreferentie

No adjustments; calibration constants stored in non-volatile memory

Zo heb ik het bij mijn digitaal-gestuurde labvoeding ook gedaan: een tabel opgesteld, waarin de µC de nodige aanpassing kan vinden om --bij een bepaalde temperatuur-- de gewenste spanning zo precies mogelijk in te stellen.
Het resultaat ziet er dan zo uit:

Date: Tue Jan  3 08:35:12 CET 2012
Connected with Prosje's Fluke
Connected with LabVoeding82 - V2
32.915C
Ingesteld       Real            Diff in mV      Diff in ppm
 1.0000          1.0002         +0.152          +0.152
 2.0000          1.9994         -0.563          -0.282
 3.0000          2.9998         -0.245          -0.082
 4.0000          4.0001         +0.055          +0.014
 5.0000          4.9993         -0.736          -0.147
 6.0000          5.9996         -0.430          -0.072
 7.0000          6.9998         -0.231          -0.033
 8.0000          7.9989         -1.054          -0.132
 9.0000          8.9992         -0.791          -0.088
10.0000         10.0003         +0.297          +0.030
11.0000         11.0004         +0.394          +0.036
12.0000         12.0013         +1.250          +0.104
13.0000         13.0006         +0.580          +0.045
14.0000         14.0005         +0.450          +0.032
15.0000         15.0003         +0.330          +0.022
16.0000         16.0003         +0.330          +0.021
17.0000         17.0001         +0.060          +0.004
18.0000         17.9999         -0.060          -0.003
19.0000         19.0004         +0.430          +0.023
20.0000         20.0001         +0.130          +0.006
21.0000         21.0005         +0.530          +0.025
22.0000         22.0002         +0.150          +0.007
23.0000         23.0004         +0.430          +0.019
24.0000         24.0000         -0.010          -0.000
25.0000         25.0003         +0.310          +0.012
26.0000         26.0005         +0.450          +0.017
27.0000         27.0006         +0.560          +0.021
28.0000         27.9996         -0.410          -0.015
29.0000         29.0006         +0.630          +0.022
30.0000         29.9994         -0.600          -0.020

Ik had eerst een poging gedaan om de temperatuur van de sturing (REF, DAC, opamps) constant te houden, maar dat was geen succes.
Het duurt wel een eeuwigheid, alvorens de tabel (126 x 256 bytes) helemaal gevuld is - ik heb nog steeds openstaande plaatsen bij de hogere temperaturen. Dat wordt wel aangevuld als we nog eens een warme zomer krijgen...

Ik heb twee meters (een Fluke 8842 en een HP 3457) die ik jaarlijks laat kalibreren. Ze zijn toevallig net vanmorgen opgehaald, maar als ze weer terug zijn mag je gerust een keer langskomen

Als je je paneelmeter meeneemt kan 'ie ook nog wel even aan de Fluke 5440 gehangen worden

- Rob.

http://www.pa4tim.nl/?p=2531
Daar staan mijn experimenten. Het nadeel van die rits weerstanden is dat je referentie hoogohmig wordt. Niet erg als je een >10 GOhm wil testen maar bij gewone laagohmige meters gaat het fout. Beter voer je de aftakkingen in naar een fet opamp als spanningsvolger. Zo transformeer je hoge impedantie laar een lage.

Je kan ook een kelvin varley constructie maken. In een electron heeft een diy variant gestaan maar een weerstandadder met opamp is voldoende. 1 mV is niet zo heel moeilijk te realiseren en je hebt nig geen last van seeback, triboelectische effecten, noise, guarding, tempcos ect. Dat is met gewone metaalfilms goed te doen.
De simpelste die ik gemaakt heb blijft nog ruim binnen 500 uV verandring incl temperatuurveranderingen en veroudering.
vref ICs zijn er in verschillende grades. De LT1027 due ik gebruik is een B versie ( sample van LT, Farnell had alleen de C). De A versie is lastiger verkrijgbaar.

Je bent ook hier welkom, 1 mV is geen probleem, ik heb ook de eerste experimenten nog liggen, voor jou doel al meer dan voldoende. Die mag je wel een hebben, zet ze in een kastje met een voedingkje erbij en bussen er op en je bent klaar.

Op 3 januari 2012 20:07:15 schreef fred101:
De LT1027 [...] A versie is lastiger verkrijgbaar.

Duh, die is obsolete!

- Rob.

Ach vandaar lastig te krijgen , bij LT stond toen ook geen prijs op de site. Ik dacht dat er toen stond op aanvraag maar ik denk dat ik dat verkeerd onthouden heb. Zal wel bij een andere Vref zijn geweest. In de datasheet staat inderdaad obsolete.

Fred,

Voordat ik dit topic starte had ik al het topic over de spanningsreferentie gelezen, jouw website en die van Pros.

Je opmerking: "Het nadeel van die rits weerstanden is dat je referentie hoogohmig wordt" snap ik niet helemaal.

De opamp + transistor is geschakeld als stroombron. Wanneer ik bv de 10V uitgang met 10K belast dan regelt de opamp bij. De simulatie in Simetrix bevestigd dit.

De 12.5V en 15V uitgangen zullen dan idd niet meer correct zijn, dit is voor mijn toepassing niet relevant.

In mijn ontwerp ga ik de MAX6126AASA50 vervangen door de LT1027. Ik kom in de toekomst graag een keer bij je langs met m'n bouwsel om af te stellen en te meten.

Hang eens 10 K over de 2,5 uitgang ( of bedoel je 2,5V ipv 12,5 V ? ) met 10 K over de 10 V wordt Ve 17 V dat kan met een paar volle batterijen nog net denk ik. Wel mooi aan jou idee is dat de tempcos van de weerstanden nu niets meer uit maakt. ( zolang die allemaal gelijk zijn tenminste)
De weerstanden moeten wel precies gelijk zijn. Als ze 0,1% zijn en stel er loopt 2,5 mA door de keten heen omdat de onderste precies 1000 ohm blijken, dan is 0,1% 999 tot 1001 ohm. Dus de spanningsval over de andere is dan 2,4975 tot 2,5025 dus je kan er 2,5 mV naast zitten. Om 1 mV te halen moet je dus je weerstanden matchen of naar 0,01%.

Als je een 2,5V Vref neemt kun je hem over de onderste weerstand hangen.

Als je nu een opamp als spanningsvolger er achter hangt, kost je wel een keuze schakelaar als je dat toch al niet ging gebruiken.. Dan heb je een heel lage Ruit en maakt de belasting niks meer uit.

Als je na de Vref gewoon een deler maakt met een opamp erna blijft je voedingspanning constant en heb je een groter bereik. Dan zou je bv de boel uit 12 V kunnen voeden als 10 V als hoogste spanning voldoende is. Met een kleine loodaccu ( bv zoals in alarmsysyemen) kan hij dan heel lang aanstaan. Ik heb er bij mij twee permanent aanstaan. Een 10 V en een 2,5V. De 10 V blijft aan, die zit in en oventje ( wat nog beter moet) de 2,5 alleen om te verouderen, daarna gaat hij uit. Ik heb er eigenlijk geen toepassing voor, het zijn maar experimenten. Tenzij de 10 V stabieler blijkt dan de Fluke 731A want dat is wat ik hoop.

Ik zou wel een echt goede willen maken met zo'n Vref met ingebouwde oven maar het probleem is dat je daarbij ook nog voor heel veel geld aan weerstanden voor nodig hebt ( en meer kennis dan ik nu heb om het ook echt goed te ontwerpen en bouwen)

Oja, in je schema staan wat weerstanden volgens mij kortgesloten.

Je bent welkom. Als hij op batterijen werkt zou ik hem wel een uur ofzo van te voren al aanzetten.

Om 1 mV te halen moet je dus je weerstanden matchen of naar 0,01%.

Weerstanden van 0,01% was ik al van plan.

Als je nu een opamp als spanningsvolger er achter hangt, kost je wel een keuze schakelaar als je dat toch al niet ging gebruiken.. Dan heb je een heel lage Ruit en maakt de belasting niks meer uit.

Zal ik ook doen.

Oja, in je schema staan wat weerstanden volgens mij kortgesloten

Oops, zie het nu ook, moet nog even wennen aan simetrix...

Heeft het nog nut om de LT1027 via een LM7815 -> LM7812 te voeden ?

Ja, een 78xx voor de LT1027 helpt.
I.p.v. een 78xx kan ook een LM317 of een ander ref IC gebruikt worden.

Roland,

Als je geen onoverkomelijke bezwaren hebt tegen SMD zou je ook eens kunnen kijken naar de LTC6655.

- Rob.

Geen probleem met smd, mouser heeft 'm niet maar digikey wel.

Wel mooi aan jou idee is dat de tempcos van de weerstanden nu niets meer uit maakt. ( zolang die allemaal gelijk zijn tenminste)

Op basis van bovenstaande uitspraak 's gaan zoeken:

Digi-Key Part Number RNCF0805TKY1K00CT-ND
RES 1K OHM 0.01% 5PPM 0805 SMD Thinfilm
$2.13

Deze zijn 5PPM ipv de orginele 0.2PPM maar kwa kosten scheelt het heel veel, 10 van deze kosten minder dan 1x 0.2PPM.

Ziet iemand een probleem met het gebruik van weerstanden met 5PPM ipv 0.2PPM ?

5ppm is al veel beter dan jij nodig hebt. Bij 20 gaden verschil kan de waarde van een 1K dus 100 ppm verlopen. Dat is 0,1 ohm over een heel groot bereik. Het hoeft in ieder geval niet beter te zijn dan de Vref.

Als je er alleen paneel meters mee calibreerd kun je met een tienslags pot een instelbare spanning maken. Even met je multimeter erop instellen op volle schaal en dan aan je paneelmeter.

In dit geval is het natuurlijk vooral de differentiële tempco waar het om gaat en niet de absolute. Voor weerstanden uit een en dezelfde batch mag je verwachten dat die redelijk dezelfde TCR hebben. Ik denk dat je worst kaas op 1 à 2 ppm/°C uitkomt, maar waarschijnlijk wel beter.
Plenty goed genoeg dus, zoals Fred al zei.

- Rob.

Als je er alleen paneel meters mee calibreerd kun je met een tienslags pot een instelbare spanning maken.

Ik wil juist zo min mogelijk potmeters, dit project mag best 50 euro kosten, en daar zit ik op dit moment nog niet aan. Wil er ook meer mee doen dan alleen paneelmeters mee calibreren.

Even met je multimeter erop instellen op volle schaal en dan aan je paneelmeter.

Tsja, daar schort het bij mij nog aan, m'n beste multimeter is een Fluke 27.

Range and Resolution: 320.0 mV, 3.200V, 32.00V, 320.0V, 1000V
Best Accuracy: ±(0.1%+1)

Ik zal vanavond het shema bijwerken.

Dan zou ik in ieder geval voor overkill gaan. Dus door goede constructie, weerstanden selecteren en een stabiele referentie zorgen dat je wat speling hebt. Als je hem bv 10,000.0 krijgt en dan dmv een 20 slags insteltrimmer hem nog 500 uV kan vertellen dan kan hij bij calibratie precies op 10,000.0 of misschien nog een digit beter worden gezet. Dan hoef je niet bang te zijn dat door temperatuur, vocht, schokken, mechanische spanning en veroudering je buiten je 1mV specs komt. Zonder trimmer is nog mooier maar dan zit je met het probleem dat je hem met alleen die fluke niet kan bouwen. 1K weerstanden matchen gaat daar er al niet mee dus die moeten zo precies mogelijk zijn.

Voorkom:
mechanische spanning in het pcb. bv door de referentie zwevend te hangen (wist ik ook te laat) of gleuven in het pcb te frezen.
Het pcb tussen rubber te hangen zodat de studs en kracht op de behuizing geen mechanische spanning veroorzaken.
Ben voorzichtig net solderen. Door de warmte kunnen onderdelen verlopen.
Kijk uit voor stof, vuil en vingeafdrukken. Reinig alles met ipa na het bouwen.

Als groot voorstander van het KISS principe zou ik het eigenlijk gewoon laten zoals het is. Geen instelpot erin dus.

De belangrijkste vereiste die je aan een calibrator mag/moet stellen is stabiliteit en voorspelbaarheid, zowel op de korte als de lange termijn. De feitelijke waarde speelt een ondergeschikte rol (denk standaardcellen, Fred!), al is het natuurlijk wel prettig als die zo dicht mogelijk bij een 'kardinaal punt' ligt.

De nauwkeurigheid die is te halen met het voorgestelde schema is voldoende voor Roland's onmiddellijke behoefte en met een calibratie aan een extern instrument (zodat je echt weet wat er uit komt) waarschijnlijk ook voor de toekomst. Zolang die nauwkeurigheid voor een voldoende lange tijd gewaarborgd kan worden zit je dan in principe helemaal goed.
Het introduceren van een trimmer, met alle narigheid die daarbij om de hoek komt kijken, kan het eigenlijk alleen maar minder maken.

- Rob.

Daar heb je wel gelijk in, ik draaf weer eens door
Voor ons voltnuts is het alleen belangrijk de preciese waarde te weten en dat hoeft geen rond getal te zijn als hij maar stabiel is maar ik weet niet of de TS er bij gebrek aan meters er ook zo over denkt. Anders zou ik het in dit geval ook zo simpel mogelijk doen met goede componenten.

De LT1027 zou ik wel willen trimmen aangezien deze de nauwkeurigheid van het hele shema bepaald.

In de AN42 van LT staan ook opties (Appendix C) om nauwkeurig te trimmen.

http://cds.linear.com/docs/Application%20Note/an42.pdf

In mijn geval eerst trimmen met die 10K pot, dan die eruit en vervangen door bovenstaande shema.

De aanbevelingen van Fred kwa opbouw neem ik ook over.

Fred,

Jij hebt al met de LT1027 gewerkt, waarschijnlijk kun je al een indicatie geven wat R4 en R1 zouden moeten zijn. Dan kan ik die straks ook als 0.01% mee bestellen en zijn R2 & R3 alleen nog voor de puntjes op de i.

Hier http://cds.linear.com/docs/LT%20Journal/LTMag-V19N1-03-References-Bren…
staat nog een overzichtje van de verkrijgbare onderdelen. Vraag me af of je niet beter af ben met het kopen van een betere (2dehands)meter. Ik kocht bijv. op Marktplaats een Fluke 867b grafische multimeter die 0.025% DC doet. Is volgens de selftestsoft calibrating=OK. En kostte me 120 euro + ophalen.

RAAF12,

Ik vindt het leuk om zelf iets te bouwen, met de fluke heb je geluk gehad, de meeste fatsoenlijke multimeters op MP gaan voor veel meer weg.

Op 4 januari 2012 18:23:50 schreef fred101:
1K weerstanden matchen gaat daar er al niet mee dus die moeten zo precies mogelijk zijn.

Misschien domme vraag.
Is het mogelijk om met een pic met 3 ADC ingangen twee SMD weerstanden te vergelijken/paren ( e.v.t gebruik makend van vergulde klemmetjes )?

Zoiets als
1 ADC voor ref spanning,
1 ADC voor R1, en
1 ADC voor R2
en dan de waarden vergelijken.

Of zijn de ADC's van een MC te verschillend kwa nauwkeurigheid?
Of zou het met het laden en legen m.b.v een Cond. beter zijn?

Om weerstand te meten zul je er een constante stroom doorheen moeten sturen, hoe zorg je dat de stroom door deze twee weerstanden gelijk is? Je zou ze in serie kunnen zetten, maar dan mag de spanning over elke weerstand maar de helft van de referentiespanning zijn.

De ADC heeft waarschijnlijk een resolutie van 10-bits, dus 1024 stappen. Dat beperkt de resolutie voor een enkele weerstand al tot 0,1 %, en dan hebben we het nog niet eens over nauwkeurigheid gehad. Meestal is de ruis voor die ingebouwde ADCs ook fors.

Als het over weerstanden matchen gaat zou je aan een Wheatstone brug kunnen denken, ik weet niet of deze artikelen al voorbij waren gekomen?

Leuke link, duidelijk omschreven. Het Keithey boek wordt daar ook genoemd, dat is een aanrader.
Ik zat tot nu toe met het tempco matchen maar die olie manier in Alson's link is een mooie. Voor 5,5 digits zijn mijn huidig gebouwde referenties nu nog net voldoende stabiel.

Weerstanden matchen doe je het beste met een brug. Twee in serie en de spanning meten kan ook. Als je een precisie weerstand hebt meet je beide spanningen. Dat je meter niet gecalibreerd is maakt niet uit, het gaat om de ratio tussen de twee. Als je bekende 1K is dan is de ratio van weerstand gelijk aan de ratio van spanning.
Maar dan moet je wel een meter met genoeg resolutie hebben. Bij een brug moet je 0V meten, dat is meestal een minder probleem. De bron spanning maakt niet uit, als hij maar stabiel is. Probleem is wel dat je daarvoor al twee identieke weerstanden moet hebben hebben.

Met dank aan Blackdog en zijn HP34401 heb ik aan mijn bouwsel kunnen meten.

2.50021
5.00021
7.50034
10.0000
12.4996
14.9995
17.4994
19.9994

Waarbij we op de 10V uitgang de calibratie hebben gedaan.
Al met al ben ik zeer tevreden.