DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Themen rund um die Hardware und Abgleich des Digitalvoltmeters DIV gehören hier rein.
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Oliver
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DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von Oliver » 29.04.2021, 11:02

Hallo,

ich habe mir hier die einzelnen Threads durchgelesen und bin ein weinig verwirrt von den vielen verschiedenen Spannungsreferenzen, Operationsverstärkern und Widerständen die Ihr so empfehlt.
Mein Ziel ist es meine DIV's so präzise und stabil zu machen wie irgend möglich.
Ich habe meine DIV's komplett mit mindestens 0,1 prozentigen Widerständen aufgebaut. Für R19 hatte ich einen Welwyn CAR5Y-10KLI-Widerstand
mit 10K, 0,01% eingelötet; 0,25W / 70°, Temperaturbereich -55° bis +155° eingelötet. Die anderen Widerstandswerte des Eingangsspannungsteilers habe ich leider nicht präziser und stabiler gefunden. Nun ist mir bewusst geworden, dass ich mir mit den unterschiedlichen Temperaturkoefizienten eine unschöne Drift eingehandelt habe. Also werde ich mir die empfohlene Widerstandsdekade CNS471A5 besorgen. Die Frage ist, wie lässt die sich am geschicktesten einlöten, ohne mir großartig Übergangswiderstände etc. einzuhandeln.
Als Spannungsreferenzen sind hier so LTC1019A, LM399 und andere im Gespräch. Ich hatte mich vorab schon einmal für externe Spannungsreferenzen mit LM399 in einem seperaten Gehäuse aus China entschieden. Die Referenzspannung ist mit 8,5 Stellen auf dem Gehäuse angegeben. Ich ging davon aus mit dem temperierten externen Gehäuse eine geringstmögliche Drift zu erreichen. Alternativ gäbe es auch Referenzspannungsquellen als 19"-Einschub.
Jetzt bin ich durch Eure Beiträge hier in so fern verunsichert, dass es so scheint, keine eindeutige Ideallösung zu geben. Jetzt möchte ich nicht verschiedene Referenzspannungsquellen besorgen und einzeln durchprobieren, um dann die beste zu behalten und die restlichen beiseite zu packen. Das wäre mir zu teuer. Mit welcher Referenz habt Ihr hinsichtlich Präzision und Stabilität die beste Erfahrung gemacht ?
Zu guter letzt sind hier dermaßen viele Operationsverstärker im Gespräch, die ich ebenfalls nicht einzelnd durchprobieren möchte.
Ich hatte vor, den LF411 durch einen OPA 627 BP zu ersetzen, aber da müsste ich wohl das TRIMM-Poti entfernen oder die Trimmung neu verdrahten. Dann entnehme ich hier den Beiträgen, dass auch der OPA 627 BP alles Andere als optimal ist und Ihr hier wiederum völlig andere Operationsverstärker in die Diskussion bringt. Hat Jemand von Euch mit einem Operationsverstärker besonders gute Erfahrungen gemacht, den Ihr weiterempfehlen könnt ?
Der Eine Verstärker rauscht weniger und driftet dafür um so mehr und umgekehrt. Welches wäre in guter Kompromiss ?
Zu guter letzt frage ich mich noch in wie weit bei den anderen IC's abgesehen von U6 Optimierungsmöglichkeiten bestehen und welche Auswirkungen Änderungen auf die Gesamtschaltung haben. Lohnt es sich die anderen Operationsverstärker zu tauschen ?

Gruß

Oliver

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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von lab-freund » 29.04.2021, 11:46

Hallo Oliver,

bist Du Voltnut?
Oliver hat geschrieben:
29.04.2021, 11:02
Hallo,

ich habe mir hier die einzelnen Threads durchgelesen und bin ein weinig verwirrt von den vielen verschiedenen Spannungsreferenzen, Operationsverstärkern und Widerständen die Ihr so empfehlt.
Mein Ziel ist es meine DIV's so präzise und stabil zu machen wie irgend möglich.
Ich habe meine DIV's komplett mit mindestens 0,1 prozentigen Widerständen aufgebaut. Für R19 hatte ich einen Welwyn CAR5Y-10KLI-Widerstand
mit 10K, 0,01% eingelötet; 0,25W / 70°, Temperaturbereich -55° bis +155° eingelötet. Die anderen Widerstandswerte des Eingangsspannungsteilers habe ich leider nicht präziser und stabiler gefunden. Nun ist mir bewusst geworden, dass ich mir mit den unterschiedlichen Temperaturkoefizienten eine unschöne Drift eingehandelt habe. Also werde ich mir die empfohlene Widerstandsdekade CNS471A5 besorgen. Die Frage ist, wie lässt die sich am geschicktesten einlöten, ohne mir großartig Übergangswiderstände etc. einzuhandeln.
Nach heutigem Stand würde ich vielleicht eher einen dekadischen Teiler von Caddock verbauen. Übergangswiderstände stellen aufgrund der Hochohmigkeit des Teilers kein Problem dar.
Als Spannungsreferenzen sind hier so LTC1019A, LM399 und andere im Gespräch.
Nein, das ist ja Standardbestückung. Eher schon Max6325. Soweit ich mich erinnere, hängt die Stabilität des Betriebsstroms in der von Carsten Meyer verwendeten Schaltung von der Stabilität des Spannungsreglers mit 15V ab. Des Weiteren verwendet die Referenzschaltung zur Grobkalibration einen Poti, den ersetzt man eher durch angepasste Widerstände.

Es ergeben sich zwei Bauvarianten:
1. Bau der LM399-Referenz à la Meyer, Ersatz des Potis durch zwei Widerstände, Feinjustierung erfolgt Software.
Wer nicht die Overrange-fähige C-Software von psclab 38 verwendet, sollte die Referenz ein bisschen mehr als 2,5V einspeisen lassen, damit auch Referenzquellen, die etwas über 2,5V liegen auch im 2,5V-Messbereich verwendet werden können.

2. Auf der selbstreferenzierten Referenzschaltung aus dem LM399-basierten aufbauen und einen stabilen Viertelteiler auf z.B. auf Basis des LT-5400 aufbauen. Der braucht eventuell noch einen Spannungsfolger als Impedanzwandler dahinter. Das ganze könnte man als Huckepackplatine auf den Referenzsockel für die LT1019A einstecken.
Ich hatte mich vorab schon einmal für externe Spannungsreferenzen mit LM399 in einem seperaten Gehäuse aus China entschieden.
Die ist schon wegen des sicherlich vorhandenen Potis Murks!
Die Referenzspannung ist mit 8,5 Stellen auf dem Gehäuse angegeben.
Davon sind dann mindestens 2,5 Stellen wertlose Prosa. :)
Ich ging davon aus mit dem temperierten externen Gehäuse eine geringstmögliche Drift zu erreichen.
Wenn es darum geht, die Temperaturdrift zu minimieren, dann würde ich eine LTZ1000 verwenden.
Alternativ gäbe es auch Referenzspannungsquellen als 19"-Einschub.
Jetzt bin ich durch Eure Beiträge hier in so fern verunsichert, dass es so scheint, keine eindeutige Ideallösung zu geben. Jetzt möchte ich nicht verschiedene Referenzspannungsquellen besorgen und einzeln durchprobieren, um dann die beste zu behalten und die restlichen beiseite zu packen. Das wäre mir zu teuer. Mit welcher Referenz habt Ihr hinsichtlich Präzision und Stabilität die beste Erfahrung gemacht ?
Dazu solltest Du meine Beitragsfäden lesen. Die wichtigste Größe ist der Spannungsteiler.
Bastel Dir eine externe LM399-basierte Referenz oder eine Chip-Referenz mit Zusatzheizungsregelung auf vielleicht 35 Grad, wenn Du eine Referenz benötigst, die Stabilität des DIV zu messen.
Zu guter letzt sind hier dermaßen viele Operationsverstärker im Gespräch, die ich ebenfalls nicht einzelnd durchprobieren möchte.
Ich hatte vor, den LF411 durch einen OPA 627 BP zu ersetzen, aber da müsste ich wohl das TRIMM-Poti entfernen oder die Trimmung neu verdrahten. Dann entnehme ich hier den Beiträgen, dass auch der OPA 627 BP alles Andere als optimal ist und Ihr hier wiederum völlig andere Operationsverstärker in die Diskussion bringt. Hat Jemand von Euch mit einem Operationsverstärker besonders gute Erfahrungen gemacht, den Ihr weiterempfehlen könnt ?
Ich weiß nicht mehr, welchen OPA ich verbaut habe, der stammte jedenfalls aus der Empfehlungsliste.
Ich gehe davon aus, dass alles aus der Kategorie Präzisionsoperationsverstärker gut funktioniert, sofern die elektrischen Anschlussdaten passen.
Der Eine Verstärker rauscht weniger und driftet dafür um so mehr und umgekehrt. Welches wäre in guter Kompromiss ?
Zu guter letzt frage ich mich noch in wie weit bei den anderen IC's abgesehen von U6 Optimierungsmöglichkeiten bestehen und welche Auswirkungen Änderungen auf die Gesamtschaltung haben. Lohnt es sich die anderen Operationsverstärker zu tauschen ?
Keine Erfahrung vorhanden!
Gruß
Martin

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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von Oliver » 01.05.2021, 20:46

Hallo Martin,

vielen herzlichen Dan für Deine aussagekräftige Antwort ! Da steckt viel drinn, was ich für ein präzises DIV-Modul nutzen kann ! Das bringt mich auf jeden Fall schon einmal weiter.
Im Augenblick schwanke ich noch zwischen der Widerstanddekade von Caddock und der von Vishay.
Von Caddock gibt es verschiedene Teiler mit passenden Widerstandswerten: 1176-10, 1776-C62... Die selben Bezeichnungen gibt es offenbar in 2 unterschiedlichen Gehäuseformen und mit verschiedenen Toleranzen. +/- 0,1% wären schon schön und sind für präzise Messungen ohnehin erforderlich.
Werd mir auf jeden Fall mal die Max6325-Referenz besorgen.

Gruß

Oliver

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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von lab-freund » 01.05.2021, 23:21

Hallo Oliver,

Du kannst ja Abweichungen beim Teiler herauskalibrieren.

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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von Oliver » 04.05.2021, 22:06

Hallo,

ich tendiere jetzt stark zu der Widerstandsdekade 1776-C6815-ND von Caddock.
Als Operationsverstärker eignet sich der OPA140 wohl besser, als der OPA627. Leider gibt's den nur im SMD-Gehäuse und fertige Adapter habe ich keine gefunden.
Als Referenz scheint die LTZ1000 eine gute Wahl zu sein, aber wie bekomme ich die Ausgangsspannung auf 2,5V, ohne mir die technischen Daten wieder zunichte zu machen ?

Gruß

Oliver

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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von lab-freund » 05.05.2021, 14:49

Per Spannungsteiler mit nachgeschaltetem Puffer.
Nutzt Du die C-Firmware, kann das DIV auch Overrange abbilden.
Stabil und billig wäre dann ein Drittelteiler, z.B. auf Basis des LT-5400 (< EUR 10,-)
Du kannst Dir auch bei Vishay einen VHP-Widerstandsteiler mit zwei Widerständen in einem hermetisch dichten ölgefüllten Metallgehäuse fertigen lassen (< 50 EUR) um auf ein Referenzsignal von 2,5V zu kommen. Beim Drittelteiler landest Du bei 2,3-2,4V Messbereichsende.
Dann kannst Du aber auch über den Mischer im Signalweg nachdenken.

Für das SO-Gehäuse findest Du Adapterplatinen auf Ebay und anderen Marktplätzen, die Du dann nur noch um zwei Pinreihen à 4 Stück ergänzen musst.

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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von Oliver » 05.05.2021, 18:36

Hallo,

vielen Dank für die guten Hinweise !
Es gibt zwar keine Fertigadapter mit verlötetem OPA140, aber ich habe Universaladapter zum selber bestücken gefunden. Adapter und OPA140 von TI sind bestellt.
Danke für den Hinweis mit den Drittelteilern. Ich kann's ja erstmal mit MAX6325 aufbauen und wenn ich dann mit der Drift/Präzision nicht zufrieden bin kann ich ja mal weitergucken.

Gruß

Oliver

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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von Oliver » 16.05.2021, 14:01

Hallo,

ich habe da mal ein kleines Verständnisproblem bezüglich der MAX-Referenz:
Es gibt einmal die MAX6325CPA mit einem Temperaturbereich von 0° bis 70°C und einem maximalen Temperaturkoeffizienten von 1,0ppm/°C und die
MAX6325EPA mit einem Temperaturbereich von -40° bis 85°C und einem maximalen Temperaturkoeffizienten von 1,5ppm/°C, die auch ein wenig teurer ist, als die CPA-Variante.
Ist nun ein möglichst hoher Temperaturkoeffizient besser oder ein möglichst kleiner Temperaturkoeffizient ?

Gruß

Oliver

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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von lab-freund » 16.05.2021, 14:41

Da Du ja keine Abhängigkeit der Messung von Temperaturschwankungen wünschst, brauchst Du einen möglichst kleinen TK.

Die Messmethode zur Ermittlung des Temperaturkoeffizienten aber beinhaltet aber die Ermittlung eines Durchschnittskoeffizienten für Messpunkte, die weit weg vom dem für Bastler interessanten Thermofenster von vielleicht 23°C +-10 Grad liegen.

Und wenn der Durschnitts-TK 1,0ppm/K beträgt, sagt das formal nichts darüber aus, was zwischen 20 und 25 Grad °C passiert.
Der TK-Verlauf kann einem komplexen Kurvenverlauf entsprechen.

Ich würde die billigere Referenz, bei der das kleinere Temperaturfenster von 0°C bis 70°C mit 1 ppm/K spezifiziert ist, nehmen.

Ich habe Dein Ansinnen übrigens mal getestet. Aufgrund des Rauschens der Messwerte brauchst Du sehr lange Integrationszeiten, ich habe Durchschnitte über 80 Messwerte (Vollwandlungen, also "x:VAL 3") gebildet. Mehr als fünf Stück pro Sekunde erlaubt der LTC2400 nicht. Inklusive der Zeiten für den Schnittstellenwasserkopf dauerte das so 20 Sekunden.

Oliver
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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von Oliver » 16.05.2021, 22:01

Hallo,

vielen herzlichen Dank für die aussagekräftige Antwort. Habe mir das mit dem Temperaturkoeffizienten schon gedacht, war mir aber nicht sicher. Der Temperaturbereich ist für mich irrrelevant. Ich werde das C't-Lab vorraussichtlich nicht mit zum Nordpol oder die Saharra nehmen.
Wie misst man eigentlich die Drift. Anschlüsse vom DIV kurzschließen und dann alle 0,2 Sekunden einen Messwert in ein Array schreiben ? Ich will das direkt mal ausprobieren: Was bringt die Widerstanddekade im Vergleich zu den Einzelwiderständen und was bringt der Tausch von einer LTC1019A-Referenz zu einer MAX6325-Referenz und was bewirkt der Tausch des LF411 gegen einen AD711AQ, OPA627, OPA140, LT1001 oder AD8675 ?
Zum Abgleich des DIV-Moduls steht mir im Augnenblick nur ein Agilent 34410A mit 6,5 Stellen zur Verfügung. Ich hoffe, dass ich irgendwo Zugang zu einem kalibriertem, genaurem Voltmeter oder einem kalibrierten Fluke-Kalibrator für den Abgleich bekomme.

Gruß

Oliver

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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von lab-freund » 17.05.2021, 14:30

Ich hatte mal einen Artikel zum Einfluss des dekadischen Teilers geschrieben:

viewtopic.php?f=7&t=819

Wenn Du den Eingang kurzschließt, ermittelst Du das Rauschen.
Das ist übrigens der Vorteil Deines Keysight-Geräts: Durch internen Kurzschluss des Eingangs wird vor jeder Messung der Nullpunkt festgestellt.

Was bezeichnest Du denn als Drift?
Drift ist für mich eine gerichtete Bewegung, die durch Alterung oder Temperaturänderung motiviert ist.

Eine für mich interessante Drift ist die Einschaltdrift, die ja durch Temperaturänderung aller Bauteile motiviert ist, siehe Artikel.
Dafür benötigst Du einfach nur eine stabile Referenz. Um die Stabilität des Teilers zu ermitteln, musst Du natürlich oberhalb des 2,5V-Bereichs messen, also z.B. im 25V-Bereich, wo der Teiler wirksam wird. Sinnvollerweise sollte die Referenz einen Wert hin zum Messbereichsende hin haben, aber bei nur 10V solltest Du ausreichend viel sehen.

Oliver
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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von Oliver » 01.06.2021, 21:57

Hallo,

mit Drift meine ich genau das Selbe: Die Erwärmung der elektronischen Bauteile führt über die Zeit zu einer Abweichung des angezeigten Messwertes vom realen Messwert. Mein Gedankenfehler war, dass beim Kurzschließen des Einganges sich die Drift messen ließe, aber das ist nicht Richtig, weil es bei 0 Volt zu keiner signifikanten Erwärmung der Bauteile kommt und sich somit nur das Rauschen zeigt, aber nicht die Drift.
Inzwischen sind eine ganze Menge verschiedener Operationsverstärker bei mir eingetroffen: AD711AQ, AD712AQ, AD713AQ, OPA140 und diverse Andere. Unterwegs sind AD8675ARMZ und LT1001ACN8, sowie die Referenzen MAX6325CPA+ und LT1019ACN8-2.5#PBF und zu guter letzt ein Caddock 1776-C6815 Spannungsteiler. Die meisten Operationsverstärker sind für's ADA-Modul und Andere.
Mir erschließt sich noch nicht ganz, wie ich das Widerstandsnetzwerk anschließen soll. Relevant sind für mich der Eingangsspannungsteiler aus R19 und R20, sowie die für die einzelnen Messbereiche R36, R37 und R39.
Der Spannungsteiler hat 9MOhm, 900kOhm, 90kOhm, 9kOhm und 1kOhm. Für R19 ließen sich 9kOhm und 1kOhm in Reihe schalten. Für R39 stünden 9MOhm und für R37 900kOhm zur Verfügung, wobei die einzelnen Widerstände des Widerstandnetzwerkes miteinander verbunden sind. Übrig blieben 90kOhm, wobei für R36 100kOhm erforderlich wären. Eine Reihenschaltung aus 90kOhm, 9kOhm und 1kOhm wäre denkbar, aber dafür wären die erforderlichen Widerstände bereits anders verschaltet. Wie habt Ihr diese Herausforderung gelöst ?

Gruß

Oliver

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Re: DIV mit 6,5 reprodizierbaren Stellen

Beitrag von psclab38 » 02.06.2021, 08:07

Hallo Oliver,

zu der Drift: Es gibt sehr wohl Drift beim DIV wenn man den Eingang kurzschließt, das ist der Offset. Ideal ist natürlich auch hier, dass diese Drift recht klein ist. In erster Näherung ist das die Offset-Drift des OPs selbst, speziell beim LF411.

Außerdem wird der "Nullpunkt" des ADC auf die halbe Referenzspannung gesetzt. Damit gehen die Referenz-Drift und die des Spannungsteilers R29+R30 theoretisch auch mit ein. Das ist aber kompensiert, weil der ADC die gleiche Drift über die Referenzspannung mitbekommt. Und da aber R29+R30 den gleichen Widerstandswert haben (und hoffentlich vom selben Typ mit gleichem TK sind) dürfte diese Offset-Drift gegenüber dem OP untergeordnet sein.

Das DIV hat keine automatische Offset-Korrektur, nur eine manuelle.

Der Messwert kann auch von Drift betroffen sein, da spielen dann die Widerstände im Vorteiler und im Netzwerk um den OP mit eine Rolle, also hier hauptsächlich R19+R20. Der OP selbst versucht ja die beiden Eingänge auf die gleiche Spannung zu bringen, also spielen auch hier die Offsets des OP eine Rolle.

Der Temperatureinfluss durch das Messsignal ist sicher theoretisch da, aber die Variation durch Umgebungstemperatur bzw. die Eigenerwärmung des OPs durch den Betrieb dominieren m. E. hier.

Das Caddock-Netzwerk ersetzt nur die Vorteiler Widerstände R39, R37, R36. Da die im gleichen Gehäuse sitzen, ist das Widerstandsverhältnis über der Temperatur kompensiert.
R19+R20 bräuchten ihr eigenes Netzwerk, das muss aber nicht im gleichen Gehäuse sitzen wie der Vorteiler. Ich hab die nicht ersetzt.
R19+R20 sind "nur" im 250mV-Bereich (und im niedrigsten Strombereich) aktiv.

Grüße
Paul

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