neděle 20. listopadu 2016

Upgrade M1T380, part III - analogová část před integrátorem

V minulém díle jsem vzpomenul upgrade reference, z původní TKZD13 na vyhřívanou MAB399, resp. LM399. Sehnal jsem přibližně 30 ks MAB399 referencí, dle kódu na pouzdru rok výroby 1990.
30 ks MAB399
Jelikož reference nebyly nikdy tříděny, natožpak řádně proměřeny, postavil jsem pro ně jednoduchou třídičku.

Jedná se o zdroj konstantního napětí cca +8,3 V, ze kterého jsou přes 1k rezistor postupně napájeny reference. Do každé tedy teče proud kolem 1 mA.
Měření MAB399 (10ks)
A jak třídění dopadlo? Dvěma kusům nefunguje vnitřní vyhřívání (je tedy na vyhození), jedna značně driftuje a všechny ostatní strašně šumí. Inu co taky čekat, ČSSR.
Nicméně věřím, že onen šum se s časem zlepší, jakmile reference vystárnou (aging / burn in). Mám v plánu je nechat nepřetržitě 1k hodin vyhřívat a poté v mrazáku dalších tisíc hodin cyklovat on/off s periodou 2 minuty. Tohle by mělo křemík zbavit jakýchkoliv napětí.
Porovnání stabilit referencí MAB399 a TKZD13
Jak je z grafu patrné, tak všechny mé zakoupené MAB399 mají značně velký šum v porovnání s MAB399 co byla v #3 multimetru (ta byla pravděpodobně vytříděna a vystárnuta). O TKZD13 není třeba se ani bavit, ta je kompletně marná - ještě aby ne, vždyť nemá teplotní stabilizaci.
Z grafu je dále třeba si všimnout teploty - ustálena je na 43 °C, předtím to byla hodnota 38 °C. Nyní je teplotní čidlo LM35DZ přilepeno přímo na PCB - neměří tedy vnitřní teplotu vzduchu, ale rovnou teplotu PCB.
Provedené úpravy kolem vstupního zesilovacího dílu
Dále byly vyměněny všechny MAA741 s šílenou teplotní závislostí za OP07E (trochu lepší 741). V následující tabulce je srovnání vhodných náhrad. Poměrně lákavě vypadá LT1077, jenž má extrémně nízký příkon (bude málo hřát). Vyměněny byly také multiplexery MAC08A, které mají velký svodový proud a ještě větší příkon, za DG408 od Vishay. Stabilitě kupředu!

Vybrané náhrady OZ za 741
Typ OZ Offset [µV] Drift [µV/K] Strmost [V/µs] Šum [µV p-p] Příkon ±15V [mW]
MAA741 1500 10 0,5 N/A 85
OP07E 30 0,3 0,3 0,35 90
OP27E 20 0,2 2,8 0,08 107
LT1057CN8 200 4 13 2,1 64
LT1077CN8 25 0,5 0,12 0,5 12
LTC2057 0,5 0,015 1,3 0,2 22
Mimochodem, takhle nějak vypadala deska po extrahované TKZD13, MAA741 a s původními MAC08A:
MAA741 pryč, příprava pro OP07E
MAB399 jsou v multimetru napájeny přes modifikovaný proudový zdroj pro původní TKZD13, jenž byl doplněn o Vishay PTF56 3k rezistor s nízkým Tempco (< 10 ppm/K).
Proudový zdroj s MAB399
Reference byla doplněna o teplotní izolaci v podobě pěny pro bezpečný transport přístrojů. Tepelný odpor bohužel není znám, ale pořád je to lepší nežli plastové izolační pouzdro ve vzduchu. Pěnou je také zespodu izolován i PCB.
Pěnová izolace na referenci
Stejnou úpravu čekalo i desku konstantních proudů pro měření odporu - obsahuje proudové zdroje a separátní, druhou, referenci. Protože napěťový dělič je trochu jiný než u reference pro integrátor, bylo potřeba upravit odpor R1 na hodnotu 3k65 (chtěl jsem zachovat proud 1 mA do zenerky - Mr. Dobkins prohlásil, že to je její nejoptimálnější pracovní proud). Jelikož napětí je asi o jeden volt menší než u původní zenerky, bylo potřeba patřičně zmenšit i rezistory snímající proud tekoucí do měřeného odporu.
Úprava proudového zdroje pro měření odporů
Nakonec následovalo osazené "chytré" destičky s bistabilními relé TQ2-L2-5VDC (to je takové relé, kterýmu stačí jenom impuls na jeho přepnutí, tzv. RESET/SET signál). Původní relé LUN jsou ovládána jaksi pseudo-bistabilně a to tak, že při sepnutí cívka relé vidí asi 30V a poté napětí klesne na udržovací, přibližně 12 V. Přes cívku teče nějaký proud, ale díky velkým rozměrů relé se teplo z cívky moc nedostane ke kontaktům. Nenastává tedy příliš výrazný Te jev. Nicméně, rozhodl jsem se v rámci vylepšování multimetru tato archaická relé zaměnit za něco novějšího. Problém je ten, že logika není určena pro spínání bistabilního relé - navrhl jsem tedy malé zapojení s 74HC14, které ovládá cívky relé a zároveň zaručuje odpadnutí kontaktů do původního polohy při vypnutí přístroje. Vstupy schmitt invertoru se připojí přímo na vstupy OZ ovládajícího původní relé. Princip je fundamentální ze schématu.
Logika pro ovládání bistabilního relé
Zapojení bylo realizováno na malou pocínovanou destičku a namontováno místo jednoho LUN relé. Odpory sériově s cívkami relé byly vyměněny za hodnotu 0R (původních 100R byla chyba v návrhu - návrh počítal s odporem cívky 2 880 ohmů).
Destička s bistabilními relé
Nakonec jsem ještě vyměnil síťový filtr za trochu lepší (původní měl nějaké 10uH proudově kompenzované tlumivky, nový asi 4,7 mH) a volné místo v síťové části doplnil malým trafem pro standby vyhřívání reference i když je multimetr vypnut.
Vstupní filtr a standby zdrojík
Bohužel se v praxi ukázalo, že je zbytečné temperovat zenerku i v klidu, neboť po zapnutí se vnitřek přístroje ohřívá natolik, že se jeho offsety stejně stabilizují až vnitřní teploty dosáhne rovnovážného stavu.
Inu, po zapnutí multimetr bez problému naběhl a pochopitelně má rozhozenou kalibraci (protože se mu změnilo referenční napětí). Velikost reference se změnila asi o -15,46 %, kdežto zobrazovaný údaj se změnil o -15,02 %. Ta chyba navíc (-0,4 %) bude chyba v offsetech a původní kalibraci.
Normálové napětí
Změřené napětí



Bohužel napětí ještě před tímto měřením poměrně brutálně oscilovalo nahoru a dolů. Zdá se, že vstupnímu stupni se něco nelíbilo. Kouknutím na oscík zde opravdu byl kmitající výstup OP07E (před multiplexerem). Není se čemu divit, neboť OP07E je krapet pomalejší než původní MAA741 a zpětná vazba nefungovala zcela správně. Hodil jsem tedy celé schéma do simulace a nestačil jsem se divit.
Ekvivalentní schéma vstupního zesilovače
Kmitalo to pouze při zesílení 1 a zapojeném filtru. Ze zapojení je jasné, že takto je na výstup zesilovače připojen kondenzátor přes malý oddělovací odpor R13 (1k). 
Rozkmitaný zesilovač s C1 = 220 pF
Řešení bylo prosté - buď zvětším kapacitu C1 a nebo obdobného kondenzátoru u OP07 (ve schématu zakreslen není). Rozhodl jsem se zvětšit C1 z 220p na 1n, protože byl poměrně snadno přístupný. Poté se zapojení krásně ustálilo, jak na simulaci tak i ve skutečnosti.
Stabilizovaný zesilovač s C1 = 1 nF
Celkem se tedy vstupní zesilovací díl dočkal následujících úprav:
Celkové modifikace vstupního zesilovače
Nyní mě zajímaly dvě věci - drift offsetu se zkratovaným vstupem LTC2057 a poté se svorkami na panelu přístroje.
Drift offsetu (zkrat LTC o L)
Nehezká odchylka kolem 30. minuty byla způsobena zapnutím indukčního motoru pár metrů od multimetru. Z průběhu je ale patrné, že se přístroj poměrně rychle ustálí (de facto již splňuje čas 60 minut, co je v návodu).
Následoval dlouhodobý log driftu termoelektrických napětí (svorky zkratovány) a porovnání s předchozími modifikacemi, resp. originálním stavem.
Porovnání driftu Te napětí
Pokud bych hodil do tabulky MIN/MAX hodnoty rozkmitu pro každou zkoušenou kombinaci, vyšlo by asi něco takovýho:

Porovnání napěťových driftů
Varianta MIN [µV] MAX [µV] Delta [µV]
LTC zkrat -2,4 -0,2 2,2
TQ2-L2 relé -9,8 -5,7 4,1
LUN relé -7,5 -2,4 5,1
TQ2 relé -7,0 -0,3 6,7
DS2 relé -6,5 +6,1 12,6

Všechna měření proběhla za stejných podmínek, kromě měření s bistabilním relé (to již proběhlo s OP07). Bistabilné relé tedy vychází nejlépe (kupodivu *ironie*).

Zvláštní je však výkyv v grafu driftu u modifikace s novými OP07 (a bistabilními relé) - drift nejdříve rapidně klesá a pak začne postupně stoupat. Jakoby některé komponenty měly kladný teplotní drift a některé záporný. S tím, že se jeden z nich dříve ustálí. Nicméně to je detail, který již není třeba řešit u 6,5 místného multimetru, když se stejně po čase ustálí.

Pokračování ZDE.

1 komentář:

  1. To kmitanie s OP07 nie je sposobene jeho rychlostou ale jeho citlivostou na kapacitnu zataz. Vo svojej uprave som pouzil miesto OP07E OP27 (mensi sum) a pri zzosilneni 1 (tj rozsah 15V a 1500V) to kmitalo na cca 1MHz. Pomohlo oddelenie zataze seriovym odporom 180R - spatna vazba je az za nim, takze zosilnenie neutrpelo.
    JMD

    OdpovědětVymazat