В7Э-42 — блок источников токов (кодовое название: и так сойдет!!!)

В этот раз немного отойдем от традиции статической картинки в посте, и проиллюстрируем то с чем я сталкнулся в В7Э-42 с помощью небольшого видео:

Блок выходной измерительный, который я обычно называю блоком источников тока, создан с одной единственной целью — генерировать на отдельном выходе прибора электрометрические токи от 10 мкА до долей пикоампера.

Идея сама по себе отличная. У меня часто возникает желание вкачать в ту или иную точку схемы или DUT’а десяток-другой пикоампер. Обычно я для этого применяю резистор и программируемый малошумящий источник напряжения. А тут в 42-ке полный фарш, то есть там такой концептуальный подход уже реализован в железе:

В качестве программируемого источника напряжения применен 12-ти битный ЦАП средной точности К594ПА1 который драйвится от стабилитрона 2С191Ф с платы АЦП, масштабированным до 12В:

В общем решение не блещет особой точностью хотя-бы по тому что шаг ЦАП составляет около 6 милливольт, т.е. 1/2047-я часть от полного диапазона в 12 вольт.

Эта дивная(во всех смыслах) конструкция драйвит блок не менее ширпортебных электрометрических резисторов номиналами 1 МОм, 100 МОм, 10 ГОм, 1 ТОм.

Для закрытия брешей пропущенных резисторых 10-ок(10 МОм, 1 ГОм, 100 ГОм), там размещен простой резистивный делитель R1+R2 с коэфицентом 10 к 1, и аналоговый ключик, переключающий физически размещенные электрометрические резисторы или прямо на выход ЦАП, или на поделенный выход ЦАП-а.

Ну… решение так-себе, но оно имеет право на жизнь… подумал я. И это было моей главной ошибкой. focus

Слегка копнув этот анал, я сразу понял что МНИПИ этот модуль добавили просто для галочки, из этого вытекло ряд проблем. Но поскольку я привык решать проблемы по мере их поступления, я раскапывал все постепенно:

  • Резисторы С3-15В на номиналы 10 ГОм и 1 ТОм имеют ТКС свыше 2000 ppm/°C, что по сути составляет ошибку более 0.2% на каждый °C.

Это самая просто-решаемая проблема, из запасников был взят резистор Ohmite Mini-Mox MOX112523100A на наминал 1 ТОм с фактическим ТКС около 250 ppm/°C. Он не самый лучший, но он просто был… А 10ГОм резистор был заменен на полюбившийся мне Ohmite RX-1M1008FE,  с 50 ppm/°C соответственно.

  • Резистивный делитель R1+R2 стоит на суммарный номинал 2 кОм, и через него течет весьма солидный ток от 0 до 6 мА. Допуск резисторов делителя 0.05%, что не так-то уж и нормально.

Делитель я скорректировал добавочным сопротивлением, тут все классически. Но так как ток в пике достигает 6 мА, методику настройки ЦАП К594ПА1 описанную в мануале — применять нежелательно. Она предусматривает настройку выходного напряжения непосредственно около ЦАП-а, а около выходных резисторов это напряжение уже ниже, т.к. дорожки, шлейф и многочисленные контакты имеют далеко не нулевое сопротивление. ЦАП К594ПА1 надо настраивать контролируя напряжение высоко-импедансным мультиметром на подобии 34410A в режиме Hi-Z, или более точным электрометром(что намного лучше). Измеряя напряжение непосредственно на выходном триаксиале, программируя в прибор токи 0.0000E-05A и 1.2000E-05A. Тогда на выход будет включен резистор 1МОм и напряжение можно настроить с учетом всех просадок.

  • Резисторы 100 МОм и 1 МОм не калибруется в ходе АВК.

1 МОм скорректировать обычно можно малой кровью, будь он в плюсе или в минусе, а вот с резистором С5-50 100МОм все куда сложнее, как показывают замеры, он уезжает в плюс 0.1% от номинала, за каждые 10 лет. Но менять его на что-то нет большого смысла. У С5-50 отличный для этого прибора ТКС около 10-15 ppm/°C. Для корректировки С5-50 которые «В плюсе», отлично подходят распространенные резисторы серии КВМ.

Для этого мне потребовалась термокамера, в которой был проверен по ТКС и измерено фактическое сопротивление этого резистора.

ТКС и корректирующие резисторы на оптимальную рабочую точку в 42°C были педантично рассчитаны:

И установлены параллельно и последовательно с С5-50:

В результате ТКС не пострадал, а номинал я загнал аж в допуск 0.016%. На лет 10 такой коррекции должно хватить… crazy

  • Алгоритм калибровки резисторов 10 ГОм и 1 ТОм калибрует их только до 3-х 9-ток, то-есть вместо-того чтобы поправочный коэфецент АВК «ACL Io» выставить по уровню 1.0000, он всегда выставляет его по уровню 0.9990. Иногда он калибруется до 1.0010. Я это связываю с калибровкой на малом времени измерения, и опять-же с невысокой разрядностью ЦАП-а.

Это исправить мне не видится возможным, т.к. переписывать прошивку я не хочу.

  • ПО прибора имеет ошибку выдачи тока при автокалибровке нуля.

Вот этого сюрприза я никак не ждал. Суть в том, что в регистр DD20(К561ИР9) на плате управления 5.100.037, отвечающий за младшие разряды ЦАП-а формирователя токов, при запуске периодической или принудительной коррекции нуля — загружается ошибочными данными, а именно — в него грузятся нули на протяжении всей процедуры коррекции. Я около суток тыкался анализатором, мультиком и осликом в прибор.

И потом таки мне пришло понимание что этого не исправить, т.к. комп прибора в момент калибровки нуля вместо нормальной последовательности загрузки регистра:

Загружает последовательность с 4-мя обнуленными битиками:

В результате выходной ток слегка уезжает от 0% до -0.8% а потом восстанавливается до нормального.
Все-бы ничего, но из за этого на малых токах возникает импульсно перезаряд и поляризация паразитных емкостей, и возникает бросок тока до пары сотен ЕМР.

Данный эффект лучше всего иллюстрирует график: (запрограммированный ток 1E-12A, время измерения 10 секунд)

К сожалению все весьма печально, и это опять-же прошивка, и опять-же мне это не видится поправимым.

Если надо минимизировать эффект, включайте измерение токов на приборе, на интегрирующие диапазоны -9 -10 -11 -12, и закрывайте вход прибора. Тогда выход по токам сбрасывается куда реже, т.к. в этом режиме калибровка нуля и сброс интегратора происходит раз в 30 минут.

  • Резисторный модуль имеет огромные щели, через которые забивается пылью и через которые в тракт инжектируются шумы.

Ну тут нас спасет обычный алюминиевый скотч, рулоны… рулоны скотча!!! Только укладывайте его с учетом того, чтобы он не коротнул рядом стоящий БП если он отклеится.

  • Фильтрация шумов трактов ЦАП’а отсутствует в принципе.

Неполярный конденсатор на 20…50 мкФ 16..50В на линии Io платы 5.173.046 спасает.

  • После процедуры АВК  «ACL Io» значение ЦАП К594ПА1 на токах выдачи -12 -11 -10 -9 степени, вычисляются поправочные коэфиценты и значение ЦАП начинает поправочно домножаться на него. Но тут в коде есть явная «ошибка переполнения», и при определенных номиналах резисторов 10 ГОм и 1 ТОм запрограммировать токи близкие к значению «1.2000» уже нельзя, у выходного тока вместо этого меняется знак на противоположный.

Это опять-же прошивка, и опять-же мне это не видится поправимым.

Резюме:

Блок выдачи токов делали похоже весьма и весьма наплевательски… но чисто как эдакая не очень точная тамагоча — этот блок вполне годен. Описанными выше методами, удается частично снизить некоторые ошибки выдачи тока с 30-70 ЕМР до 10-20 ЕМР, ну или около того…

В многих аспектах 42-ка отличный прибор, очень продуманный, но явно не в части блока выдачи токов blush