Источник опорного напряжения на LM399, альтернатива AD584

Сегодня посмотрим, что может предложить подвал дядюшки Ляо на поприще метрологии для самых маленьких


В процессе подготовки мульти-обзора на мультиметры мне стало понятно, что количество мультиметров дома вышло из-под контроля и необходимо сократить их количество до некой разумной величины.

Сейчас у меня есть старый HP 34401A, который занимает очень много места, и BM869s с истекающей заводской калибровкой, поэтому встал вопрос поиска приличного источника напряжения, которому я мог бы доверять.

AD584

На сайте хватает обзоров на AD584 и особого смысла его плотно обозревать нет. Поэтому просто поделюсь своим опытом и новым вариантом исполнения.

Вкратце это «программируемый» источник опорного напряжения состоящий из «band gap reference», ОУ и резисторной сети, с начальной точностью от 0.1% до 0.3%, долгосрочной стабильностью 25 ppm/1000 часов(похоже, что не квадратный корень, а именно линейные 1000 часов) и тепловым дрифтом от 15 до 45 ppm/°C, в зависимости от серии. В принципе, его можно настроить на любое напряжение о 2,56 до 10,24 В, что делает его очень удобным для АЦП. Для работы ему нужно на выходе хотя бы 2.5 В выше выходного напряжения.

Старый AD584

Этот экземпляр построен на AD584KH, который выглядит подозрительно свежо, достался мне за 9 долларов в октябре 2020 года.


Немедленно было проведено сравнение того, что написал нам неизвестный китаец на бумажке с мультиметром, которому я доверяю.

Было интересно проверить «долгосрочную» точность подобных решений.
Для этого я подключил его к батарее из щелочных батареек на 3 месяца и измерил напряжения еще раз.

5В просто отлично попал, остальные от 11 до 18ppm — за пределами погрешности вольтметра и градусника (помним, что каждый градус может добавить до 45ppm на полностью легальной основе).
Можно сказать, что более 2000 часов непрерывной работы от батарей не сказались на выдаваемых напряжениях.


Через какое-то время, он выпустил белый дым, на котором работает вся электроника, создал внутренний КЗ и вскипятил батарею.
Когда у меня дошли руки проверить, что же там умерло — оказалось, что виной всему светодиод, после удаления которого, все заработало как ни в чем и не бывало.
Еще один неприятный нюанс заключался в том, что мне, как и многим, пришла плата с остатками флюса. Принято считать, что флюс этот «безотмывочный» и отмывать плату не надо.

Каково же было моё удивление, когда однажды все напряжения довольно сильно «уползли».

Казалось бы, ну какая там проводимость, в низковольтных цепях. Оказалась приличной; сопротивление в 16МОм между незамкнутыми контактами переключателя находится вполне в ожидаемых пределах, а вот 8.5 кОм между двумя другими контактами — совсем нет. Плата была отмыта ацетоном и смывкой для флюса, высушена и проводимость пропала.

На сегодня, при температуре 22 градуса получаем следующие выходные параметры.


Чуть ниже по тексту мне пришлось собрать простенький стенд для проверки зависимости выходного напряжения от напряжения питания. Используем его и для этой платы тоже.

Новый AD584

Куплен за 14 долларов.
Выглядит симпатично, микросхема выглядит потертой — возможный признак оригинальности. Маркировка утверждает, что это AD584JH. В качестве переключателя используются обычные «джамперы» — неудобно.
Предполагается, что мы можем питать его как от A23 12В батарейки, так и от внешнего БП, поэтому используется диодный вентиль. Падение на диоде пол вольта, исходя из проверки описанной выше работать будет, но не долго. Это плохое решение.


В целом, по напряжению попали, но изначально указано слишком мало разрядов — использовать его как меру для проверки вольтметров, без доступа к более точным приборам, будет неудобно.

С резисторами тоже все не идеально. Результаты измерения 4 проводным методом с помощью 34401А.

Перепроверим с помощью DER EE DE-5000 и 4 проводных щупов для SMD TL-22.

Кроме того, у резисторов присутствует температурный коэффициент. Например, у меня получилось получить заявленное сопротивление для резистора 100К просто подогревая его пальцем.

LM399

Не то чтобы народный AD584 меня не устраивал, но хотелось чего-то нового.
По мнению Volt Nuts из соседнего двора, LM399 занимает третье место на пьедестале чемпионов источников напряжения, сразу после LTZ1000 и джозефсоновского контакта.


LM399 это опорный источник, так называемого «шунтового» типа. В нашем случае это упакованный в один корпус нагреватель, высокоточный стабилитрон и их обвязка, с начальной точностью 2%, долгосрочной стабильностью 8 ppm/√kH и тепловым дрифтом от 0.5 ppm/°C. Такие ИОНы используются во многих лабораторных мультиметрах «бюджетного» класса (6 1/2 отсчетов). Из-за высокого начального разброса их «стареют», сортируют, лучшие экземпляры идут в недорогие калибраторы, похуже — в мультиметры, оставшиеся на продажу, и я так подозреваю, что самые плохие продаются на ebay или aliexpress.

Обошелся он мне всего 21доллар, что уже немного подозрительно. Приходит просто в запаянном пакетике.


Сам по себе шунт имеет небольшую ценность и ему нужен буфер-усилитель, роль которого тут играет LT1001.

Построен по схеме похожей на схему замещения нормального элемента из даташита.

Роль переменного резистора играют джамперы переключающие делитель напряжения в разных конфигурациях.

Первые измерения похожи.

Попробуем его «состарить», спустя 1500 часов.

Все очень здорово, все значения в пределах погрешности прибора и самого ИОНа.

Но, к сожалению, не все так просто, есть два существенных нюанса.

Диапазон 10В зависим от входного напряжения.


Этот конкретный экземпляр шумит. Выставим выходное напряжение на 5В, чтобы вместиться в 55000 отсчетов Fluke 287.

Флюк пишет всего раз в секунду, попробуем выяснить, насколько глубока кроличья нора. Активируем min-max режим настольного мультиметра и дадим ему постоять денек.

Попробуем измерить сам «стабилитрон», может виновата обвязка?
Соберем самый минимальный вариант, не обращайте внимания на абсолютные значения, изменилась температура, «установка» находится в комнате, в которой присутствует движение воздуха, стабилитрон запитан от батареек.


Кроме того я подключил 121GW в режиме 5 записей в секунду, чтобы оценить как долго длятся провалы. Исходя из записей сделанных за 3 часа, подобные провалы длятся не более одного цикла измерения (то есть до 400 мс).

Итого

«Оригинальная» плата на AD584 обладает известными проблемами, не думаю, что я открыл тут что-то новое. В целом, при условии отмывки платы, демонстрирует стабильность достаточную для домашнего применения.

Объединенная с резисторами плата для быстрой проверки немного бесполезна, однако она мне даже пригодилась в процессе покупки мультиметра из предыдущего обзора.

Плата на базе LM399 немного разочаровала, раз в несколько месяцев проверить мультиметр сойдет, но, скорее всего, элементы из «отбраковки». Меня такое точно не устроит.

Возможно в будущем я соберу либо основанный на двойном LM399, либо схему прям из даташита на компонентах купленных у авторизованного дилера.

Еще есть неплохой вариант от DIY-щиков из США. Жалко, что доставка и растаможка немного портят картину.