Układ elektroniczny cyfrowego syntezatora konduktancji do symulacji dużych rezystancji

Transkrypt

1 Pomiary Automatyka Robotyka, R. 9, Nr /05, 4 47, DOI: 0.4/PAR7/4 Układ elektroniczny cyfrowego syntezatora konduktancji do symulacji dużych rezystancji Jacek Korytkowski Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP, Al. Jerozolimskie 0, 0-46 Warszawa Streszczenie: W artykule przedstawiono nowy układ cyfrowej syntezy konduktancji, przeznaczony do symulacji dużych wartości rezystancji, złożony ze wzmacniaczy monolitycznych oraz cyfrowo sterowanego monolitycznego przetwornika cyfrowo-analogowego. Podano opis charakterystyki symulowanej konduktancji i rezystancji w funkcji sterującego sygnału cyfrowego. Przedstawiono schemat i wyniki badań charakterystyki modelowego układu symulatora konduktancji w przedziale zmian od 00 ns do ns, co odpowiada zmianom rezystancji od 0 MΩ do 000 MΩ. Układ modelowy realizuje cyfrową symulację charakterystyki konduktancji o błędach nieliniowości o wartościach poniżej 0,0% odnoszonych do pełnego zakresu symulacji 00 ns. Dla charakterystyki układu nieliniowej cyfrowej symulacji rezystancji błędy odnoszone do wartości aktualnie symulowanej rezystancji w przedziale od wartości 0 MΩ do wartości 00 MΩ są mniejsze od 0,%, a w przedziale do 000 MΩ błędy względne symulowanej rezystancji są mniejsze od %. Słowa kluczowe: wzmacniacz monolityczny, monolityczny przetwornik cyfrowo-analogowy, symulacja konduktancji, symulacja rezystancji. Wstęp Symulowanie rezystancji jest potrzebne we współczesnych mikroprocesorowych urządzeniach kontroli właściwości izolacyjnych sprzętu elektrycznego i elektronicznego w celu sprawdzania mierników pomiaru rezystancji o dużych wartościach. Symulatory te stanowią wyposażenie testerów przeznaczonych zarówno dla producentów sprzętu, jak i dla użytkowników sprzętu w celu zapewnienia bezpieczeństwa w trakcie eksploatacji tego sprzętu. Opisy sterowanych cyfrowo symulatorów rezystancji dużych (Ω) są nieliczne w polskiej literaturze technicznej [, ]. Są znane publikacje [ ] dotyczące metod wzorcowania mierników dużych rezystancji oraz symulatorów do wzorcowania megaomomierzy, jednak w tych publikacje nie są poruszane zagadnienia elektronicznych układów bezpośredniego cyfrowego sterowania symulowanej rezystancji. Różne sterowane cyfrowo symulatory konduktancji i rezystancji autor opisał w numerach 9/0 [9], 4/04 [0] miesięcznika Pomiary Automatyka Robotyka oraz w książce []. Nowy opracowany przez autora układ symulatora konduktancji do symulacji dużych wartości rezystancji zostanie opisany w niniejszym artykule. Układ ten należy do grupy układów nazywanych syntezatorami konduktancji (ang. conductance Autor korespondujący: Jacek Korytkowski, jkorytkowski@piap.pl Artykuł recenzowany nadesłany r., przyjęty do druku.0.05 r. Zezwala się na korzystanie z artykułu na warunkach licencji Creative Commons Uznanie autorstwa.0 synthesizers). Są to układy syntezy konduktancji wykorzystujące monolityczny przetwornik cyfrowo-analogowy oraz precyzyjne wzmacniacze monolityczne. Syntezator ten umożliwia wytwarzanie cyfrowo sterowanej konduktancji, bazując na wartości odniesienia rezystancji rezystora dokładnego i na wartości odpowiednio cyfrowo sterowanego wzmocnienia sygnału prądowego w układzie elektronicznym z przetwornikiem cyfrowo- -analogowym i z układem wzmacniaczy monolitycznych. Układ syntezatora konduktancji, będący przedmiotem artykułu, bazuje na przetworniku cyfrowo-analogowym [] -bitowym typu AD7545AKNZ []. Opracowany układ realizuje swoją funkcję przez proporcjonalne sterowanie sygnałem cyfrowym współczynnika wzmocnienia napięcia, które jest proporcjonalne do wartości napięcia na zaciskach wyjściowych symulatora, a napięcie to jest przetwarzane na prąd wymuszany między dwoma zaciskami wyjściowymi syntezatora. Wartość symulowanej konduktancji jest proporcjonalna do wartości wzmocnienia prądu oraz do wartości cyfrowego sterującego sygnału wejściowego. Układ syntezatora ma wspólny punkt sygnałowy napięciowego poziomu odniesienia ( zero zasilania 0 V ) połączony z jednym z dwu zacisków wyjściowych syntezatora łączonych bezpośrednio z układem pomiaru konduktancji lub pomiaru rezystancji, dla którego realizowana jest symulacja. Dzięki temu układ współpracy syntezatora z układem pomiaru konduktancji lub rezystancji jest odporny na zakłócające prądy pojemnościowe o częstotliwości 50 Hz sieci zasilającej. Syntezatory dużych rezystancji charakteryzują się małą wartością prądu na zaciskach wyjściowych syntezatora, rzędu 000 na. Z tego powodu precyzyjny monolityczny wzmacniacz formujący prąd wyjściowy powinien mieć prąd polaryzacji wejścia nie większy niż 0,5 na. Syntezatory dużych rezystancji są przystosowane do pracy przy dość dużym napięciu wyjściowym rzędu kilkunastu woltów. Użyty do sprawdzenia 4

2 Układ elektroniczny cyfrowego syntezatora konduktancji do symulacji dużych rezystancji dokładności charakterystyki układu modelowego syntezatora dokładny miernik cyfrowy firmy Keithley typu 00 na zakresach 0 MΩ, 00 MΩ oraz Ω stosuje napięcie wyjściowe do 4 V. Z tego powodu w układzie syntezatora zastosowano podwyższone napięcia zasilające ± V, co zapewniło napięciowe pole pracy wzmacniaczy przekraczające ±5 V. Z przeglądu współczesnych wzmacniaczy monolitycznych precyzyjnych [4] wybrano do realizacji syntezatora wzmacniacz monolityczny typu LT097CN [5] oraz wzmacniacze monolityczne specjalizowane typu LT6C [6], które spełniają powyższe wymagania.. Zasada działania syntezatora dużych rezystancji -IN IN U WA WB R R=4,7 k R=4,7 k R R5=0 k UWW R7 =0 k R6=0 k R =0 k OUT 6 W układzie elektronicznym syntezatora konduktancji wykorzystano monolityczne wzmacniacze specjalizowane realizujące algorytm różnicy dwu sygnałów napięciowych, przy czym wzmocnienie tej różnicy sygnałów jest ustalane tylko jednym dokładnym rezystorem R w szerokim zakresie, na przykład od wartości V/V do 000 V/V. Pozwala to na realizację analogowych układów sumujących przy zastosowaniu minimalnej liczby kosztownych rezystorów dokładnych. Wzmacniacze specjalizowane ( instrumentation amplifiers ) realizujące ten algorytm oferują takie firmy jak Analog Devices (np. AD, AD, AD4, AD4) oraz Linear Technology (np. LT6C). Wzmacniacze te mają bardzo dobre parametry charakterystyczne dla wzmacniaczy precyzyjnych w zakresie: małych wartości napięć niezrównoważenia, małych dryftów temperaturowych napięć niezrównoważenia, małych wartości prądów polaryzacji wejść, bardzo dużych wartości rezystancji dla napięcia wspólnego oraz zapewniają bardzo dobrą liniowość charakterystyki, a więc małe błędy współczynnika wzmocnienia napięciowego realizowanego algorytmu. Wzmacniacze są przystosowane do pracy przy napięciach zasilania do ± V lub ±0 V, są przydatne do realizacji układów syntezatorów dużych rezystancji. Wzmacniacze te są realizowane w technologii monolitycznej z wykorzystaniem laserowego strojenia wartości rezystorów dla zapewnienia właściwych parametrów układu monolitycznego. Zastosowany układ monolityczny LT6C stanowi zmodyfikowaną wersję układu wzmacniającego zawierającego trzy wzmacniacze operacyjne z dodatkowym stopniem na dwu tranzystorach npn wzmocnienia prądu wejściowego. Ten stopień wzmocnienia prądu wejściowego jest odpowiednio strojony, by uzyskać zerową wartość wejściowego napięcia niezrównoważenia całego wzmacniacza LT6C. Korzystając z opisów wzmacniacza AD4 [7] na rys. został przedstawiony uproszczony schemat funkcjonalny wzmacniacza LT6C. Na tym schemacie zostały pominięte źródła prądowe i źródła napięciowe reprezentujące takie parametry wzmacniaczy składowych, jak wejściowe napięcia niezrównoważenia oraz prądy polaryzacji wejść, których wartości są traktowane jako pomijalne. Pominięto także kondensatory zapewniające stabilną pracę układu w zakresie wzmocnień napięcia od V/V do 000 V/V oraz obwody zasilania wzmacniaczy. Jeżeli dla przedstawionego na rys. schematu przyjmiemy, że wartości wzmocnień napięciowych (w pętli otwartej) wzmacniaczy składowych W A, W B oraz W C są nieskończenie duże, R WC REF 5 Rys.. Schemat funkcjonalny wzmacniacza specjalizowanego typu LT6C Fig.. Functional block diagram of the instrumentation amplifier LT6C Uwy R=00 kω U= 00 R IS W4 R4=47Ω U4=05(USXC 00 RIS) więc: USXC 00 RIS, a stąd: XC wy 00 R US IS W R= 49,99Ω W U = US =UREF CA W U = ( US XC ) = US XC AND (0V) XC= a - a - a -. an -n Rys.. Schemat uproszczony syntezatora konduktancji do symulacji dużych wartości rezystancji Fig.. The simple circuits diagram of conductance synthesizer for simulation great worth of resistance 4 P O M I A R Y A U T O M A T Y K A R O B O T Y K A NR /05

3 Jacek Korytkowski to napięcie wyjściowe U WW pierwszego stopnia wzmocnienia opisze równanie: R R R R R U ( U U ) ( U U )( ). () WW = = R R Dla podanych na schemacie wartości rezystancji R 5 = R 6 = R 7 = R wzmocnienie napięciowe drugiego stopnia wzmacniacza składowego W C jest równe jedności, wzmacniacz ten służy do przetworzenia różnicowego napięcia wyjściowego stopnia pierwszego U WW na napięcie wyjściowe U wy odnoszone do punktu wspólnego układu wzmacniacza (zwanego 0 V ). Charakterystykę wzmacniacza LT6C opisuje następujące równanie: 49, 4 kω Uwy=( U U)( ) R Przy braku rezystora R (przerwa między końcówkami oraz, R = ) wzmocnienie napięciowe wzmacniacza jest równe V/V. Uproszczony schemat syntezatora konduktancji został podany na rys.. W układzie zastosowano jako W, W oraz W 4 monolityczne wzmacniacze specjalizowane typu LT6C o charakterystyce opisanej równaniem (). Jako wzmacniacz W zastosowano klasyczny precyzyjny monolityczny wzmacniacz operacyjny typu LT097CN. Taki układ syntezatora konduktancji do symulacji dużych wartości rezystancji został opracowany w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów PIAP w Warszawie i został oznaczony symbolem ZKAI00nS. Zakres zmian rezystancji od 0 MΩ (00 ns) do 000 MΩ ( ns) umożliwia sprawdzanie mierników rezystancji izolacji. Ponieważ parametr przewodności elektrycznej jest raczej rzadko stosowany, należy przypomnieć, że jednostką przewodności elektrycznej jest S zwany jednym simensem, a przewodność jednego simensa S odpowiada oporności jednego oma Ω. Układ syntezatora jest układem aktywnym, który wymusza prąd I S na swoich zaciskach wyjściowych i. Prąd ten ma w przybliżeniu wartość proporcjonalną do iloczynu U S, gdzie U S jest napięciem między zaciskami wyjściowymi i, stanowi wartość cyfrowego sygnału sterującego. Współczynnik proporcjonalności stanowi odwrotność wyrażenia 00 R (/00R ), gdzie wartość 00 V/V jest współczynnikiem wzmocnienia napięciowego wzmacniacza W wynikającym z wartości rezystancji R = 49,99 Ω. Zależność prądu I S od iloczynu U S wynika z działania wzmacniacza W 4, który dzięki bardzo małej wartości rezystora R 4 = 47 Ω ma bardzo dużą wartość wzmocnienia napięciowego, przekraczającą nieco 000 V/V. Układ wzmacniacza W 4 wymusza prąd I S na wejściu syntezatora. Układ wzmacniacza W 4 o dużym wzmocnieniu, wynoszącym 05 V/V, opisuje równanie: () U 4 = 05(U S 00 R I S ). () Prąd I S po przekształceniach równania () będzie opisany wzorem: przy sterującym sygnale cyfrowym = drugi składnik po prawej stronie równania jest przeszło 000 razy mniejszy od składnika pierwszego, gdyż napięcie U 4 jest nieco mniejsze od napięcia U S. Z równania (4) wynikają dwa wnioski: wymuszany prąd w symulatorze wykazuje z niewielkim błędem zależność proporcjonalną od sygnału cyfrowego według wzoru: I S UX S C = 00R. (5) podczas symulacji bardzo małych wartości konduktancji dla sygnału cyfrowego << należy skorygować stały błąd wynikający ze wzoru (4). Korzystając z przybliżonej zależności (5) można opisać symulowaną konduktancję wy między zaciskami i następującym wzorem: wy IS XC = U 00 R, (6) S gdzie liczba 00 jest współczynnikiem wzmocnienia wzmacniacza W liczonym w V/V, a R stanowi wartość rezystancji dokładnego rezystora. Wracając do schematu podanego na rys. można omówić działanie układu syntezatora konduktancji. Wzmacniacz specjalizowany W o dokładnym wzmocnieniu napięciowym V/V, w wyniku braku rezystora między punktami i (R = ) dokonuje inwersji napięcia na wyjściu syntezatora U S na napięcie ujemne: U = U S. (7) Napięcie U S stanowi napięcie referencyjne U REF = U przetwornika cyfrowo-analogowego CA. U REF = U = U S. () Wzmacniacz W realizuje swoją funkcję praktycznie izolując punkt wyjścia syntezatora od wejścia napięcia referencyjnego przetwornika CA. Rezystancja wejściowa wzmacniacza W (LT6C) jest większa od 00 Ω (typowo 50 Ω). Zastosowany w układzie syntezatora typ przetwornika CA [] wymaga stosowania na wyjściu wzmacniacza operacyjnego inwersyjnego W. Wzmacniacz W równoważy prądy formowane w przetworniku CA, według sygnału cyfrowego sterującego, z prądem swojego ujemnego sprzężenia zwrotnego przez rezystor zawarty wewnątrz przetwornika CA. Rezystor ujemnego sprzężenia zwrotnego inwersyjnego wzmacniacza W jest zawarty w scalonym przetworniku CA i ma takie same współczynniki temperaturowe zmian rezystancji od temperatury jak i pozostałe rezystory wewnętrzne tego przetwornika. Ogranicza to do minimum wpływ zmian temperatury nagrzewania własnego i zmian temperatury otoczenia na sygnał wyjściowy napięciowy U. Przetwornik CA ze wzmacniaczem inwersyjnym W formuje sygnał według wzoru: I S UX S C U4 =, (4) 00R 00 R 05 U = U X = ( U X)= UX (9) REF C S C S C 4

4 Układ elektroniczny cyfrowego syntezatora konduktancji do symulacji dużych rezystancji Układ przetwarzania napięcia U na sygnał prądowy I S syntezatora jest realizowany za pomocą wzmacniaczy W 4 oraz W typu LT6C. Wzmacniacz W o dokładnym wzmocnieniu napięciowym 00 V/V nastawionym za pomocą rezystora R = 49,99 Ω formuje sygnał napięciowy U proporcjonalny do wartości prądu I S syntezatora według wzoru: U = 00 R I S. (0) Prąd wyjściowy I S syntezatora jest wymuszany przez wzmacniacz W 4. Wzmacniacz W 4 o bardzo dużej wartości wzmocnienia napięciowego wynoszącej 05 V/V wynikającego z wartości rezystora R 4 = 47 Ω porównuje doprowadzone na swoje wejście napięcie U z napięciem wyjściowym U ze wzmacniacza U 4 doprowadzonym na wejście. Napięcie wyjściowe wzmacniacza W 4 oznaczone U 4, które wymusza prąd I S pobierany z wyjścia syntezatora zostało opisane wzorem (). Równanie prądu I S zostało opisane wzorem (4), z którego wynika wzór (6) opisujący charakterystykę syntezatora konduktancji. Podstawiając do wzoru (6) wartość dokładnego rezystora R = 00 kω otrzymamy następujący opis charakterystyki syntezatora konduktancji przy zastosowaniu n-bitowego przetwornika CA: wy = 00 ( a - a - a - a n -n ) ns. () Syntezator konduktancji może służyć do symulacji dużych wartości rezystancji. Charakterystyka symulacji rezystancji omawianego syntezatora konduktancji jest opisana wzorem:. () Opisany układ syntezatora konduktancji pracuje prawidłowo w zakresie zmian symulowanej rezystancji od 0 MΩ do Ω.. Opis modelu doświadczalnego syntezatora dużych rezystancji Pełny schemat układu syntezatora rezystancji o oznaczeniu ZKAI00nS został podany na rys.. W celu uzyskania lepszej przejrzystości na schemacie (rys. ) nie umieszczono na nim zastosowanych kondensatorów odprzęgających o pojemności 60 nf dołączonych między wspólny punkt AND do końcówek 7 poszczególnych wzmacniaczy W, W, W, W 4 dla dodatnich napięć zasilających U z oraz dołączonych między wspólny punkt AND do końcówek 4 tych wzmacniaczy dla ujemnych napięć zasilających U z. W celu rozszerzenia roboczego pola napięć wzmacniaczy do ±5 V, czego wymagają układy pomiaru rezystancji, w układzie zastosowano napięcia zasilające tych wzmacniaczy U z = V ±,5 V oraz U z = V ±,5 V. Przetwornik CA typu AD7545AKNZ [] ma doprowadzone dodatnie napięcie zasilające 5 V na końcówkę z diody Zenera D 6. Dla tego przetwornika zastosowano dwa kondensatory odprzęgające o pojemności 60 nf między końcówką a AND, oraz między końcówką a DND, stanowiącym wspólny punkt zasilania dla sygnałów cyfrowych kon- Nastawy wieloobrotowych potencjometrów strojeniowych P jest strojony aby wzmocnienie napięciowe W wynosiło 00,00 V/V ±000ppm. P jest strojony aby dla sygnału cyfrowego XC: a7=, a9=, a= symulowana wartość rezystancji na wyjściu wynosiła 999 MΩ ± MΩ (średnia z dziesięciu odczytów pomiarów). P i P są strojone dla polaryzacji na zacisku wyjścia tak, aby maksymalna wartość symulowanej rezystancji wynosiła 0,004 MΩ ±50 ppm. U= 00 R IS R=0k C=, µf Uz Uz W4 R4=R9=47Ω R=00 kω US IS R4=4,7k R5=4,7k k R= 49,99Ω R= 500Ω AND Uz Uz 7 4 ND (0 V) 5 W P=500k R= 00k R6=4,7k Uz Uz 7 4 R7=4,7k W P=00Ω U = US =UREF 5 P=00Ω 0 9 CA AD7545A D4 DND XC=a - a - a - a - D C=,µF P= D D R0=,k 0 kω R=,k 9, M Uz Uz R= Uz -Uz 7 4 W 5V 560 Ω Uz D6 Uz=V U=US XC 0V D5 DND= 0,5V kω -Uz= -V Rys.. Schemat syntezatora konduktancji ZKAI00nS Fig.. The schematic of ZKAI00nS conductance synthesizer 44 P O M I A R Y A U T O M A T Y K A R O B O T Y K A NR /05

5 Jacek Korytkowski densatorów tych nie pokazano na schemacie. Dla sygnałów cyfrowych przetwornika AD7545AKNZ zastosowano osobny wspólny punkt zasilania nazwany DND, zasilany z dodatkowego napięcia ujemnego o wartości około 0,5 V, a uzyskanego z odpowiednio zasilanej ujemnym napięciem diody krzemowej D 5. Zapewniło to brak zakłócającego działania sygnałów cyfrowych na obwód syntezatora rezystancji. Schemat (rys. ) zawiera układ wzmacniacza W typu LT097CN, który zapewnia inwersję sygnału wyjściowego U w stosunku do napięcia referencyjnego U REF przetwornika cyfrowo-analogowego AC. Układ tego przetwornika współpracuje ze wzmacniaczem monolitycznym W typu LT097CN [5]. Wzmacniacz ten ma bardzo dobre właściwości: typowa wartość wejściowego napięcia niezrównoważania tylko 0 μv, typowa wartość dryftu temperaturowego napięcia niezrównoważenia 0, μv/ C, typowa wartość dryftu długoterminowego napięcia niezrównoważenia to 0, μv w okresie jednego miesiąca, typowa wartość prądu polaryzacji wejścia 40 pa oraz duża typowa wartość współczynnika wzmocnienia napięciowego wynosząca,5 0 6 V/V. Jak wynika ze wzoru (4) dokładna charakterystyka wymuszanego na wyjściu prądu I S w funkcji napięcia wyjściowego U S nie jest proporcjonalna, lecz zawiera składnik zależny od napięcia wyjściowego U 4 wzmacniacza W 4. Dokładną charakterystykę symulatora można opisać wzorem: wy U4 U4 XC IS XC US XC US = = = ( ).() U 00R 00 RX R X 05 S C Patrząc na schemat (rys. ) można zauważyć, że napięcie U 4 jest tylko nieco mniejsze od napięcia U S, gdyż spadek napięcia na rezystorze R od prądu I S przy nominalnym wysterowaniu symulatora wynosi tylko jedną setną napięcia U S. Można przyjąć przybliżenie U 4 = U S. Wzór () przyjmuje postać następującą: wy XC = ( ). (4) 00 R X 05 C C Składnik drugi po prawej stronie równania można skompensować wprowadzając dodatni stały składnik korekcyjny wartości prądu I S wynikający ze wzoru (4). Dla nominalnej wartości sygnału cyfrowego = składnik ten będzie miał wartość ok. 05 ppm (0,%). Jest to składnik wynikający z ograniczonej wartości wzmocnienia napięciowego wzmacniacza W 4 wynoszącej 05 V/V. W układzie z rys. wprowadzenie kompensacji zostało zrealizowane za pomocą dodatkowej polaryzacji wejścia wzmacniacza W z potencjometru P przez szeregowy rezystor R o wartości 9, MΩ. Jednak dla małych wartości sygnału cyfrowego, np. = 0,0 składnik ten będzie osiągał wartość ok. 0%. Spowodowało to wprowadzenie odpowiedniej kolejności strojenia charakterystyki symulatora. W celu uzyskania dobrych dokładności symulatora, strojeniu podlega charakterystyka tylko dla jednej polaryzacji sygnałów wejściowych. Rodzaj polaryzacji wynika z narzuconych wymagań przez miernik rezystancji lub konduktancji, dla którego przeznaczony jest symulator. W praktyce, w miernikach takich stosowana jest przeważnie dodatnia polaryzacja napięcia zacisku wejściowego, oznaczonego na schemacie względem zacisku, oznaczonego na schemacie. Dalej podano opis strojenia symulatora dla wybranej polaryzacji dodatniej. Przy wymaganej polaryzacji napięcia zacisku ujemnej należy dokonać przestrojenia symulatora. Pierwszym etapem strojenia symulatora jest dobranie właściwego wzmocnienia napięciowego wzmacniacza W. W tym celu należy dołączyć do symulatora miernik odbieranej rezystancji o polaryzacji dodatniej. Po wybraniu sygnału cyfrowego maksymalnego (wszystkie bity mają wartość ) należy dołączyć woltomierz między AND i suwak potencjometru P. Suwak należy ustawić w takim położeniu, aby mierzone napięcie nie przekraczało ±50 μv. Następnie należy dobrać nastawę wzmocnienia wzmacniacza W dobierając odpowiednio nastawę suwaka potencjometru P, aby symulowana wartość rezystancji wynosiła 0,004 MΩ ±00 Ω. Drugim etapem strojenia jest odpowiednie dobranie nastawy potencjometru P, aby skompensować efekt ograniczonego wzmocnienia wzmacniacza W 4 przy symulacji największej wartości rezystancji 999 MΩ dla sygnału cyfrowego : a 7 =, a 9 =, a = z niedokładnością ± MΩ dla średniej z 0 kolejnych pomiarów rezystancji. Trzecim etapem strojenia jest taki dobór nastaw potencjometrów P i P, aby maksymalna wartość symulowanej rezystancji wynosiła 0,0044 MΩ ±50 Ω. Po zestrojeniu uzyskuje się charakterystykę konduktancji według wzoru (). Syntezator ma zakres konduktancji od 99,9756 ns dla pełnego wysterowania sygnału, do,00 ns dla minimalnej wartości konduktancji dla minimalnego sygnału : a 7 =, a 9 =, a =. Syntezator służy do symulacji dużych wartości rezystancji według wzoru (). Syntezator zapewnia nieliniową symulację wartości rezystancji od 0,0044 MΩ dla pełnego wysterowania sygnału, do 999 MΩ dla maksymalnej wartości rezystancji dla minimalnego sygnału : a 7 =, a 9 =, a =. Tabela. Wartości błędów względnych nieliniowości charakterystyki syntezatora konduktancji odniesione do pełnego jego zakresu 00 ns Table. The values of relative errors nonlinearity characteristic of synthesizer refer to full range 00 ns id ns 99,9756 0,0049 6, ,0000 9,990 5,0000 9,995 4,990,5000 MΩ 0,0070, , ,005 5,05 40, ,09 66,75 0,046 wy ns 99,970 79,9956 6,44 49,97 9,9755 4,9944 9,94 4,909,4977 δ wy 6 ppm 96 ppm 76 ppm ppm 47 ppm 56 ppm 0 ppm 9 ppm 7 ppm id ns 0,009,007 5,004 4,009,49,0096,6,45,0009 MΩ 00,056 5,45 00, 50,50 40, ,957 6,04 05,40 00, wy ns 9,994 7,990 4,99047,99,4696,996,609,459 0,9976 δ wy 50 ppm 70 ppm 44 ppm 0 ppm ppm 5 ppm ppm 5 ppm ppm 45

6 Układ elektroniczny cyfrowego syntezatora konduktancji do symulacji dużych rezystancji Tabela. Wartości błędów względnych charakterystyki rezystancji syntezatora odniesione do wartości aktualnie symulowanych rezystancji Table. The values of relative errors resistance characteristic of synthesizer refer to actually simulated resistance values id ns 99,9756 0,0049 6, ,0000 9,990 5,0000 9,995 4,990,5000 R id MΩ 0,0044,4994 6, , ,006 40, ,0 66,70 0,0000 MΩ 0,0070, , ,005 5,05 40, ,09 66,75 0,046 δ 6 ppm 0 ppm ppm 50 ppm 50 ppm 0 ppm 540 ppm 60 ppm 50 ppm id ns 0,009,007 5,004 4,009,49,0096,6,45,0009 R id MΩ 99,904 4,7 99,05 49,756 40,70 499,50 60,60 0,40 999,00 MΩ 00,056 5,45 00, 50,50 40, ,957 6,04 05,40 00, δ 490 ppm 0 ppm 90 ppm 00 ppm 90 ppm 900 ppm 700 ppm 40 ppm 0 ppm Jako rezystory R, R zastosowano precyzyjne rezystory o tolerancji ±0,% oraz o małych współczynnikach temperaturowych rezystancji ±5 ppm/ C. Rezystor R = 00 kω jest typu MF006BB00A0 []. Rezystor R stanowi połączenie szeregowe pięciu rezystorów o rezystancji 00 Ω typu MF006BB000A0 []. Rezystory R 0 i R o rezystancji, kω ±0,5% mają współczynnik temperaturowy ±50 ppm/ C. Pozostałe rezystory, niedecydujące bezpośrednio o dokładności symulatora, są rezystorami o tolerancji 5%. Wieloobrotowe potencjometry strojeniowe P, P, P, P są typu helitrim i mają współczynniki temperaturowe nie większe od 00 ppm/ C. W celu zabezpieczenia przed przepięciami obwodów wyjściowych przetwornika CA, na jego końcówkach, oraz zastosowano, jako diody ograniczające napięcia D, D, D, D 4 stanowiące złącza kolektor baza tranzystorów BC07 o dość dużym napięciu ograniczenia ok. 60 mv, znacznie wyższym od dodatkowego ujemnego napięcia zasilania ( 0,5 V) DND. Dla zapewnienia stabilnej pracy układu wzmacniaczy objętych ujemnymi sprzężeniami zwrotnymi konieczne było zastosowanie, w miejscach podanych na schemacie, kondensatorów foliowych C oraz C o pojemności, μf typu MKSE. Po uruchomieniu układu modelowego sprawdzono charakterystyki stosując multimetr cyfrowy typ 00 firmy Keithley. Multimetr ten na zakresie 0 MΩ zapewnia niedokładność krótkoterminową (4 h) ±50 ppm, a na zakresie Ω jego niedokładność krótkoterminowa wynosi 750 ppm wartości mierzonej. Wyniki badania charakterystyki modelowego układu syntezatora konduktancji ZKAI00nS przeznaczonego do liniowej symulacji konduktancji o zakresie zmian od 99,9756 ns do,00 ns podano w tab.. W tabeli podano wyniki badania nieliniowej symulacji rezystancji w zakresie zmian od 0,0044 MΩ do 999 MΩ. Symbolem id oznaczono idealną wartość zadawanej konduktancji sygnałem cyfrowym. Symbolem R id oznaczono idealną wartość zadawanej rezystancji. Symbolem oznaczono średnie wartości zmierzone multimetrem symulowanej wartości rezystancji, a symbolem wy oznaczono wyliczone średnie wartości symulowanej konduktancji. Z powodu niemałej krótkoterminowej niedokładności multimetru (±750 ppm/4 h), w poszczególnych punktach charakterystyki wykonywano po kilkanaście odczytów pomiarów, a w tabelach wpisano wartości średnie z tych odczytów. Ze względu na inercyjny charakter układu, po wybraniu sygnału cyfrowego danego punktu charakterystyki, pomiary rozpoczynano po odczekaniu jednej minuty. Największy błąd nieliniowości charakterystyki nie przekracza 76 ppm. Błąd przy minimalnej wartości sygnału cyfrowego (a 7 =, a 9 =, a = ) to tylko ppm. Celem badań eksperymentalnych, w których wykorzystano -bitowy tani przetwornik CA [] i wzmacniacze monolityczne o umiarkowanej cenie, było sprawdzenie charakterystyki całego układu syntezatora. Uzyskano błąd nieliniowości 0,0%, nieco większy niż graniczny błąd nieliniowości tego przetwornika (relative accuracy []) wynoszący ±/ LSB (0,0 %). Największy błąd względny symulowanej rezystancji badanego modelu odniesiony do wartości aktualnie symulowanej w zakresie od 0 MΩ do 00 MΩ nie przekracza 0,5% (500 ppm), a w zakresie od 00 MΩ do 000 MΩ nie przekracza 0,4% (4000 ppm). 4. Wnioski Opracowany układ syntezatora konduktancji ZKAI00nS umożliwia nieliniowe w funkcji zmian sygnału cyfrowego symulowanie dużych wartości rezystancji w zakresie do 00 MΩ z błędami poniżej 0,% oraz w zakresie do 000 MΩ też z umiarkowanymi błędami poniżej %. Zaletą opisanego w artykule syntezatora rezystancji jest wspólny punkt sygnałowy AND jego układu elektronicznego z wyjściem syntezatora oznaczonym, co zapewnia odporność na działania przez pojemności zakłócających źródeł prądowych o częstotliwości 50 Hz z sieci zasilającej. Bibliografia. Urbański K., Kalibrator wielkich rezystancji sterowany za pomocą komputera. Komisja Metrologii PAN. Konferencja Podstawowe Problemy Metrologii PPM 9, liwice, 99.. Szmytkiewicz J., Adjustacja kalibratorów rezystancji. Pomiary, Automatyka, Kontrola, nr 6 bis Lisowski M.: Metody wzorcowania analogowych mierników bardzo dużych rezystancji. Część I: Metoda bezpośrednia. Pomiary, Automatyka, Kontrola. Vol. 49, nr 6/00, Lisowski M., Metody wzorcowania analogowych mierników bardzo dużych rezystancji. Część II: Metoda interpolacyjna i metody pośrednie. Pomiary, Automatyka, Kontrola. Vol. 49, nr 6/00, Lisowski M., Metody wzorcowania cyfrowych mierników bardzo dużych rezystancji. Pomiary, Automatyka, Kontrola. Vol. 5, nr 0/005, uzik J., Aktywny imitator rezystancji do wzorcowania megaomomierzy. Pomiary, Automatyka, Kontrola. Vol. 55, nr 9/009, uzik J., Pilśniak A., Rochiński P., Uogólniony model matematyczny imitatora dużych rezystancji. Materiały 46 P O M I A R Y A U T O M A T Y K A R O B O T Y K A NR /05

7 Jacek Korytkowski Konferencji Podstawowe Problemy Metrologii, PPM 0, Krynica-Zdrój, 5 czerwca 0.. uzik J., Topór-Kamiński L., Imitatory rezystancji izolacji elektrycznej. Pomiary, Automatyka, Kontrola. Vol. 59, nr 6/0, s Korytkowski J., Układ elektroniczny cyfrowej syntezy konduktancji, Pomiary Automatyka Robotyka, nr 9/0, Korytkowski J., Układ elektroniczny cyfrowej symulacji rezystancji o średnich wartościach. Pomiary Automatyka Robotyka, nr 4/04, Korytkowski J.: Elektroniczne symulatory rezystancji i konduktancji w układach pomiarowych. Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa 04.. Korytkowski J., Układy przetwarzania cyfrowo-analogowego oraz właściwości scalonych przetworników CA. Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa 0.. Analog Devices, CMOS -Bit Buffered Multiplying DAC AD7545A. Analog Devices Inc. 000 rev.c, 4. Korytkowski J., Liniowe i nieliniowe układy ze wzmacniaczami monolitycznymi w urządzeniach pomiarowych. Oficyna Wydawnicza PIAP, Warszawa Linear Technology: LT097, Low Cost, Low Power, Precision Op Amp, 99, 6. LINEAR TECHNOLOY: LT6 Low Power, Single Resistor ain Programmable, Precision Instrumentation Amplifier. LT/LWI0906 REV A. LINEAR TECHNOLOY CORPORATION 000, LT6. 7. ANALO DEVICES: Low Noise, Low ain Drift, = 000 Instrumentation Amplifier AD4. D /(A). Rev A. 0-0 Analog Devices. ROYAL OHM: PRECISION METAL FILM FIXED RESISTORS, eneral Specyfications , caff7c/mp06w.pdf. The electronic circuit for digital controlled simulation of large worth resistances Abstract: The paper describes the electronic circuit for digital controlled conductance synthesis including monolithic amplifies and monolithic digital-analogue converter. On fig. it is shown the electronic schematic of this digital controlled conductance synthesizer. It was formulated equations as the characteristic description of this synthesizer. The experimental examination results of synthesizer model for resistance at the range from 0 MΩ to 000 MΩ are described. The elaborated electronic circuit of resistance synthesizer have good qualities of resistance characteristic accuracy. The errors are better than 0,% for simulation the resistance from 0 MΩ to 00 MΩ and errors are better than % for simulation the resistance to 000 MΩ. Keywords: monolithic amplifier, monolithic digital-analogue converter, conductance simulation, resistance simulation dr inż. Jacek Korytkowski, prof. PIAP jkorytkowski@piap.pl Ukończył Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej w 956 r., doktorat 97 r., docent 97 r., prof. nzw. 00 r. Kierownik Pracowni w Instytucie Elektrotechniki w latach Kierownik Zespołu w Przemysłowym Instytucie Automatyki i Pomiarów w latach W okresie 97 9 starszy wykładowca i docent na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej. Jest laureatem kilkunastu nagród za wdrożenia przemysłowe, w tym Zespołowej Nagrody Państwowej. stopnia w 976 r. Ma w swoim dorobku jako autor, współautor lub tłumacz: 9 wydawnictw książkowych, jest autorem lub współautorem 64 publikacji oraz 4 patentów polskich. Jest specjalistą w dziedzinie elektroniki przemysłowej. 47

8 NR /05 4 P O M I A R Y A U T O M A T Y K A R O B O T Y K A NR /05