*非常*高精度,*非常*稳定的电流源

电器工程 力量 当前的 资源 精确
2022-02-05 18:18:24

我的背景:实验物理学。不是电气工程师,但我有一些为物理实验组装基本电子电路的经验。所以请善待并解释一下,就好像我是一个菜鸟一样。谢谢!

我正在尝试做的事情:在数百小时的时间内对通过负载的电荷进行非常准确的(<10 ppm 精度,5ppm 理想)测量。电流通常在 50 mA 和 500 mA 之间。

通常,这是使用现成的可编程高精度 <10 ppm 精密电流源来驱动负载,并使用经过校准的精密电阻器和高精度万用表在低端单独测量电流来完成的。然后将万用表的测量值整合以估计库仑。校准后的电阻器和万用表在培养箱中进行温度稳定,以最大限度地减少热漂移。

现在我的问题是这些精密电流源很昂贵,我需要以相对便宜的价格构建其中的几个设置。

因此,我需要构建一个精度<10ppm、50-500 mA 的电流源和接收器,它可以在数百小时内保持稳定和低噪声。设定点精度不是很重要,因为无论如何我都会单独测量电流。但是电流确实需要非常稳定和精确,这样我就不必采集太多样本来获得积分库仑的高精度。(请记住,测量将持续数百小时,因此最多每十或二十秒采样一次是可行的,否则将有太多数据需要处理)。电流源不需要可编程,只要我可以改变一个或两个缩放电阻来改变特定实验的设定点。(缩放电阻器和电源通常可以在培养箱中进行温度稳定)

现在我阅读的所有技术说明和论坛的精度最高为 0.01% (100 ppm) 或 0.005% (50 ppm)。我需要比这更好的东西,而且我还没有找到在线执行此操作的策略。关于如何做到这一点的任何想法?

在此先感谢您的帮助!

4个回答

首先,您不需要精密电流源。原因在于,从本质上讲,电流源的工作原理是测量通过电阻器的电流,然后关闭电流测量和精密电压源周围的反馈回路。由于您只想测量通过负载的电流(以及充电量),因此不需要精确的参考电压。只要您精确测量电流,您就可以使用相当草率的源。

那么,如何测量电流呢?嗯,这(原则上)非常简单。您只需测量与负载串联的电阻器上的电压,通常称为分流电阻器。当然,您并没有表示需要当前级别的极端稳定性,如果是,您确实需要担心这一点。

不幸的是,你已经对你的要求做了很多。您需要相当高的电流以保持稳定性。这将满足您的要求,因为自热将成为主要参与者。让我们从基线系统开始。让我们假设您希望在全电流下通过分流器的电压为 1 伏。那么耗散的功率将为 1/2 瓦,目标电阻为 2 欧姆。这将在电阻器中引起显着的自热。访问 digikey.com,开始查看低温度系数电阻器。让我们计算一下使用 10 ppm/摄氏度单位。将搜索限制在库存电阻器中,您会注意到可用的高功率单元仍然小于 1/2 瓦,而且它们通常没有库存,最低购买 4000 个单元(诚然,40 美分一个流行,但这仍然是大约 1600 美元)。更差,

一旦达到 1/8 瓦,您就可以找到 10 欧姆单位。如果你把 5 个并联,你会得到 0.625 瓦的 2 欧姆。然而,这将是不可行的。各个电阻器的额定温度为 70 C,或高于环境温度 50 度。这当然会产生标称 500 ppm 的热漂移。事实上,如果你要找到它们,你需要大约 0.2 ppm 的单个温度系数。

考虑到这一点,请查看https://www.digikey.com/products/en/resistors/chip-resistor-surface-mount/52?k=&pkeyword=&pv2085=u10+Ohms&pv2=4&FV=ffe00034%2C4400c9&mnonly=0&ColumnSort =0&page=1&stock=1&quantity=0&ptm=0&fid=0&pageSize=25你会发现 0.2 ppm/deg, 10 ohm, 1/4 W. 你可以把 4 或 5 并联起来,你应该没问题。不仅 TCR 低,PCR 在 70C 时为 5 ppm。诚然,在单一来源中吞下一半的错误预算只是自找麻烦,但这通常是廉价做事的游戏的一部分。您一直在寻找的当前资源成本如此之高是有充分理由的。当然,它们(指定的电阻器)将花费您大约 50 - 60 美元。那是问题吗?那是“便宜”吗?

嗯,它肯定比你一直在寻找的那种电流源便宜得多。考虑为分流器进行适当的冷却绝对是个好主意,但无论如何这都是个好主意。

当我们这样做时,您应该意识到您的仪表要求超出了通常的廉价界限。您需要至少 0.001% 的线性度和至少 5 1/2 位数字万用表。如果您要推出自己的 A/D,则至少需要 17 位。

这种宽动态范围和高精度意味着您需要注意对输入噪声的敏感性。当然,如果您要做的只是将样本相加,您将获得相当大的噪声平均,尽管在这种情况下,更高的采样率总比低的好。

在这两种情况下,都不清楚为什么需要如此低的数据采集率。当然,这是很多数据,但除非您要让工人轮班进行测量,否则 200 小时的数据只有 720,000 秒。假设每个样本 10 个字节,那么文件大小仅为 7.2 MB。即使是低级的 FAT32 也可以容纳大约 500 倍的数量。另一方面,即使假设每个样本 10 秒,你真的会尝试手动处理 72000 个数据点吗?几个设置?很难想象为什么将数据采集和数据缩减都自动化是没有意义的。至少,您几乎可以轻松地在 Excel 中进行简单的总计。

我倾向于同意托尼·斯图尔特的观点,即这不是一个适合初学者的项目。如果您绝对必须自己做,我会选择一个制作精良的分流器,然后使用像 Measurement Computing 这样的公司提供的商业 DAQ。您可以获得一个 8 通道、24 位 DAQ 软件,该软件将执行 2 个样本/秒,价格略高于 400 美元。输入偏移温度系数小于 0.5 uV/deg,因此您可能不需要考虑仪器的气候控制。再说一次,增益温度系数约为 4 ppm/度,所以你可能会这样做。

编辑 - 我没有使用评论来回复评论,而是扩展了这个答案。

也许,我误解了您的要求。据我了解您的帖子,您对流经负载的总电荷感兴趣。您没有说过区分流入负载的电流和通过分流电阻的电流。换句话说,您给人的印象是负载输入等于负载输出电流,如果您测量一个,则测量另一个。在这种情况下,几乎不需要精确的来源,至少在您认为的意义上不是。如果您将电流测量到 10 ppm,那么这是您能做的最好的事情。如果它在样本之间发生一些变化,那么只要该变化与样本间隔不相关,它就会全部出现在洗涤中。

一方面,是的,一定程度的稳定性是必要的。然而,我的观点是,它不需要像你想象的那么好。是的,如果当前级别随时间变化,则有必要对其进行跟踪。然而,除非变化(可以被认为是噪声)与采样时间相关,否则长时间的数据运行将平均掉这种噪声。换句话说,稳定性问题往往会在考虑的长期运行中被过滤掉。原则上,您总是有可能获得累积错误,但这应该不是什么大问题。在这种情况下,稳定性意味着超过 10 秒的稳定性,这并不难。

我应该量化我的条款,尤其是稳定性。电流源中的 0.01% (100 ppm) 并不困难或昂贵,尽管 0.1% 更容易。如果您使用我建议的那种低温度系数分流器,您可以使用该电压来控制您的电流源,参考电压成为限制因素,其次是放大器偏移。

此外,温度控制很容易被误导为“简单”,在某些方面确实如此。然而,除非你量化你的控制,否则你无法知道它是否足够。您不能只提供散热器并确保问题得到解决。就此而言,您甚至不知道一开始是否存在问题。

10 ppm 漂移相当于直流时的 100 dB SNR,这需要一个经过高温处理的电流传感器来实现稳定感测和极低噪声调节器。然后是具有 20 位分辨率和 18 位精度的 ADC,它也需要进行热调节。吉时利可能会以 5000 美元的价格制造这种仪器。没有经验DIY?好运。

我们制造精密电流源已超过 26 年,可以提供一些建议。对于电流感应,根据您的功率使用 Vishay VPR221Z 系列或 VCS331Z。为获得最佳效果,尽管温度系数为 0.2ppm/°C,但仍对检测电阻器进行散热。使用仪表级放大器(例如 INA103)进行电流检测以及负载上的电压检测。对于参考电压,请选择您能负担得起的最佳参考电压,例如 AD587,并使用配置为低通滤波器的 AD797 等运算放大器对其进行缓冲。尽可能减少当前的伺服环路带宽,包括通过元件。通过屏蔽电路板消除杂散气流。将 10 ohm 与所有 IC 串联,并返回 0.1uF。使用光隔离器或更新的等效器件将模拟部分与数字部分隔离开来。在 PCB 上使用具有分布电容的线性电源。模拟部分使用单独的电源,数字部分没有公共返回。务必使用带有麦加点的单独退货,以最大限度地减少铜偏移。隔离用于内层屏蔽的各种覆铜,以便隔离模拟电压与隔离电流源电压分开,除非在一个精心选择的点。计划多次旋转电路板。隔离用于内层屏蔽的各种覆铜,以便隔离模拟电压与隔离电流源电压分开,除非在一个精心选择的点。计划多次旋转电路板。隔离用于内层屏蔽的各种覆铜,以便隔离模拟电压与隔离电流源电压分开,除非在一个精心选择的点。计划多次旋转电路板。

此链接显示了一个具有大约 10ppm 稳定性的精密电流基准电路http://www.ti.com/lit/an/sbva001/sbva001.pdf