简易基准分压源

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一．需求与设计

１）需求

１－１        基本点电压为：1V、2V、3V、4V、5V、6V、7V、8V、9V、10V。

１－２        十倍率变换：0.1V~1.0V。

１－３        二倍率变换：将上述范围乘以2。

１－４        -2.5、-5、-10版本可板上替换。


２）说明

２－１        通过倍率变换，将输出控制在0.1V~20V的范围内，用于校正低端测量仪器的低压直流电压准确度。

２－２        基准源使用LT1019/LT1021系列，其中2.5V、5V、10V档应做到能够板上替换。


３）设计

３－１        供电

        　　供电仍然采用三端稳压器，输入电压在12V~32V之间，以便适应多种电源。

        　　由于输出电压最高达到20V，所以要求供电电源的电压不能低于22V，因而总的电源电压的范围是22V~32V。

        三端稳压器的供电对象主要是基准级和变换级，两者的总消耗电流不过2mA，使用78L12完全够应付了。

３－２        基准

        　　基准LT1019的最大输出是10V，则要求供电电压至少12V。可能的来源从2.5V~10V都有，并且初始精度从0.2%~0.05%都有，因此要求可以在最大±0.2%范围内调节输出电压，并可根据输出电压型号做替换调节。

３－３        变换

        　　内部变换用于将2.5V、5V或10V的基准输出电压变换到统一的10V，由一个LT1012作为运放一来完成。

        　　可在运放一LT1012负反馈支路中调节下偏置电阻，使比例分别为1:3、1:1或者0。电阻的比例匹配要求至少在±0.01%内。偏置电阻可选用现存的RX70、蓝色塑料块等精密电阻，TCR在±5ppm~±15ppm之间，阻值准确度为±0.1%~±0.05%。所有比例电阻的TCR方向都必须一致，大小越接近越好。

        　　内部10V输出还应当能够分别变换到0.1V~1V和2V~20V，这由另一个运放二LT1012来完成。正常状态下运放二处于1:1跟随器模式，变换后为10:1、1:1和1:2。这要求供电电压至少高于运放二的输出电压2V，即22V以上。变换用的分压器电阻要求与上述相同。

        　　运放二的供电直接接到电源的正输入端，不通过三端稳压器。

        　　运放二的输出通过一个场效应管来进行扩流，使正输出电流可以达到10mA。这样做的目的是为了尽可能地减小运放二的输出负载，以使负载调整率降到0.01%以下。

３－４        输出分压器

        　　输出需要考虑外部的负载情况。对于指针类型的被校设备为20KΩ/V的输入电阻，分压器对被测设备的输入电阻旁路而产生的误差最多不能超过0.1%，于是分压器的电阻就必须小于20Ω。显然这对于输出运放的要求比较高。而因为电流也大了，对分压器的要求也随之增高。

        　　整个分压器上输出端内阻最小的电压点是分压器的顶端，即1V、10V、20V。这样在校准指针类型的表时，可以使用内阻最小的电压点，这就解决了被测设备输入电阻低而产生的问题。

        　　对于数字表，普通低端表的输入电阻都在10MΩ左右，且所有量程是一致的，这样对于要求的分压器电阻，旁路效应不能超过0.01%。或者说，分压器的总电阻不能大于10KΩ。而由于数字表最后一位十进制数字有1/2个数的不定误差，所以还需再将分压器总电阻降到5KΩ。

        　　输出分压器有十个点，需要十个500Ω的电阻，每个500Ω的电阻可由两个1KΩ电阻器并联实现，这样每一档的不确定度可以进一步减小为1/sqrt2，TCR也依此比例降低。

        　　经过这样配置以后，分压器上在最大电压时获得的总功率为(20)²/5000=4/50=0.08W，分配到20个电阻中的每个电阻器上的功率为0.08/20=0.004W=4mW。4mW的功率对于250mW的电阻器所产生的热量只有全功率时的1.6%，按功率5%原则，其影响完全可以忽略。

３－５        误差分析

        　　在LT1019的图例中，±0.2%调节范围使用的电阻器对TCR没有要求，换句话说，电阻器的TCR对器件的调节没有影响。例如-300ppm的TCR，对于调节范围也就是±0.00006%的影响，无关紧要。

        　　对于变换级的运放一LT1012，Vos的最大TCR为1µV/°C，在LT1019适宜工作的20~40°C范围内，变化为20µV，则在进行了1:4的升压后，输出变动范围为80µV，相对于10V电压，变动值为8ppm。

        　　LT1019在20°C到25°C时温度特性平稳，变化大约0.几ppm，而25°C~40°C的特性曲线是负向变化的，这时的总变动值为-1.7ppm左右，算来这时候的TCR为-0.113ppm/°C。总变动值与运放一的变动值相加，为8+(-1.7)=6.3ppm，而此时TCR=6.3/20=0.315ppm/°C。

        　　作为输出缓冲的运放二的TL1012，将分为三种情况来分析。

        　　第一种是1:1输出，这时的输入变动不变，而本身的变动为20µV，对于输出10V为2ppm，加上前级的6.3ppm，等于8.3ppm总变动，此时TCR=8.3/20=0.415ppm/°C。

        　　第二种情况是1:2输出，前级的变动加上自身的变动放大一倍后对于20V的输出，仍然是8.3ppm，因而TCR还是0.415ppm/°C。

        　　第三种情况是10:1输出，前级的变动降低为0.63ppm，本级的变动是20µV未变，相对于输出1V，为20ppm，加上前级变动的值，等于20.63ppm，这样算来TCR为20.63/20=1.0315ppm/°C，比10V和20V的输出要差将近三倍。

        　　这样，有源器件在20°C~40°C温度范围内，10V和20V档总的温度系数TCR为0.415ppm/°C，1V档总的温度系数为1.0315ppm/°C，这对于简易基准源来说，已经非常满意了。

        　　另外三个误差来源是变换级的升压电阻、缓冲输出级的变换电阻和输出分压器。

        　　升压电阻可以使用TCR在5ppm~15ppm的0.1%精密电阻器，按测出的温度系数大致配对使用，在四位半表的情况下，控制的范围大约是±9ppm，这也提示了本设计的主要误差来源范围。

        　　缓冲输出级的变换电阻情况和升压电阻相同。

        　　输出分压器同样如此，不过输出分压器使用了阻值相同的同值电阻，因而其阻值的匹配、温度系数的匹配都比较容易，且因数量较多，温度系数相反的的可以两两相配，这就使输出分压器的匹配质量会比前述电阻要高一些。

        　　一般地，变换电阻的温度系数可以与升压电阻的温度系数相反而匹配，输出分压器则可以分配为同温度系数或零温度系数，这样总的温度系数将可控制到-7.9685ppm/°C~+10.0315ppm/°C范围内。

        　　最后要考虑的是供电电压变动引起的输出变化。基准和变换级的供电由三端稳压器完成，不存在这个问题，而缓冲输出级的供电由输入电源直接提供。

        　　按LT1012的Datasheet所载数据，电源电压抑制比（PSRR）最低为108dB，即将近4ppm，等于4µV/V，而从22V到32V的变化，将产生40µV的最大输出变化。

        　　影响最大的是0.1V~1V档。40µV在输出1V时产生40ppm的变化，1V以下由分压器完成输出，这个影响比例不变。

        　　2V档的影响递减，为20ppm。10V输出时为4ppm，20V输出时为2ppm。

        　　考虑上述因素，输入电源的电压稳定在24V比较合适，这可以适应大多数供电情况。在24V供电时调整好的输出，由PSRR引起的变动是固定的，可以分别扣除。如果在10V时为1ppm，那么在20V时为0.5ppm、2V时为5ppm、1V时为10ppm。

３－６        工作条件／性能

        　　输入电源电压范围为22~32V，建议的电压为24V。

        　　运行环境温度为20°C~40°C。

        　　输出电压范围：0.1V~1V，1V~10V，2V~20V。

        　　输出电流范围：0~+10mA。

        　　负载调整率：-1ppm/10mA。

        　　输出内阻范围：5KΩ/V，0.5KΩ/V，0.25KΩ/V。

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二．详细设计

１）根据概要设计确定的电路：



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2011-7-9 13:32 上传

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２）对设计中需要用到的电阻器进行了分拣测试，测试数据如下：

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三．调试记录

１）调试目的

１－１        使成品成为可用。

１－２        分拣购入的二手基准芯片。

１－３        标定测量设备本身的温度系数。


２）调试过程

２－１        微调电位器P1、P2预先设置于中点，芯片规格开关S1和输出范围倍率开关S2均设置在“00”状态。现在的基准输出电压将直通输出分压器而不受任何内插控制的干扰。

        分别插上LT1019CN8-2.5基准芯片和两片LT1012运放芯片，确保接触良好。

        通过输入电源接口将24V电源接入。检查所有的节点是否电压正常。一般地，T2-T3之间的电压等于T1-T3之间的电压，CK6_10-T3之间的电压基本上等于T1-T3之间的电压。

２－２        购入的两种型号三种规格共十八块基准芯片已经编号，在T1-T3端子上按编号依此测量每个芯片的输出电压，测量结果如下图：

　　　


２－３        对每一个基准芯片都进行温度系数的测试。

　　　

        测试方法：

        用一个超市买的小蜜饯盒实现，这种盒子大约100mmX100mmX30mm大小，正合适用于各类器件的温度测试，对于7cmX9cm的洞洞板也正好放入。

　　　

        各类测试接线通过盒边剪开的缺口进出，温度探头可以用胶带固定在板上或悬空。比较推荐用胶带固定，这样测得的温度比较稳定，不容易跳跃。

        盖子盖上后两边会有缝，这些缝要留着以便通过气流加热。用透明胶带将盒子简单地绑一圈，要确保可以打开合上自如。

　　　

        用电吹风从一边的盒缝向另一边的盒缝吹风，同时观察温度表的温度变化情况。一般地，从30°C升到50°C大约需要一分钟，并且在电吹风移开后温度还会继续上升大约5°C。

        别看这么一个小盒子两边都开孔，加温以后的保温能力还是蛮强的，从55°C降到45°C至少需要十五分钟，所以有充足的时间使内部器件的温度场趋向一致和均衡。完全降到室温需要的时间是一个天文数字，所以在读取了50°C时的读数后就可以开盖降温了。

　　　

        测试结果列于下表一：

       



        下表二是对实测值和偏差进行分规格统计：

       

２－４        测试输出分压器的温度系数，这也是件很重要的事情。如果基准有足够的精度和稳定性，但输出分压器温度系数大了，就会影响输出电压的稳定度和准确度，因此需要测定，以便心中有数。

        测试时所使用的基准芯片，是1107-06#基准芯片。这块芯片的温度系数是5ppm。

       


        测试结果如下表三：

       

        总温度系数是各部件温度系数的叠加，所以需要扣除基准的温度系数。最后得到的分压器温度系数为TC2栏中的数值。

        可以看到，精心选用合适的器件和采用正确的方法，DIY的设备也能很容易地步入百万分之一数量级的领域。

２－５        输出调整。

        在完成上述测试之后，将基准换成了1107-12#芯片。

        设置S1为“00”，S2为“00”，给CK1加上短路块。

        上电30分钟后，按表一中同型矫正的数值，调节P1使输出为9.998V，并使电压保持在末位数字“7”与“8”之间不断闪烁的状态。

        IC2与IC3两级都有10µF的负反馈电容器，时间常数的总值在3秒左右，因此每次调节后都需要等待较长的时间。

        十分钟以后，设置S2为“01”，调节P2使输出为19.995V，并使末位数字“5”保持稳定。

        此时P1和P2不应再变动，最好用少许705胶固定一下。

２－６        测量表标定。

        所使用的测量表是VC980。很久以来就怀疑这块表有较大的温度系数，但没有合适的设备来测量，这使得到的数据多少总有盲人摸象的感觉。这次借基准制作的机会，设计了简单的方法来得到这一数据。

        在对基准芯片进行的温度系数测量中，测量表位于自由空气环境下，在全部测量过程中环境温度相对稳定，所得到的数据都是相对值，因而所获数据可以采信。

        LT1021基准芯片在全部芯片的测试中表现最好，测量结果与Datasheet所载特性相当一致，且在0°C~75°C范围内几乎是水平的，故使用这一类型来反向测试测量表的温度特性应是可行的。

        LT1021-10的温度特性：

　　　


        在31.5°C和28°C时对LT1021BCN8-10进行的输出电压测试表明，测量表有3mV的正偏差，这相当于85.7ppm的正温度系数。这意味着在23°C时的10V测量值，将比33°C时得到的值要减少8mV的显示数。

        这个温度系数的值现在还不能作为固定偏移扣除，需要使用更精细的方法加以确认。

２－７        负载调整率测试。

        在10V输出状态下进行测试。准备一支1KΩ的电阻器，用测量表的200mV档观察IC2两个输入端的电压差。当输出端连接或断开1KΩ电阻器时，显示值没有变化。

        200mV档的分辨率为10µV，显示值没有变化说明输出变化小于这个值，即小于1ppm。

２－８        容性负载能力测试。

        在10V输出状态下进行测试。输出接测量表的20V档观察，当接上2200µF电容器时，显示值立刻跌落到9.935V，随后在2秒内恢复到设定值。


３）结果与结论

３－１        成品的最终温度特性在最坏情况下的温度系数为+3.33ppm/°C和-5ppm/°C。在分压比为1.0和0.8时的温度系数为0。

３－２        成品输出电压的最终准确度为±0.05%。如果矫正值是可信的，那么在0~50°C的使用温度范围的准确度可优于±0.01%，这有待于条件具备时再作确认。

３－３        在LT1012的控制下，极高的增益、良好的幅频补偿特性、优良的温度特性和长期稳定性使输出具有可靠稳定的特点。

３－４        在集成基准中，LT1021具有最平缓的温度特性。

３－５        通过正确的技术路线和实施方法，采用合格的有一定精度的大众型元器件，业余条件下也能做出不确定度达±5ppm的工具和产品。

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四．参考资源

１）文中所用器件，LT1019为4.5元一个，LT1021为3.8元一个，LT1012为2元一个，均是二手货。

２）主要电阻器均使用1%精度的编带1/4W金属膜电阻器，推荐使用国产RJ14和RJ24型。

３）所用有源器件的资料：

　　 2N7000.pdf (109.81 KB, 下载次数: 932)

2011-7-9 14:07 上传

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　　 LT1012.pdf (335.26 KB, 下载次数: 860)

2011-7-9 14:08 上传

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　　 LT1019.pdf (161.44 KB, 下载次数: 1099)

2011-7-9 14:08 上传

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　　 LT1021.pdf (228.35 KB, 下载次数: 934)

2011-7-9 14:09 上传

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（完）

眉间尺

鸿篇巨制。

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鸿篇巨制。
眉间尺 发表于 2011-7-9 15:26

这么小个玩艺儿也叫．．．？

aihaozhe

简易基准分压源，做个记号

眉间尺

小马过河啊。

qq1851166

LT1012为2元一个  真便宜啊

锡钛镀锌

有理论有实践，好贴。
有时间定要细细拜读。

JHXC

楼主严谨细心之人，DIY做到这样令人佩服！

kbhf518

可是真复杂啊!

laodd

发烧了耶！！

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精妙的设计，一般的材料做出稳、准的实用的准基

请教

s1s2  0是断，1是通是吗？S2后 ...
wmlao88 发表于 2011-7-10 08:29

哦谢谢！

S2下面的“x1”中的“x”表示0或者1的任意值，也就是说，在01时输出为基准乘以2，在11时基准乘以0.2。x为1是乘以0.1。

5V基准芯片的话，S1设置在01，这是标准状态。如果S1设置在00，输出就为5V。10和11状态不允许，因为变换级的供电只有12V或者15V。所以如果您想改的话，就要提高供电电压到18V，即将78L15改为78L18，但这个型号不太容易买到。

使用2.5V的芯片有最多的非标准输出状态，可以适应多种满标度值的电压表。不过2.5V芯片似乎不确定度大一些，要精度高的话最好还是使用5V以上的产品。