RU2333505C1 - Differential voltmeter-controlled wide-range calibrator - Google Patents

Differential voltmeter-controlled wide-range calibrator Download PDF

Info

Publication number
RU2333505C1
RU2333505C1 RU2006142434/28A RU2006142434A RU2333505C1 RU 2333505 C1 RU2333505 C1 RU 2333505C1 RU 2006142434/28 A RU2006142434/28 A RU 2006142434/28A RU 2006142434 A RU2006142434 A RU 2006142434A RU 2333505 C1 RU2333505 C1 RU 2333505C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
calibrator
voltage
input
dac
output
Prior art date
Application number
RU2006142434/28A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Геннадий Харенович Михайлов
Original Assignee
ОАО "Научно-производственная компания "Ритм"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by ОАО "Научно-производственная компания "Ритм" filed Critical ОАО "Научно-производственная компания "Ритм"
Priority to RU2006142434/28A priority Critical patent/RU2333505C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2333505C1 publication Critical patent/RU2333505C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Measurement Of Current Or Voltage (AREA)

Abstract

FIELD: metrology.
SUBSTANCE: invention relates to metrology and can be used in designing the high-accuracy voltage (current) reproduction and measurement in a wide range. The proposed differential-voltmeter-controlled wide-range calibrator incorporates an amplifier with a scaling divider in the feedback circuit connected to the calibrator terminal, a reference voltage source and reference voltage digital-analog converter (DAC) with its output connected to the aforesaid amplifier input and DAC input, and with its second input is connected, via the differential voltmeter input scaling circuit, to the meter input terminal. Note that DAC is connected so as to allow writing its digital code into the DAC control circuit, the calibrator output being connected, via switch contacts, to the control differential voltmeter.
EFFECT: simplification, higher-accuracy and deeper self-diagnostics.
3 cl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано при проектировании средств высокоточного воспроизведения и измерения напряжения (тока) в широком диапазоне. В соответствии с традиционно принятой практикой (и в первую очередь зарубежной) эти задачи решаются самостоятельно - измерительным прибором (вольтамперомметром-мультиметром) или стимулирующим (калибратором). По действующему отечественному стандарту (классификатору) эти приборы представлены группой «В» (вольтметры и мультиметры: В2-39, В3-71, В7-64 и т.п.) и группой «Н» (калибраторы: Н4-6, Н4-7, Н5-4 и т.п.). Мировым лидером (а практически монополистом) в области разработок, производства и продаж мультиметров и калибраторов является фирма «FLUKE», США. У этой фирмы сегодня в производстве целые линейки лучших в мире калибраторов и мультиметров [1].The invention relates to measuring technique and can be used in the design of high-precision reproduction and measurement of voltage (current) in a wide range. In accordance with traditionally accepted practice (and primarily foreign), these tasks are solved independently - with a measuring device (multimeter-multimeter) or stimulating (calibrator). According to the current domestic standard (classifier), these devices are represented by group "B" (voltmeters and multimeters: B2-39, B3-71, B7-64, etc.) and group "H" (calibrators: H4-6, H4- 7, H5-4, etc.). The world leader (and practically a monopolist) in the field of development, production and sales of multimeters and calibrators is the company "FLUKE", USA. This company has today in production entire lines of the world's best calibrators and multimeters [1].

Калибратор представляет собой многозначную меру напряжения (силы тока). Широкая сетка напряжений (токов) формируется из напряжения однозначной меры - источника эталонного (опорного) напряжения, путем цифроаналогового преобразования последнего.The calibrator is a multi-valued measure of voltage (amperage). A wide network of voltages (currents) is formed from a voltage of a single measure - a source of a reference (reference) voltage, by digital-to-analog conversion of the latter.

Известный высокоточный калибратор напряжения описан в [2]. Он содержит источник эталонного напряжения Vэт, из которого цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) формируется сетка напряжений K·Vэт основного диапазона (обычно 1 мкВ - 10 В), которое поступает на выходной усилитель мощности, формирующий диапазоны (как правило, основной - 10 В и высоковольтные 100 В и 1000 В) {фг.2б в [2]}. Коэффициент передачи усилителя мощности определяется отношением сопротивлений резисторов в цепи его обратной связи (R2/R1). Таким образом, выходное напряжение калибратора определяется выражением: UВЫХ=K·(R2/R1)· Vэт. На фиг.5 в [2] приведена упрощенная схема выходного усилителя калибратора, а на стр.31 и 32 указаны меры, обеспечивающие высокоточное воспроизведение напряжения в высоковольтной области диапазона.The well-known high-precision voltage calibrator is described in [2]. It contains a reference voltage source Vet, from which a voltage grid K 100 V and 1000 V) {fg.2b in [2]}. The gain of the power amplifier is determined by the ratio of the resistances of the resistors in its feedback circuit (R2 / R1). Thus, the output voltage of the calibrator is determined by the expression: U OUT = K · (R2 / R1) · Vet. Figure 5 in [2] shows a simplified diagram of the output amplifier of the calibrator, and on pages 31 and 32 are measures that provide high-precision voltage reproduction in the high-voltage region of the range.

Требования к усилителю (малый дрейф нуля и большой коэффициент усиления 10), требования к резисторам цепи обратной связи: улучшение временных и температурных характеристик резисторов («по сравнению с имеющимися в продаже»), за счет применения специальной технологии изготовления, последующего отбора резисторов с согласованными характеристиками (по запатентованному фирмой методу DRM), активного термостатирования; наконец, меры по снижению влияния самонагрева резисторов из-за рассеиваемой мощности при изменении напряжения на них от нуля до 1000 В. Последние достигаются снижением коэффициента мощности («PC» - разогревом резистора на каждый ватт мощности). С этой целью резистор, формирующий предел 1000 В, собран из цепочки, состоящей из 10 последовательно соединенных резисторов, размещенных в активном термостате большого объема.Requirements for the amplifier (low zero drift and high gain of 10), requirements for feedback resistors: improving the time and temperature characteristics of resistors ("compared with commercially available"), through the use of special manufacturing technology, subsequent selection of resistors with agreed characteristics (according to the DRM method patented by the company), active temperature control; finally, measures to reduce the effect of self-heating of resistors due to power dissipation when the voltage across them changes from zero to 1000 V. The latter are achieved by reducing the power factor (“PC” - heating the resistor for each watt of power). To this end, the resistor forming the limit of 1000 V is assembled from a chain consisting of 10 series-connected resistors located in a large active thermostat.

Борьба с самонагревом резисторов является наиболее сложной и ресурсоемкой, так как эта составляющая погрешности не устраняется ни автокалибровкой, ни термостатированием. Свободные действия оператора могут потребовать установку любого из возможных напряжений, в любое (и на любое) время. Например, установить 1000 В (разогрев резистора), а затем 50 В (остывание).The fight against self-heating of resistors is the most complex and resource-intensive, since this component of the error is not eliminated either by auto-calibration or by temperature control. The free actions of the operator may require the installation of any of the possible voltages, at any (and at any) time. For example, set 1000 V (heating up the resistor) and then 50 V (cooling).

Этому вопросу уделяется большое внимание при проектировании высоковольтных пределов калибратора. Как правило, приходиться принимать компромиссное решение. Минимизировать эту составляющую погрешности можно путем значительного увеличения сопротивления делителя в цепи обратной связи, но при этом возрастают погрешности, обусловленные конечной величиной входного сопротивления усилителя (и входной емкостью для калибратора переменного напряжения), сопротивлением изоляции монтажного материала (подложки) и элементов коммутации (реле, переключатели). При снижении сопротивления резисторов увеличивается самонагрев, возрастает влияние переходных сопротивлений контактных групп элементов коммутации. В [2] это формулируется так: «Применяются также дополнительные меры по снижению влияния «факторов второго порядка»: «переходных сопротивлений элементов коммутации, сопротивлений изоляции (токов утечки)» ([2] стр.32).Much attention is paid to this issue when designing the high voltage limits of the calibrator. As a rule, you have to make a compromise decision. This error component can be minimized by significantly increasing the resistance of the divider in the feedback circuit, but the errors increase due to the finite input resistance of the amplifier (and the input capacitance for the AC voltage calibrator), insulation resistance of the mounting material (substrate) and switching elements (relays, switches). With a decrease in the resistance of resistors, self-heating increases, and the influence of transition resistance of contact groups of switching elements increases. In [2], it is formulated as follows: “Additional measures are also taken to reduce the influence of“ second-order factors ”:“ transition resistance of switching elements, insulation resistance (leakage currents) ”([2] p. 32).

Обратим внимание на то, что все эти меры применяются в приборе, в котором реализована автокалибровка (аппаратно обеспечивается аналого-цифровым преобразователем (АЦП), управляемым по специальной программе). «По норме внутренняя калибровка производится ежедневно, но ее можно осуществлять дополнительно в случаях большого изменения окружающей температуры». Но автокалибровка не может устранить изменений, возникающих в промежутках между ее очередными включениями. Не устраняет вообще погрешность, обусловленную самонагревом резисторов в цепи обратной связи выходного усилителя («диапазонных резисторов») при увеличении (снижении) выходного напряжения; погрешность от воздействия нагрузки. В рассматриваемом калибраторе все эти недостатки устраняются не программными, а аппаратными ресурсами (термостатирование, отбор и согласование характеристик резисторов, увеличением коэффициента усиления, технологическими приемами [2]). Дело в том, что принципы автокалибровки хорошо согласуются с дискретной работой цифрового вольтметра (АЦП), где имеется возможность включения циклов (и даже одного из шагов цикла) автокоррекции между измерениями (например, через 1, 10, 100... измерений), и практически неприемлемы в «чистом» калибраторе. Это связано с тем, что на выходе калибратора формируется непрерывный (аналоговый) сигнал, за состоянием которого «следит» замкнутая система авторегулирования, прерывать работу которой нельзя. По этой причине информацию, необходимую для процедур автокалибровки, можно получить только включением в схему калибратора-измерителя (вольтметра, АЦП), что и сделано в [2]. Но процедура автокалибровки требует прерывания процесса воспроизведения напряжения. Практическая реализация непрерывной автокоррекции выхода калибратора возможна только при включении в его схему вольтметра (АЦП), контролирующего выход калибратора и корректирующего, при необходимости, его выходное напряжение. Предлагаемое решение наиболее эффективно реализуется при проектировании дифференциальных вольтметров [3, 4], так как эти устройства содержат все необходимое для реализации предложенного решения: источник образцового напряжения, цифроаналоговый преобразователь, обеспечивающий формирование многоразрядной сетки напряжения, которым уравновешивается входное (измеряемое) напряжение. Разность входного и компенсирующего напряжения измеряется микровольтметром. Последний представляет собой чувствительный АЦП. Переходя к единой (общепринятой) терминологии, заметим, что источник образцового напряжения с многоразрядным делителем напряжения представляет собой ЦАП с внутренним источником опорного напряжения. В соответствии с этим дифференциальная схема измерения напряжения принимает вид фиг.1.We draw attention to the fact that all these measures are applied in a device that implements auto-calibration (hardware is provided by an analog-to-digital converter (ADC) controlled by a special program). “Normally, internal calibration is done daily, but it can be done additionally in cases of large changes in ambient temperature.” But auto-calibration cannot eliminate the changes that occur in the intervals between its next inclusions. It does not eliminate the error caused by self-heating of resistors in the feedback circuit of the output amplifier (“range resistors”) when the output voltage increases (decreases); error from the effects of the load. In the calibrator under consideration, all these shortcomings are eliminated not by software but by hardware resources (temperature control, selection and coordination of resistor characteristics, increase in gain, technological methods [2]). The fact is that the principles of autocalibration are in good agreement with the discrete operation of a digital voltmeter (ADC), where it is possible to enable autocorrection cycles (and even one of the cycle steps) between measurements (for example, through 1, 10, 100 ... measurements), and almost unacceptable in a "clean" calibrator. This is due to the fact that a continuous (analog) signal is generated at the calibrator output, the state of which is monitored by a closed auto-regulation system, which cannot be interrupted. For this reason, the information necessary for auto-calibration procedures can be obtained only by including a calibrator-meter (voltmeter, ADC) in the circuit, which was done in [2]. But the auto-calibration procedure requires interruption of the voltage reproduction process. The practical implementation of continuous auto-correction of the calibrator output is possible only when a voltmeter (ADC) is included in its circuit, which controls the output of the calibrator and corrects, if necessary, its output voltage. The proposed solution is most effectively implemented in the design of differential voltmeters [3, 4], since these devices contain everything necessary for the implementation of the proposed solution: a reference voltage source, a digital-to-analog converter, which provides the formation of a multi-bit voltage grid, which balances the input (measured) voltage. The difference between the input and the compensating voltage is measured with a microvoltmeter. The latter is a sensitive ADC. Turning to a unified (generally accepted) terminology, we note that the source of exemplary voltage with a multi-bit voltage divider is a DAC with an internal source of reference voltage. In accordance with this, the differential voltage measurement circuit takes the form of figure 1.

Дифференциальный вольтметр (ДВ) на фиг.1 работает следующим образом:The differential voltmeter (LW) in figure 1 works as follows:

- на первом этапе, при обнуленном ЦАП (Uцап=0), входное напряжение Uвх (например, 1 В) измеряется АЦП («грубое» измерение) при минимальной его чувствительности. Измеряемое значение напряжения (например, 0,999 В) из АЦП «переписывается» в ЦАП (в кодовом формате). В результате на его выходе устанавливается напряжение (999 мВ), равное входному с ошибкой (-1 мВ) АЦП.- at the first stage, when the DAC is zeroed (Ucap = 0), the input voltage Uin (for example, 1 V) is measured by the ADC (“rough” measurement) with its minimum sensitivity. The measured voltage value (for example, 0.999 V) from the ADC is "overwritten" in the DAC (in code format). As a result, the voltage (999 mV) equal to the input with an error (-1 mV) of the ADC is set at its output.

- на втором этапе, при повышенной чувствительности АЦП, измеряется разность Uвх-Uцап (1 В - 999 мВ = 1 мВ, с учетом ошибки АЦП на втором этапе 0,999 мВ). Показание ДВ формируется на основе состояния ЦАП и АЦП (т.е. 0,999999 В).- at the second stage, with increased sensitivity of the ADC, the difference Uin-Ucap is measured (1 V - 999 mV = 1 mV, taking into account the error of the ADC at the second stage, 0.999 mV). The DV reading is based on the state of the DAC and ADC (i.e., 0.999999 V).

Для измерения напряжений в более широком диапазоне однопредельный ДВ (фиг.1) дополняется входным делителем, расширяющим диапазон измеряемых напряжений до значений, превышающих Uцап на несколько порядков. Таким образом, упрощенная схема многопредельного ДВ принимает вид фиг.2.To measure voltages in a wider range, the single-limit DW (Fig. 1) is supplemented by an input divider that extends the range of measured voltages to values that exceed Ucap by several orders of magnitude. Thus, a simplified diagram of a multi-limit DW takes the form of FIG. 2.

Входное устройство многопредельного вольтметра (делитель или делитель с входным усилителем) осуществляет нормирование входного сигнала (приведение к уровню, допустимому для нормальной работы последующей схемы).The input device of a multi-limit voltmeter (divider or divider with an input amplifier) carries out the normalization of the input signal (bringing to a level acceptable for the normal operation of the subsequent circuit).

Если ЦАП (с внутренним источником опорного напряжения) дополнить усилителем напряжения (мощности), то реализуется возможность воспроизведения напряжения, что открывает возможность создания приборов, обеспечивающих и измерение, и воспроизведение напряжений (вольтметров-калибраторов).If the DAC (with an internal reference voltage source) is supplemented with a voltage (power) amplifier, then the voltage can be reproduced, which opens up the possibility of creating devices that provide both measurement and reproduction of voltages (voltmeters-calibrators).

Наиболее близким по технической сущности к данному изобретению является дифференциальный вольтметр-калибратор В 1-18. Его полное название (по старому классификатору) «Прибор для поверки вольтметров и калибраторов В 1-18» [4], обеспечивающий измерение напряжения постоянного тока до 1000 В и воспроизведение напряжений до 12 В при автономном использовании и до 1000 В в совокупности с преобразователем В9-12 [5]. (Автор является главным конструктором разработки комплекса В1-18, В9-12).The closest in technical essence to this invention is a differential voltmeter calibrator B 1-18. Its full name (according to the old classifier) is “A device for checking voltmeters and calibrators V 1-18” [4], which provides measurement of DC voltage up to 1000 V and voltage reproduction up to 12 V for stand-alone use and up to 1000 V in conjunction with V9 converter -12 [5]. (The author is the chief designer of the development of the complex B1-18, B9-12).

На фиг.3 приведена упрощенная схема прибора В 1-18 (блоки 1-6) и преобразователя В9-12 (блоки 7-12). Работа прибора (В 1-18) в режиме измерения не отличается от описанной выше. Входное напряжение (зажим 5) через входное устройство поступает на вход АЦП 1. В блоке 4, содержащем входной делитель (с коэффициентами передачи 1:10 и 1:100), обеспечивается нормирование входного сигнала (превращение входного сигнала в стандартный по виду и диапазону значений). На другой вход АЦП 1 поступает компенсирующее напряжение с выхода цифроаналогового преобразователя 2 напряжения Uоп (источника опорного напряжения 3).Figure 3 shows a simplified diagram of the device B 1-18 (blocks 1-6) and the transducer B9-12 (blocks 7-12). The operation of the device (B 1-18) in the measurement mode does not differ from that described above. The input voltage (clamp 5) through the input device is fed to the input of the ADC 1. In block 4, containing the input divider (with transmission coefficients 1:10 and 1: 100), the input signal is normalized (converting the input signal into a standard one in terms of type and range of values ) At the other input of the ADC 1, a compensating voltage is supplied from the output of the digital-to-analog converter 2 of the voltage Uop (reference voltage source 3).

Для реализации функции калибратора с выходными напряжениями до 1000 В агрегатируется комплекс из прибора В 1-18 и преобразователя напряжения В9-12, который осуществляет масштабное преобразование (с коэффициентами передачи 1, 10 и 100) напряжения с выхода ЦАП 2, для чего в его составе имеется высоковольтный усилитель 9, охваченный петлей отрицательной обратной связи через высокостабильный делитель 10 с отношением mr/r (m=1, 10, 100). Выходное напряжение снимается с зажима 7.To implement the function of a calibrator with output voltages up to 1000 V, a complex of device B 1-18 and voltage converter B9-12 is aggregated, which performs large-scale conversion (with transmission coefficients 1, 10 and 100) of the voltage from the output of DAC 2, for which it contains there is a high-voltage amplifier 9, covered by a negative feedback loop through a highly stable divider 10 with a ratio mr / r (m = 1, 10, 100). The output voltage is removed from terminal 7.

Для реализации режима калибратора силы тока в состав В9-12 включен преобразователь 11 напряжение-ток (U/I), которым напряжение ЦАП 2 преобразуется в ток (до 110 мА) на выходном зажиме 12.To implement the current calibrator mode, a voltage-current (U / I) converter 11 is included in B9-12, which converts the voltage of the DAC 2 into current (up to 110 mA) at the output terminal 12.

Все проблемы, отмеченные выше, для высоковольтного калибратора напряжения присущи и данному изделию:All the problems noted above for the high-voltage voltage calibrator are inherent in this product:

- высокая чувствительность и большой коэффициент усиления усилителя калибратора, так как система авторегулирования на его основе должна обеспечивать максимальную стабильность установленного уровня напряжения в условиях значительных колебаний напряжения питающей сети и нагрузки;- high sensitivity and a large gain of the calibrator amplifier, since the auto-regulation system based on it should ensure maximum stability of the set voltage level in conditions of significant fluctuations in the supply voltage and load;

- высокие метрологические характеристики делителя в цепи обратной связи усилителя во всем диапазоне устанавливаемых напряжений, при изменениях окружающей температуры и времени.- high metrological characteristics of the divider in the amplifier feedback loop over the entire range of set voltages, with changes in ambient temperature and time.

Целью изобретения являются упрощение, повышение точности и глубины самодиагностики.The aim of the invention is to simplify, improve the accuracy and depth of self-diagnosis.

Поставленная цель достигается тем, что в широкодиапазонный калибратор-дифференциальный вольтметр, содержащий подключенный к выходному зажиму устройства усилитель калибратора с масштабирующим делителем в цепи отрицательной обратной связи, источник опорного напряжения и цифроаналоговый преобразователь этого напряжения, подключенный своим выходом к входу упомянутого усилителя калибратора и входу аналого-цифрового преобразоватя, другой вход которого через входное масштабирующее устройство дифференциального вольтметра подключен к входному зажиму устройства, введен дополнительный контур авторегулирования через цепь связи выхода калибратора с входом дифференциального вольтметра.This goal is achieved in that in a wide-range calibrator-differential voltmeter containing a calibrator amplifier connected to the output terminal of the device with a scaling divider in the negative feedback circuit, a reference voltage source and a digital-to-analog converter for this voltage, connected by its output to the input of the calibrator amplifier and the analog input -digital conversion, the other input of which is connected to the input scaling device of a differential voltmeter to Khodnev terminal device introduced through the auxiliary circuit output autoregulation loop calibrator input differential voltmeter.

На фиг.4 представлена схема этого калибратора-вольтметра.Figure 4 presents a diagram of this calibrator-voltmeter.

В режиме измерения входное напряжение (Ux) подается (с входного зажима «10») через входное устройство (делитель 1 и входной усилитель «2») на вход АЦП 3. Коэффициент передачи входного устройства имеет коэффициент передачи R/nR, где n>1. При обнуленном ЦАП 4 (Uцап=0) и минимальной чувствительности АЦП последним «грубо» измеряется входное напряжение, в соответствии с показанием которого устанавливается ЦАП (цифровой код АЦП «записывается» в схему управления ЦАП). После чего на АЦП воздействует разность напряжений Ux-Uцап (или, с учетом коэффициента передачи «1/n» входного устройства, Ux/n-Uцап), которая измеряется АЦП, но уже при максимальной чувствительности. На основании положения ЦАП и показания АЦП индицируется показание вольтметра.In the measurement mode, the input voltage (Ux) is supplied (from the input terminal "10") through the input device (divider 1 and input amplifier "2") to the ADC input 3. The transmission coefficient of the input device has a transfer coefficient R / nR, where n> 1 . When the DAC 4 is zeroed (Ucap = 0) and the ADC sensitivity is minimal, the input voltage is measured “last” roughly, according to which the DAC is set (the ADC digital code is “written” to the DAC control circuit). After that, the voltage difference Ux-Usap (or, taking into account the transfer coefficient “1 / n” of the input device, Ux / n-Usap), which is measured by the ADC, but already at maximum sensitivity, is affected by the ADC. Based on the position of the DAC and the ADC readings, a voltmeter reading is displayed.

В режиме воспроизведения напряжения (калибратора) замыкается переключатель «8», напряжение Uцап подается на вход усилителя калибратора 7 с коэффициентом передачи nr/r (отношение резисторов делителя «6»). В результате на выходе усилителя калибратора формируется напряжение Uк=Uцап·n (где «n» обычно 1, 10 или 100), которое контролируется вольтметром, предел измерения которого устанавливается в соответствии с установленным пределом калибратора (10В, 100В или 1000В) и, при необходимости, корректируется.In the voltage (calibrator) playback mode, the switch “8” closes, the voltage Ucap is applied to the input of the amplifier of the calibrator 7 with the transmission coefficient nr / r (divider resistor ratio “6”). As a result, the voltage Uк = Uсап · n (where “n” is usually 1, 10 or 100) is formed at the output of the calibrator amplifier, which is controlled by a voltmeter, the measurement limit of which is set in accordance with the calibrator limit set (10V, 100V or 1000V) and, at necessary, adjusted.

Механизм авторегулирования проиллюстрируем примером.The auto-regulation mechanism is illustrated by an example.

На выходе усилителя калибратора установлено напряжение 1000 В. В соответствии с алгоритмом работы устанавливается напряжение Uцап=10 В, пределы калибратора и вольтметра 1000 V (т.е. n=100). Из-за погрешности высоковольтного усилителя (-0, 1%) на выходе устанавливается напряжение 999 В, т.е. на входе АЦП напряжение 9, 99 В (на другом входе напряжение Uцап=10 В). Разность напряжений (-10 мВ) фиксируется АЦП, которым и корректируется установленное на выходе ЦАП напряжение (10 В) на величину +10 мВ (т.е. устанавливается равным 10, 01 В), что после усиления в 100 раз схемой усилителя калибратора дает увеличения выходного напряжения на 1 В, т.е. напряжение на выходе калибратора становится (в результате коррекции) равным 1000 В. Таким образом, любое изменение напряжения на выходе калибратора, вызванное неточностью делителя «6» (например, самонагревом резисторов делителя), дрейфом усилителя или воздействием нагрузки, контролируется точным вольтметром, который и определяет надо ли добавить или убавить напряжение на входе усилителя калибратора, чтобы получить требуемое напряжение на его выходе. Совершенно очевидно, что при таком алгоритме регулирования точность поддержания выходного напряжения определяется точностью вольтметра.At the output of the calibrator amplifier, a voltage of 1000 V is set. In accordance with the operation algorithm, the voltage Ucap = 10 V is set, the limits of the calibrator and voltmeter are 1000 V (i.e. n = 100). Due to the error of the high-voltage amplifier (-0, 1%), the output voltage is set to 999 V, i.e. at the input of the ADC, the voltage is 9, 99 V (at the other input, the voltage is Usap = 10 V). The voltage difference (-10 mV) is recorded by the ADC, which corrects the voltage (10 V) installed at the DAC output by +10 mV (i.e., it is set to 10.01 V), which, after amplification by a factor of 100, gives the calibrator amplifier circuit increase in output voltage by 1 V, i.e. the voltage at the output of the calibrator becomes (as a result of correction) equal to 1000 V. Thus, any change in voltage at the output of the calibrator caused by the inaccuracy of the divider “6” (for example, self-heating of the resistors of the divider), drift of the amplifier or the influence of the load is controlled by an accurate voltmeter, which determines whether it is necessary to add or reduce the voltage at the input of the calibrator amplifier in order to obtain the required voltage at its output. It is obvious that with such a control algorithm, the accuracy of maintaining the output voltage is determined by the accuracy of the voltmeter.

При использовании в усилителе калибратора элементной базы низкого качества (погрешность десятые доли процента 10-3) АЦП должен иметь шкалу, обеспечивающую регистрацию этой погрешности, что при высокой требуемой точности (линейности) калибратора (10-6-10-7) может потребовать применения 4- 5-декадного АЦП, так как на его входах действует разность точного напряжения ЦАП и неточного напряжения калибратора (Uцап-Uкал). Действительно, коррекция выхода калибратора требует соответствующего изменения Uцап (+10 мВ в предыдущем примере), при этом на выходе калибратора напряжение становится точным, а на входах АЦП действуют напряжения 10,01 В и 10 В, т.е. разность 10 мВ, которая должна быть измерена с точностью до единиц мкВ. Таким образом, для работы дифференциального вольтметра нет необходимости иметь полноразрядную шкалу ЦАП. Шкалу можно сократить на количество разрядов АЦП. Однако для работы калибратора необходима полноразрядная шкала ЦАП, которую можно реализовать двумя методами: дополнив сетку ЦАП младшими разрядами или включив дополнительный ЦАП (13) на входе усилителя калибратора (фиг.5), который, суммируясь (с соответствующим масштабом «m») с напряжением основного ЦАП, обеспечивает формирование на выходе калибратора напряжения с требуемой разрешающей способностью. Такое решение позволяет упростить схему основного ЦАП за счет снижения его разрядности: во всех прецизионных калибраторах используют ЦАП с широтно-импульсной модуляцией опорного напряжения (ШИМ-ЦАП), которым вся сетка напряжений формируется цифроаналоговым преобразователем старших и младших разрядов ([2] стр.29; [4] стр.52). Дело в том, что в ШИМ-ЦАП формируются импульсы с амплитудой, равной опорному напряжению (10-20 В), которые должны быть сглажены фильтром низкой частоты до 10-20 мкВ. Частота следования импульсов выбирается более 100 Гц, так как более низкая частота может обусловить весьма значительное время установления при фильтрации и, как следствие, снижение быстродействия прибора. Но даже при частоте следования импульсов 100 Гц на выходе семидекадного ЦАП, на его входе тактовая частота становится равной 100·107 Гц, что создает очевидные трудности при практической реализации. Разбиением ШИМ-ЦАП на два (емкостью 104) проблема решается. Однако этого не требуется при построении ШИМ-ЦАП в соответствии с фиг.5. Дополнительный ЦАП реализуется в виде интегральной (резистивной) схемы высокого быстродействия, точность которой не имеет значения, так как погрешность исключается действием предложенной обратной связи.When using a low-quality element base in the calibrator amplifier (tenths of a percent error of 10 -3 ), the ADC must have a scale that records this error, which, with the high required accuracy (linearity) of the calibrator (10 -6 -10 -7 ), may require 4 - 5-decade ADC, since the difference between the exact voltage of the DAC and the inaccurate voltage of the calibrator (Ucap-Ucal) acts on its inputs. Indeed, the correction of the calibrator output requires a corresponding change in Ucap (+10 mV in the previous example), while the voltage becomes accurate at the calibrator output, and 10.01 V and 10 V are applied to the ADC inputs, i.e. difference of 10 mV, which must be measured with an accuracy of units of microvolts. Thus, for the operation of a differential voltmeter, there is no need to have a full-scale DAC scale. The scale can be reduced by the number of bits of the ADC. However, for the operation of the calibrator, a full-scale DAC scale is necessary, which can be implemented in two ways: by adding low-order DAC grids or by turning on an additional DAC (13) at the input of the calibrator amplifier (Fig. 5), which, summing up (with the corresponding scale “m”) with voltage the main DAC, provides the formation at the output of the voltage calibrator with the required resolution. This solution allows us to simplify the circuit of the main DAC by reducing its bit capacity: all precision calibrators use DACs with pulse-width modulation of the reference voltage (PWM-DAC), by which the entire voltage grid is formed by a digital-to-analog converter of high and low digits ([2] p.29 ; [4] p. 52). The fact is that pulses with an amplitude equal to the reference voltage (10-20 V) are formed in the PWM-DAC, which should be smoothed by a low-pass filter up to 10-20 μV. The pulse repetition rate is chosen to be more than 100 Hz, since a lower frequency can cause a very significant settling time during filtration and, as a result, a decrease in the speed of the device. But even with a pulse repetition rate of 100 Hz at the output of a seven-decade DAC, at its input, the clock frequency becomes 100 · 10 7 Hz, which creates obvious difficulties in practical implementation. By splitting the PWM-DAC into two (with a capacity of 10 4 ), the problem is solved. However, this is not required when constructing a PWM-DAC in accordance with FIG. 5. An additional DAC is implemented in the form of an integrated (resistive) high-speed circuit, the accuracy of which does not matter, since the error is excluded by the action of the proposed feedback.

При построении по структуре фиг.5 рационализируются аспекты «внутреннего» программирования и защиты устройства в экстремальных ситуациях. В соответствии с алгоритмом управления, при установке оператором напряжения на выходе калибратора, основной ШИМ-ЦАП переводится в соответствующее состояние (с 4-декадным разрешением), которое не меняется до следующей установки. Недостающие разряды реализуются дополнительным ЦАП. При воздействии нагрузки напряжение на выходе калибратора может измениться, что потребует соответствующей коррекции выхода, которая реализуется соответствующим изменение состояния дополнительного ЦАП. При этом состояние основной схемы измерения, с ее инерционным звеном в виде ШИМ-ЦАП, не меняется (т.е. не теряется время на перезарядку фильтра), и потому скорость реакции на возмущение повышается. Так, например, при коротком замыкании выхода (где важна скорость реагирования) очень быстро «выбирается» вся емкость быстродействующего дополнительного ЦАП и срабатывает программа отключения (защиты) калибратора и оповещения пользователя (звуковой или визуальный сигнал). Таким образом, решается проблема оперативной защиты даже при значительной инерционности схемы измерения дифференциальным вольтметром (реальная скорость измерения АЦП менее миллисекунды, а ШИМ-ЦАП сотни миллисекунд).When constructing the structure of FIG. 5, the aspects of “internal” programming and device protection in extreme situations are rationalized. In accordance with the control algorithm, when the operator sets the voltage at the output of the calibrator, the main PWM-DAC is transferred to the corresponding state (with 4-decade resolution), which does not change until the next installation. Missing bits are implemented by an additional DAC. Under the influence of the load, the voltage at the output of the calibrator may change, which will require appropriate correction of the output, which is implemented by a corresponding change in the state of the additional DAC. At the same time, the state of the main measurement circuit, with its inertial link in the form of a PWM-DAC, does not change (i.e., the time to recharge the filter is not lost), and therefore, the reaction rate to the disturbance increases. So, for example, when the output is short-circuited (where the response speed is important), the entire capacity of the high-speed additional DAC is very quickly “selected” and the calibrator shutdown (protection) program and user alerts (audio or visual signal) are activated. Thus, the problem of operational protection is solved even with a significant inertia of the measurement circuit with a differential voltmeter (the actual ADC measurement speed is less than a millisecond, and the PWM-DAC is hundreds of milliseconds).

Включение вольтметра в цепь регулирования выходной величины калибратора позволяет значительно снизить требования к характеристикам последнего. Требования высокой температурной и долговременной стабильности переносятся на вольтметр, но их реализация упрощается в связи с возможностью проведения автокалибровки вольтметра перед каждым очередным «вмешательством» его в систему коррекции выхода калибратора.The inclusion of a voltmeter in the control circuit of the output value of the calibrator can significantly reduce the requirements for the characteristics of the latter. The requirements of high temperature and long-term stability are transferred to the voltmeter, but their implementation is simplified due to the possibility of automatic calibration of the voltmeter before each subsequent "intervention" in the calibrator output correction system.

Как уже отмечалось выше, дискретный характер работы вольтметра, в отличие от калибратора, хорошо согласуется с принципами автокалибровки, где имеется возможность включения циклов автокалибровки в паузах между измерениями. Причем нет необходимости калиброваться в полном объеме (нули и масштабы всех пределов), а калибровать только установленный предел. А так как сразу же после автокалибровки вольтметр имеет наивысшую точность, то нет необходимости формировать узлы вольтметра из компонентов с высокой долговременной и температурной стабильностью (таковыми должны быть только внутренние эталоны, по которым реализуется автокалибровка).As noted above, the discrete nature of the operation of the voltmeter, in contrast to the calibrator, is in good agreement with the principles of auto-calibration, where it is possible to turn on auto-calibration cycles in the pauses between measurements. Moreover, there is no need to calibrate in full (zeros and scales of all limits), and calibrate only the set limit. And since immediately after the auto-calibration the voltmeter has the highest accuracy, there is no need to form the voltmeter nodes from components with high long-term and temperature stability (these should be only internal standards by which the auto-calibration is implemented).

Применение вольтметра для управления калибратором (а не наоборот) имеет и другие обоснования, обусловленные спецификой его работы. В вольтметре все корректирующие воздействия могут быть реализованы «виртуально» (только в форме представленной скорректированной цифровой индикации), а в калибраторе такие воздействия могут проявляться только в «натуральном формате» (в виде соответствующего изменения выходного сигнала). Другой пример. Использование одинакового усилителя в схеме (сравнения) вольтметра и в схеме (авторегулирования) калибратора обеспечивает существенные «метрологические преимущества» первым. Шумовые характеристики усилителя (ограничивающие его чувствительность) в схеме вольтметра могут быть снижены методами цифровой обработки сигнала (статистическое усреднение), что не может быть реализовано в схеме авторегулирования калибратора. И в плане снижения погрешности при измерении высоких напряжений (до 1000 В), вызванных самонагревом входного делителя, возможности вольтметра шире, чем в схеме калибратора. Во-первых, сама эта погрешность, как правило, на порядок ниже из-за высокого сопротивления входного делителя вольтметра 10 МОм (требование действующих стандартов), во-вторых, всегда имеется возможность оперативной (доли секунды) автокалибровки, в паузах между измерениями, «разогретого» делителя с целью минимизации погрешности от разогрева.The use of a voltmeter to control the calibrator (and not vice versa) has other justifications due to the specifics of its operation. In the voltmeter, all corrective actions can be implemented “virtually” (only in the form of the presented corrected digital display), and in the calibrator, such actions can appear only in the “natural format” (in the form of a corresponding change in the output signal). Another example. Using the same amplifier in the circuit (comparison) of the voltmeter and in the circuit (auto-regulation) of the calibrator provides significant "metrological advantages" first. The noise characteristics of the amplifier (limiting its sensitivity) in the voltmeter circuit can be reduced by digital signal processing methods (statistical averaging), which cannot be implemented in the calibrator auto-regulation circuit. And in terms of reducing the error in measuring high voltages (up to 1000 V) caused by self-heating of the input divider, the voltmeter's capabilities are wider than in the calibrator circuit. Firstly, this error itself, as a rule, is an order of magnitude lower due to the high resistance of the input divider of the 10 V MOhm voltmeter (a requirement of current standards), and secondly, there is always the possibility of prompt (split second) auto-calibration, in the pauses between measurements, " warmed up "divider in order to minimize the error from heating.

Анализируя схему фиг.4, следует заметить, что функция калибратора потребовала минимальных аппаратурных затрат, причем независимо от метрологических характеристик, не самого высокого качества. Не понадобилось ничего вводить (только петля дополнительной обратной связи и переключатель), зато дополнительный контур авторегулирования эффективно воздействует практически на все характеристики калибратора.Analyzing the scheme of figure 4, it should be noted that the function of the calibrator required minimal hardware costs, and regardless of metrological characteristics, not the highest quality. It was not necessary to enter anything (only an additional feedback loop and a switch), but the additional auto-regulation loop effectively affects almost all the characteristics of the calibrator.

Теоретическим основанием этого послужил метод повышения точности, основанный на «образцовом обратном преобразовании» ([3] стр.57), так как аналого-цифровое и цифроаналоговое преобразование являются типичными представителями «прямого» и «обратного» преобразования.The theoretical basis for this was the method of increasing accuracy based on the “model inverse transformation” ([3] p. 57), since analog-to-digital and digital-to-analog conversion are typical representatives of the “direct” and “inverse” conversion.

Универсальность этого метода позволяет решать и обратную задачу: реализовать точное измерение неточным вольтметром, управляемым точным калибратором. Т.е. строить приборы измерительного и генераторного типа на базе высших достижений лучшего из них, добиваясь оптимальных технических решений.The universality of this method allows us to solve the inverse problem: to realize an accurate measurement with an inaccurate voltmeter controlled by an accurate calibrator. Those. build measuring and generator-type devices on the basis of the highest achievements of the best of them, achieving optimal technical solutions.

Практическим основанием для создания заявленного устройства послужил тот факт, что нет необходимости в существовании высокоточного вольтметра и высокоточного калибратора. Высокоточным должен быть только один из них, а другой (менее точный) управляется или калибруется по более точному, обеспечивая в этом случае метрологические характеристики последнего. Эта простая идея оказалась весьма плодотворной, так как эффективно воздействует на весь комплекс показателей прибора. В результате реализуемая совокупность функций, при минимальной избыточности, имеет наименьшую стоимость за счет снижения расходов на разработку, изготовление и на обслуживание в процессе эксплуатации (поверке и калибровке подвергается только вольтметр, калибратор проверяется только на работоспособность).The practical basis for the creation of the claimed device was the fact that there is no need for a high-precision voltmeter and a high-precision calibrator. Only one of them should be highly accurate, and the other (less accurate) is controlled or calibrated to a more accurate one, providing in this case the metrological characteristics of the latter. This simple idea turned out to be very fruitful, since it effectively affects the whole complex of indicators of the device. As a result, the implemented set of functions, with minimal redundancy, has the lowest cost by reducing the cost of development, manufacture and maintenance during operation (only a voltmeter is calibrated and calibrated, the calibrator is checked only for operability).

Действительно, в отдельно взятых вольтметре и калибраторе неизбежно дублируются такие узлы, как источник опорного напряжения, компоненты аналого-цифрового и цифроаналогового преобразования, прецизионные резисторы, микроЭВМ, дисплей с клавиатурой, элементы связи с внешними и внутренними объектами и т.д. Любые отдельно взятые вольтметр и калибратор (даже более низкой точности) имеют большую суммарную стоимость, которую увеличивают расходы на их обслуживание и периодическую поверку (калибровку), из-за необходимости приобретения более широкой номенклатуры средств поверки и объемов поверочных работ (для прецизионных приборов эти расходы значительны).Indeed, such components as a reference voltage source, components of analog-to-digital and digital-to-analog conversion, precision resistors, microcomputers, a display with a keyboard, communication elements with external and internal objects, etc., are inevitably duplicated in a single voltmeter and calibrator. Any single voltmeter and calibrator (even of lower accuracy) have a large total cost, which increases the cost of their maintenance and periodic calibration (calibration), due to the need to purchase a wider range of calibration tools and the volume of calibration work (for precision instruments, these costs significant).

И, наконец, наличие внутри прибора вольтметра и программируемого источника с широкой сеткой напряжения открывает широкие возможности «тотальной» автокалибровки и диагностики прибора, включая метрологические отказы, так как предложенная структура реализует все основные операции измерительного процесса: воспроизведение, измерение, сравнение, масштабирование и статическую обработку информации (встроенная микроЭВМ).And finally, the presence of a voltmeter and a programmable source with a wide voltage grid inside the device opens up wide possibilities for “total” auto-calibration and diagnostics of the device, including metrological failures, since the proposed structure implements all the basic operations of the measurement process: reproduction, measurement, comparison, scaling, and static information processing (built-in microcomputer).

Подавая (с диагностической целью) от ЦАП последовательно каждый бит и контролируя АЦП, можно реализовать самую глубокую диагностику и ЦАП, и АЦП. Опираясь на высокую линейность ЦАП (с ШИМ), провести автокалибровку АЦП, резистивных делителей.By feeding (for diagnostic purposes) each bit in series from the DAC and controlling the ADC, you can implement the most in-depth diagnostics of both the DAC and the ADC. Based on the high linearity of the DAC (with PWM), to carry out the auto-calibration of the ADC, resistive dividers.

С еще большим эффектом предложенное решение может быть реализовано при проектировании калибраторов переменного напряжения. Дело в том, что функция воспроизведения переменного напряжения является наиболее ресурсоемкой частью многофункционального калибратора. При этом основную сложность представляет техническая реализация преобразователя переменного напряжения в постоянное, так как его характеристики и определяют точность воспроизведения переменного напряжения. Именно благодаря созданию такого интегрального преобразователя фирма FLUKE занимает лидирующие позиции. Фирма сама изготавливает этот преобразователь по запатентованной технологии, оградившись запретами на его продажу и передачу.With even greater effect, the proposed solution can be implemented in the design of AC voltage calibrators. The fact is that the AC voltage playback function is the most resource-intensive part of the multifunction calibrator. In this case, the main difficulty is the technical implementation of the AC to DC converter, since its characteristics determine the accuracy of AC voltage reproduction. It is thanks to the creation of such an integrated converter that FLUKE takes a leading position. The company itself manufactures this converter using a patented technology, guarded by prohibitions on its sale and transfer.

На фиг.6 приведена упрощенная схема предложенного устройства широкодиапазонного калибратора постоянного и переменного напряжения, управляемого дифференциальным вольтметром. В части воспроизведения постоянного напряжения (переключатели 23 и 24 в исходном состоянии) схема не отличается от изображенной на фиг.4.Figure 6 shows a simplified diagram of the proposed device wide-range calibrator constant and alternating voltage controlled by a differential voltmeter. In terms of reproduction of direct voltage (switches 23 and 24 in the initial state), the circuit does not differ from that shown in Fig. 4.

Для реализации режима измерения переменного напряжения схема вольтметра дополнена преобразователем 20 измеряемого переменного напряжения в постоянное, и далее работа дифференциального вольтметра уже не отличается от рассмотренной выше. Для реализации режима воспроизведения переменного напряжения в схему введен необходимый минимум аппаратных средств: источник опорного напряжения переменного тока (генератор синусоидального напряжения 22) и ЦАП переменного напряжения 21, обеспечивающий формирование многоразрядной сетки выходного напряжения, которое поступает на вход высоковольтного усилителя напряжения 7 и далее на гнездо 9 выхода калибратора.To implement the AC voltage measurement mode, the voltmeter circuit is supplemented by a converter 20 of the measured AC voltage to DC, and then the operation of the differential voltmeter does not differ from the above. To implement the ac voltage reproduction mode, the necessary hardware minimum is introduced into the circuit: an ac voltage reference source (sinusoidal voltage generator 22) and an alternating voltage DAC 21, which ensures the formation of a multi-bit grid of the output voltage, which is fed to the input of the high voltage voltage amplifier 7 and then to the socket 9 calibrator outputs.

Требования к метрологическим характеристикам узлов 21 и 22 снижены, и потому открывается возможность использования серийных четырехквадрантных (обеспечивающих преобразование напряжений постоянного и переменного тока) интегральных ЦАП, что существенно упрощает прибор. Однако есть такие «неметрологические», но важные характеристики сигналов переменного напряжения (тока), как нелинейные искажения и пульсации, которые не отрабатываются предложенной петлей обратной связи, и потому эти характеристики следует изначально формировать в узлах 21 и 22.The requirements for metrological characteristics of nodes 21 and 22 are reduced, and therefore the possibility of using serial four-quadrant (providing conversion of DC and AC voltages) integrated DACs opens up, which greatly simplifies the device. However, there are such “non-metrological”, but important characteristics of the AC voltage (current) signals, such as non-linear distortions and ripples, which are not processed by the proposed feedback loop, and therefore these characteristics should be initially generated in nodes 21 and 22.

Так как предложено решение, позволяющее «метрологическую» нагрузку перенести на схему вольтметра. В этом случае всю метрологическую нагрузку несет преобразователь «

Figure 00000002
» вольтметра («20» фиг.6). Однако, как это было показано выше, в схеме измерения возможности метрологического совершенствования шире за счет внедрения алгоритмических и программных решений. Кроме того, в схеме вольтметра может быть применена самая высокочувствительная, широкополосная и самая простая схема преобразователя средних значений ([3], стр.140), которая имеет самые существенные достоинства применительно к калибратору. А ее самый главный недостаток применительно к вольтметру - значительная погрешность при измерении несинусоидальных напряжений (с «искаженной» формой) не имеет существенного значения применительно к калибратору, так как калибратор, по определению, должен генерировать чистейшую синусоиду (коэффициент гармоник должен быть минимальным). Таким образом, предложенное решение позволяет реализовать высокие характеристики калибратора переменного напряжения. А решать проблему измерения действующих значений переменного напряжения с искаженной формой приходиться традиционными методами, дополнив схему вольтметра более сложным устройством - преобразователем действующих значений. И в этом случае предложенная структура позволяет извлечь определенные преимущества за счет реализации процедур автокалибровки преобразователя действующих значений сигналами с выхода калибратора (в этом случае «ведущим» будет калибратор, а «ведомым» - вольтметр действующих значений). Такая автокалибровка позволяет реализовать высокую долговременную и температурную стабильность преобразования действующих значений, даже в тех случаях, когда он таковой не отличается.Since a solution is proposed that allows the "metrological" load to be transferred to the voltmeter circuit. In this case, the entire metrological load is carried by the converter "
Figure 00000002
"Voltmeter (" 20 "Fig.6). However, as was shown above, in the scheme of measuring the possibility of metrological improvement is wider due to the implementation of algorithmic and software solutions. In addition, in the voltmeter circuit, the most highly sensitive, broadband, and simplest medium-value converter circuit ([3], p. 140) can be used, which has the most significant advantages with respect to the calibrator. And its main drawback in relation to a voltmeter is the significant error in measuring non-sinusoidal voltages (with a "distorted" shape) is not significant in relation to the calibrator, since the calibrator, by definition, should generate a pure sinusoid (the harmonic coefficient should be minimal). Thus, the proposed solution allows you to implement high performance calibrator AC voltage. And the traditional methods have to solve the problem of measuring the rms values of an alternating voltage with a distorted shape, adding to the voltmeter circuit a more complex device - a converter of rms values. And in this case, the proposed structure makes it possible to derive certain advantages due to the implementation of procedures for the automatic calibration of the converter of effective values by signals from the output of the calibrator (in this case, the calibrator will be the “lead” and the effective values voltmeter). Such auto-calibration allows you to realize high long-term and temperature stability of the conversion of current values, even in those cases when it does not differ.

Проектирование высоковольтных и высокочастотных калибраторов существенно усложняется необходимостью работы на емкостную нагрузку (например, входная емкость проверяемого вольтметра). Система авторегулирования на базе выходного усилителя калибратора должна иметь большой коэффициент усиления на самых высоких частотах рабочего диапазона, высокую скорость нарастания выходного сигнала (до 1400 В амплитуды) и достаточный ток для быстрого перезаряда емкостной нагрузки (100 пФ - 200 пФ, ток 100-200 мА). «Недобор» по любой из этих характеристик приводит к изменению установленного уровня выходного напряжения при подключении нагрузки, однако, если за выходом калибратора «следит» вольтметр, обеспечивается компенсация отклонения.The design of high-voltage and high-frequency calibrators is significantly complicated by the need to work on a capacitive load (for example, the input capacitance of a tested voltmeter). The auto-regulation system based on the output amplifier of the calibrator should have a large gain at the highest frequencies of the operating range, a high slew rate of the output signal (up to 1400 V amplitude) and sufficient current to quickly recharge the capacitive load (100 pF - 200 pF, current 100-200 mA ) A "shortage" in any of these characteristics leads to a change in the set level of the output voltage when the load is connected, however, if a voltmeter "monitors" the output of the calibrator, compensation for the deviation is provided.

Таким образом, дополнительный контур авторегулирования позволил упростить схему калибратора и обеспечить высокие метрологические характеристики и, в частности, расширить частотный диапазон. Частотная характеристика калибратора в высоковольтной области диапазона ограничивается из-за того, что через высокоомный делитель обратной связи осуществляется перезарядка паразитных емкостей (входная емкость усилителя, элементов коммутации, монтажа и т.п.), что снижает быстродействие схемы и, как следствие, частотный диапазон. Возможности уменьшения сопротивления высоковольтного делителя, как было отмечено выше, ограничиваются погрешностью, вызванной самонагревом резисторов делителя рассеиваемой мощностью. В предложенном калибраторе погрешность от самонагрева делителя исключается контуром регулирования на базе вольтметра, и потому сопротивление делителя может быть снижено, исходя из требуемой широкополосности.Thus, an additional auto-regulation loop made it possible to simplify the calibrator circuit and ensure high metrological characteristics and, in particular, expand the frequency range. The frequency response of the calibrator in the high-voltage range is limited due to the fact that parasitic capacitors (input capacitance of the amplifier, switching elements, mounting, etc.) are recharged through the high-resistance feedback divider, which reduces the speed of the circuit and, as a result, the frequency range . The possibilities of reducing the resistance of the high-voltage divider, as noted above, are limited by the error caused by the self-heating of the resistors of the divider by dissipated power. In the proposed calibrator, the error from the self-heating of the divider is eliminated by the control loop based on the voltmeter, and therefore the resistance of the divider can be reduced based on the required broadband.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРАUSED BOOKS

1. «Глобальные решения в области точных измерений».1. "Global solutions in the field of accurate measurements."

Информационный русифицированный материал фирмы FLUKE (стр.2-3, 24-25).Information Russified material of the company FLUKE (pp. 2-3, 24-25).

2. Электроника, 1982, №18.2. Electronics, 1982, No. 18.

Л.Эклстон, Н.Фолкнер, Н.Джонсон, У.Прю, М.Тимман «Высокоточный производственный калибратор напряжения», стр.23-32, стр.28-29 (ЦАП с ШИМ).L. Eccleston, N. Faulkner, N. Johnson, W. Prue, M. Timman “High-precision industrial voltage calibrator”, pp. 23-32, pp. 28-29 (DAC with PWM).

3. «Автоматические измерения и приборы»3. "Automatic measurements and instruments"

П.П.Орнатский. Киев, «Высшая школа», 1980 стр.33-34 «Дифференциальный метод измерения»; стр.57 «Методы повышения точности при наличии минимальной информации о характере и месте возникновения погрешности»; стр.140 «Вольтметр средних значений».P.P. Ornatsky. Kiev, "Higher School", 1980 pp. 33-34 "Differential Measurement Method"; p.57 "Methods of increasing accuracy with minimal information on the nature and place of occurrence of the error"; p.140 "Voltmeter of average values".

4. «Прибор для поверки вольтметров и калибраторов В 1-18».4. "A device for checking voltmeters and calibrators B 1-18."

Техническое описание и инструкция по эксплуатации, часть 1, 2.085.019 ТО стр.34-36, 52 (дифференциальный вольтметр) стр.179 п.10.4.2.1 «Таблица 10.1».Technical description and operating instructions, part 1, 2.085.019 TO p. 34-36, 52 (differential voltmeter) p. 179 p. 10.4.2.1 “Table 10.1”.

5. «Преобразователь напряжений В 9-12».5. "Voltage Converter 9-12".

Техническое описание и инструкция по эксплуатации, часть 1, 2.008.006 ТО стр.8, п.3.1.1.Technical description and operating instructions, part 1, 2.008.006 TO page 8, clause 3.1.1.

Claims (3)

1. Широкодиапазонный калибратор, управляемый дифференциальным вольтметром, содержащий подключенный к выходному зажиму устройства усилитель калибратора с масштабирующим делителем в цепи отрицательной обратной связи, источник опорного напряжения и цифроаналоговый преобразователь (ЦАП) этого напряжения, подключенный своим выходом к входу упомянутого усилителя и входу аналого-цифрового преобразователя (АЦП), другой вход которого через входное масштабирующее устройство дифференциального вольтметра подключен к входному зажиму устройства, при этом АЦП установлен с возможностью записи его цифрового кода в схему управления ЦАП, отличающийся тем, что выход калибратора через контакты переключателя подключен к входу управляющего им дифференциального вольтметра.1. A wide-range calibrator controlled by a differential voltmeter, comprising a calibrator amplifier connected to the output terminal of the device with a scaling divider in the negative feedback circuit, a reference voltage source and a digital-to-analog converter (DAC) of this voltage, connected by its output to the input of the aforementioned amplifier and the analog-to-digital input a converter (ADC), the other input of which is connected to the input terminal of the differential voltmeter through an input scaling device of a differential voltmeter VA, while the ADC is installed with the ability to record its digital code in the DAC control circuit, characterized in that the output of the calibrator through the contacts of the switch is connected to the input of the differential voltmeter that controls it. 2. Широкодиапазонный калибратор, управляемый дифференциальным вольтметром по п.1, отличающийся тем, что вход усилителя калибратора выполнен в виде сумматора напряжения ЦАП с напряжением дополнительного ЦАП, обеспечивающего формирование корректирующего сигнала, для чего выход дополнительного ЦАП через весовой резистор соединен с суммирующим входом усилителя калибратора.2. A wide-range calibrator controlled by a differential voltmeter according to claim 1, characterized in that the input of the calibrator amplifier is made in the form of a DAC voltage adder with an additional DAC voltage, which provides the formation of a correction signal, for which the output of an additional DAC through a weight resistor is connected to the summing input of the calibrator amplifier . 3. Широкодиапазонный калибратор, управляемый дифференциальным вольтметром по п.1, отличающийся тем, что в его состав включены устройства, обеспечивающие воспроизведение и измерение переменного напряжения, в виде источника опорного напряжения переменного тока и цифроаналогового преобразователя этого напряжения, который своим выходом через контакты переключателя подключается к входу усилителя калибратора, а в цепь измерения напряжения включен, через входное устройство, преобразователь переменного напряжения в постоянное, который своим выходом через контакты переключателя подключен к измерительному входу АЦП.3. A wide-range calibrator controlled by a differential voltmeter according to claim 1, characterized in that it includes devices providing reproduction and measurement of an alternating voltage, in the form of a source of a reference voltage of an alternating current and a digital-to-analog converter of this voltage, which is connected via its output through the switch contacts to the input of the amplifier of the calibrator, and in the voltage measuring circuit is included, through the input device, an AC to DC converter, which its m output through the switch contacts connected to the measuring input of the ADC.
RU2006142434/28A 2006-11-30 2006-11-30 Differential voltmeter-controlled wide-range calibrator RU2333505C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006142434/28A RU2333505C1 (en) 2006-11-30 2006-11-30 Differential voltmeter-controlled wide-range calibrator

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006142434/28A RU2333505C1 (en) 2006-11-30 2006-11-30 Differential voltmeter-controlled wide-range calibrator

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2333505C1 true RU2333505C1 (en) 2008-09-10

Family

ID=39867026

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006142434/28A RU2333505C1 (en) 2006-11-30 2006-11-30 Differential voltmeter-controlled wide-range calibrator

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2333505C1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU200687U1 (en) * 2020-06-26 2020-11-05 Общество с ограниченной ответственностью «ФОРМ» AUTOMATIC VOLTMETER-CALIBRATOR OF MODULAR MEASURING SYSTEM
CN115201738A (en) * 2022-07-07 2022-10-18 中国测试技术研究院电子研究所 Calibration system for on-load tap-changer tester of transformer
RU2805131C1 (en) * 2021-03-30 2023-10-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Главный научный метрологический центр" Министерства обороны Российской Федерации Method for transmitting unit of alternating electrical voltage from reference converter to calibrators and voltmeters for a number of frequencies

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
"Прибор для поверки вольтметров и калибраторов" В 1-18 Техническое описание и инструкция по эксплуатации, часть 1 2.085.019 ТО с.34-36, 179. *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU200687U1 (en) * 2020-06-26 2020-11-05 Общество с ограниченной ответственностью «ФОРМ» AUTOMATIC VOLTMETER-CALIBRATOR OF MODULAR MEASURING SYSTEM
RU2805131C1 (en) * 2021-03-30 2023-10-11 Федеральное государственное бюджетное учреждение "Главный научный метрологический центр" Министерства обороны Российской Федерации Method for transmitting unit of alternating electrical voltage from reference converter to calibrators and voltmeters for a number of frequencies
CN115201738A (en) * 2022-07-07 2022-10-18 中国测试技术研究院电子研究所 Calibration system for on-load tap-changer tester of transformer
CN115201738B (en) * 2022-07-07 2023-12-29 中国测试技术研究院电子研究所 Calibration system for on-load tap-changer tester of transformer

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5012181A (en) Apparatus for and method of internally calibrating an electrical calibrator
WO2020253552A1 (en) High-precision resistor measurement system and method based on combination of differential method and proportional method
TWI241071B (en) Test framework and test method of analog to digital converter
US8604765B2 (en) Resistance simulation and common mode rejection for digital source-measure units
Naylor Testing digital/analog and analog/digital converters
CN110488092B (en) Method for measuring and compensating electric energy quality device
CN103323642B (en) internal self-check resistance bridge and method
US5735605A (en) Thermocouple temperature probe adapter
KR101446669B1 (en) Method for calibrating the measurement output distortion using continuous full-scale voltage/current sampling about circuit
Ortolano et al. A comprehensive analysis of error sources in electronic fully digital impedance bridges
RU2333505C1 (en) Differential voltmeter-controlled wide-range calibrator
Tewksbury et al. Terminology related to the performance of S/H, A/D, and D/A circuits
KR101040589B1 (en) A method for temperature compensation of digital power meter
CN110542849B (en) Full MOS voltage and temperature monitoring method and circuit
Kampik Comparison of nonquantum methods for calibration of the digital source of very-low-frequency AC voltage
JP2813508B2 (en) Electronic watt-hour meter
KR101606232B1 (en) Electronic watt-hour meter
Matviiv et al. Development of portable DC voltage calibrators with additive offsets adjusting
Gulko et al. Analysis of the Instrumentation Amplifiers Errors by Simulation Modeling
Williams et al. Design and metrological applications of a low noise, high electrical isolation measurement unit
Sang et al. Design and verification of ultra-high stability current sources
JP2001317908A (en) Distortion calibrator
WO2023189370A1 (en) Measuring device
RU2731033C1 (en) Bridge-type pressure transducer
Peng et al. Design of a high precision current source

Legal Events

Date Code Title Description
TK4A Correction to the publication in the bulletin (patent)

Free format text: AMENDMENT TO CHAPTER -FG4A- IN JOURNAL: 25-2008 FOR TAG: (72)