Тестер ОУ

Часть 5. Калибровка прибора

Калибровка (или поверка) любого средства измерения обычно заключается в том, что его показания сравниваются с показаниями прибора заведомо более высокого класса точности и при необходимости калибруемый прибор регулируется таким образом, чтобы его показания минимально отличались от эталонного. В случае с тестером ОУ такой подход не работает - эталонного прибора просто нет. Не то чтобы его совсем не существовало в природе, у изготовителей микросхем ОУ наверняка имеются какие-то стенды для измерения параметров их продукции, однако получить доступ к подобного рода оборудованию для любителей - маловероятно.

Конечно, если эти строки прочитает кто-нибудь из тех, кто имеет возможность провести сравнение показаний описанного здесь тестера ОУ с результатами тестирования микросхем на профессиональном оборудовании, автор будет счастлив принять участие в таком сравнении, однако, пока такое предложение не поступало и нам предстоит заниматься калибровкой изготовленного прибора самостоятельно.

Что же мы можем откалибровать в изготовленом нами тестере ОУ для того чтобы доверять получаемым с его помощью результатам? На этот вопрос легко ответить, проанализировав формулы, по которым вычисляются измеряемые параметры ОУ. На конечные результаты вычислений влияют следующие факторы:

• точность подбора сопротивлений в измерительной схеме, например, отклонение сопротивления резистора R3 на главной плате (рис. 19) от номинала вызывает пропорциональную ему ошибку при измерении входного тока Ib-, соотношение сопротивлений резисторов R10 и R11 влияет на точность определения параметра Aol и так далее;
• точность установки напряжений питания испытуемого ОУ и, в особенности, точность их изменений при измерении параметров CMRR и PSRR;
• точность измерения выходного напряжения вспомогательного ОУ;
• точность измерения тока потребления Iq.

Первый из перечисленных факторов - точность подбора сопротивлений резисторов - можно исключить из дальнейшего рассмотрения, поскольку этот подбор делается однократно в процессе изготовления главной платы и, если установленные на плату резисторы были надлежащим образом отобраны и имеют минимальные отклонения сопротивлений от указанных на схеме, то в процессе настройки прибора и его эксплуатации какой-либо их дальнейшей корректировки не потребуется. А вот что касается трех остальных факторов, то их необходимо не только отрегулировать при первичной настройке прибора, но и иметь возможность периодически контролировать и подстраивать в процессе его эксплуатации.

Для этого в управляющую программу тестера ОУ включены три полуавтоматические процедуры, при выполнении которых производится калибровка программируемого источника питания (PPS), калибровка цифрового вольтметра и калибровка цифрового миллиамперметра, входящих в состав прибора. Процедуры эти не могут быть полностью автоматизированы, поскольку включают в себя сравнение результатов измерений встроенных компонентов тестера ОУ с показаниями внешнего (эталонного) прибора. Это не может быть реализовано только программными методами и требует некоторого участия человека, однако это участие сведено к минимуму.

Итак, нам предстоит откалибровать два канала PPS, каждый из которых по своей сути представляет собой цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), а также вольтметр и миллиамперметр, реализованные на основе аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Важно отметить, что и те и другие преобразователи характеризуются строго линейной зависимостью между кодом, записываемым в регистр данных ЦАП (или считываемым из рабочего регистра АЦП) и величиной напряжения на выходе ЦАП (или напряжения на входе АЦП). А раз зависимость является линейной то ее можно выразить в виде всем хорошо известного из школьного курса алгебры линейного уравнения Y = kX + b, где Y - величина напряжения, X - код в рабочем регистре, а k и b - константы, определяющие наклон характеристики (k) и точку перехода ее через ноль (b). Соответственно, каждая из процедур калибровки заключается в сравнении выходных напряжений PPS, входного напряжения вольтметра и входного тока миллиамперметра с известными величинами, контролируемыми внешним эталонным прибором и в вычислении для каждого из них констант, определяющих установку нуля и чувствительность измерительной схемы. Эти константы сохраняются в программной памяти микроконтроллера в виде массива ActiveSettings, состоящего из чисел с плавающей точкой, и в дальнейшем используются в процессе измерений.

Массив ActiveSettings объявлен в начале файла OpAmpTester.ino, там же имеются подробные комментарии, объясняющие, за что отвечает каждая из констант этого массива, поэтому мы не будем здесь углубляться в эти подробности.

Каждая из процедур калибровки состоит из ряда шагов, в ходе выполения которых пользователь должен переставлять перемычки на главной плате, подключать внешний эталонный вольтметр к различным контрольным точкам и с помощью кнопок управления выставлять соответствующие напряжения. В процессе выполнения каждого из шагов на дисплей тестера ОУ выводятся сообщения, объясняющие, какие именно действия должен совершить пользователь на текущем шаге. Те же самые сообщения отправляются через USB порт в окно Serial Monitor.

Для вызова процедур калибровки нужно до включения питания тестера ОУ нажать и, удерживая в нажатом состоянии одну из кнопок управления в соответствии с таб. 6, включить питание прибора.

Важно отметить, что процедуры калибровки должны вызываться именно в той последовательности, в которой они перечислены в таблице 6. В процессе выполнения каждой из процедур калибровки программа вычисляет и сохраняет в энергонезависимой памяти микроконтроллера соответствующие калибровочные константы. После успешного завершения этих процедур все двенадцать констант будут сохранены в EEPROM, а тестер ОУ будет готов к работе.

Заключение

Работая над созданием тестера ОУ в течение почти двух лет, автор прошел большой путь от первого довольно примитивного макета, выполненного на базе микроконтроллера Arduino Nano и монохромного символьного дисплея, до нынешней версии, работающей на современном 32-разрядном микроконтроллере с цветным графическим экраном, отдельным 16-разрядным АЦП и изоляцией цифровой и аналоговой части по питанию. Была разработана оригинальная временная диаграмма измерений, сводящая к минимуму отрицательное влияние самопрогрева ОУ на точность измерения его параметров, добавлены автоматизированные процедуры калибровки, внесено множество изменений в управляющую программу, повышающих комфортность работы с прибором.

В нынешнем его состоянии тестер ОУ обеспечивает стабильность и повторяемость результатов измерений и может быть рекомендован для повторениями радиолюбителями в своих домашних лабораториях. Тем не менее, автор сознает, что прибор пока еще далек от совершенства и у него еще остается огромный простор для улучшений, как с точки зрения повышения достоверности результатов измерений, так и с точки зрения функциональности и пользовательского интерфейса. Поэтому работа над тестером ОУ продолжается и наши читатели имеют возможность принять в ней участие, внося свои собственные усовершенствования в аппаратную и программную части прибора. Мы будем рады опубликовать на этом сайте ваши отклики об этом проекте и особенно будем благодарны тем из вас, кто захочет поделиться с автором и читателями сайта своим опытом изготовления собственных версий тестера ОУ и теми изменениями, которые вы внесли в его схему и программное обеспечение.