讨论一下精密电压源,精密电流源的设计
最近的一个产品涉及到一个精密电压源,精密电流源的设计,参数如下:电压源:0~15V,1mV步进可调,精确度要求 1mV;
电流源:0~200mA,10uA步进可调,精确度要求 10uA;
都是要用程控的。
负载是二极管,电流源激励测试 压降,电压源 激励 测 电流。
要求测量精度也是达到 1mV 和 1uA。
设备是给生产线用的,24小时开机,可能几个月都不会关,之前做的板子给客户使用的时候温飘厉害,2小时就要校准一次,客户非常恼火,所以在这里抛砖引玉一下,不知道大家都有什么高见来改进一下? 遇到什么问题就解决什么问题,温飘大就用低温飘的基准源,还不行就给个外部恒温。 这个精度真高。
最简单办法,使用高精度取样电阻。 上点补品是必须的,MAX6225,OP27,Caddock低温漂电阻,16-bit DAC,24-bit ADC,基本上就可以达到要求了。 15v下面1mv就是至少14位精度,200mA下面10uA就是至少15位精度.在这种精度要求下估计很难做到。不是长他人志气,国人估计做不到。里面涉及到的不仅仅是温度的变化,还有其他很多东西。同意3楼的建议,拿FLUKE的吧。 回复【5楼】wy2000
15v下面1mv就是至少14位精度,200ma下面10ua就是至少15位精度.在这种精度要求下估计很难做到。不是长他人志气,国人估计做不到。里面涉及到的不仅仅是温度的变化,还有其他很多东西。同意3楼的建议,拿fluke的吧。
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竞争对手已经做到了,就是个小小工作室出的产品。 我现在的硬件配置:
AD7606,16bit,8-ch,同步采样,250Ksps;ADC
DAC8564, 16bit,4-ch,250ksps, DAC
电流源管子原来用的 D882P,现在改成 IRF640, OP原来是 OP07,发现假货太多,现在改成 OP2177;
电流源现在比较精确,16bit DAC,取样电阻(2个51ohm/1W 1%金属膜并联)可以做到 3uA步进。
电压源是用 DAC输出,OP比例放大,PNP+NPN扩流实现的,这个家伙现在问题很大。 回复【4楼】gzhuli 咕唧霖
上点补品是必须的,max6225,op27,caddock低温漂电阻,16-bit dac,24-bit adc,基本上就可以达到要求了。
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BTW, Caddock低温漂电阻 在哪买啊?
因为这是工控板卡,量非常之少,提太多要求到华强北找人家都不鸟。 回复【7楼】LJM4U
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“取样电阻(2个51ohm/1W 1%金属膜并联)”
估计就是这个问题。一般工业使用锰铜丝,但是需要使用一枚仪表放大器。算下来和买个高精度电阻差不多。 1、从你的芯片配置来看,使用op284 这类轨至轨运放合适。
2、再有这么小的电流,使用镜像也许更好。
3、控制方式,没有纯粹恒压控制,一般恒压限流控制。所谓2环控制,电流源在里边。 回复【8楼】LJM4U
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2个51欧/1W 1%电阻并联做电流采样能做到全程10uA精度,话说这个结果我很意外。
200mA/25欧功率已经1W了,每个电阻0.5W,发热也不小了,电流没漂出10uA,这个电阻热稳定性很高嘛。
电压不稳倒是不应该,是不是运放太接近功率管,热耦合太厉害了? 1.检流电阻阻值用小些,这样可以降低热功耗所带来的温升,功率最好留出30倍,考虑到你的要求,最起码选择25ppm/度温漂的,但也可用锰铜或康铜等温飘小的金属丝自绕,电流采样最好是用个运放放大5倍后送A/D,这样可以进一步降低电阻的功率值,V,A的采样通道中的运放最好别用仪表发大器,仪放好处是抗共模干扰强,输入内阻大,但你如果检流电阻电阻在低端的话,那共模不是太大问题,仪放的温飘很大,开环失调就是你调了0,温度的漂移也会让你头疼。所以建议用斩波稳0的运放。比如LTC1052 等。
2.A/D和D/A的基准电压IC用好些的,尽量选择在5ppm/度以下的,还有A/D,D/A的INL参数,无误码位数等,速度我看你这东西倒不是太重要,工业用,∑A/D估计可以让你省去很多的麻烦。
3,最后要说的,精度和温度是息息相关的,整个系统也是木桶效应,一个环节出问题,那结果就完全是错误的,所以各环节请酌量考虑温飘小的材料。 回复【11楼】gzhuli 咕唧霖
回复【8楼】ljm4u
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2个51欧/1w 1%电阻并联做电流采样能做到全程10ua精度,话说这个结果我很意外。
200ma/25欧功率已经1w了,每个电阻0.5w,发热也不小了,电流没漂出10ua,这个电阻热稳定性很高嘛。
电压不稳倒是不应该,是不是运放太接近功率管,热耦合太厉害了?
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>100mA以后就只要求1mA精度了,我前面说的只是 10uA步进。不是精度。 回复【12楼】gxll
1.检流电阻阻值用小些,这样可以降低热功耗所带来的温升,功率最好留出30倍,考虑到你的要求,最起码选择25ppm/度温漂的,但也可用锰铜或康铜等温飘小的金属丝自绕,电流采样最好是用个运放放大5倍后送a/d,这样可以进一步降低电阻的功率值,v,a的采样通道中的运放最好别用仪表发大器,仪放好处是抗共模干扰强,输入内阻大,但你如果检流电阻电阻在低端的话,那共模不是太大问题,仪放的温飘很大,开环失调就是你调了0,温度的漂移也会让你头疼。所以建议用斩波稳0的运放。比如ltc1052 等。
2.a/d和d/a的基准电压ic用好些的,尽量选择在5ppm/度以下的,还有a/d,d/a的inl参数,无误码位数等,速度我看你这东西倒不是太重要,工业用,∑a/d估计可以让你省去很多的麻烦。
3,最后要说的,精度和温度是息息相关的,整个系统也是木桶效应,一个环节出问题,那结果就完全是错误的,所以各环节请酌量考......
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速度也有一定的要求啊,整台设备的速度不能低于 20K/小时,要完成最多 15 个项目的测试,西格玛的肯定不够用的。
BTW,之所以只用了金属膜电阻,主要是 采购的问题很麻烦,设备的量太小,一年才几百台。
基准方面,我现在都是用的 ADC和 DAC内部基准, AD7606 内部基准 10ppm, DAC8564 用的 2ppm 版本。
之前我的产品用的是研祥的 12bit AD/DA卡,效果比较差,所以这次采集卡自己做了。 贴出我用的 恒压源 电路图:
http://cache.amobbs.com/bbs_upload782111/files_37/ourdev_625943HLTFTJ.gif
恒压电路 (原文件名:恒压电路.gif) 回复【11楼】gzhuli 咕唧霖
回复【8楼】ljm4u
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2个51欧/1w 1%电阻并联做电流采样能做到全程10ua精度,话说这个结果我很意外。
200ma/25欧功率已经1w了,每个电阻0.5w,发热也不小了,电流没漂出10ua,这个电阻热稳定性很高嘛。
电压不稳倒是不应该,是不是运放太接近功率管,热耦合太厉害了?
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实际使用时,目前只需要考虑 0~100mA的情况,200mA可以暂时不做那么大。
现在最大问题在于电压源,一直没有找到理想的实现方法。 回复【10楼】fickle
1、从你的芯片配置来看,使用op284 这类轨至轨运放合适。
2、再有这么小的电流,使用镜像也许更好。
3、控制方式,没有纯粹恒压控制,一般恒压限流控制。所谓2环控制,电流源在里边。
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Fickle 兄,不知道可否详述一下 2环控制的原理图和实现? 回复【14楼】LJM4U
20k/小时∑速度应该也够啊,∑抗干扰性强,采3回平均后,就很准确了,待测值不变化的话,在4半精度下,多次采样几乎是一字不差,这个和逐次逼近型不同,你需要多次采样来平均抗干扰。
你的图是是功率扩展吧,不是最常见的恒压和恒流电路,这样做的话,恒流和恒压不容易切换啊? 电阻的事情,可以从济宁正和买铂电阻。以为你就做一台呢 回复【13楼】LJM4U
回复【11楼】gzhuli 咕唧霖
回复【8楼】ljm4u
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2个51欧/1w 1%电阻并联做电流采样能做到全程10ua精度,话说这个结果我很意外。
200ma/25欧功率已经1w了,每个电阻0.5w,发热也不小了,电流没漂出10ua,这个电阻热稳定性很高嘛。
电压不稳倒是不应该,是不是运放太接近功率管,热耦合太厉害了?
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>100ma以后就只要求1ma精度了,我前面说的只是 10ua步进。不是精度。
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我不明白只有1ma的精度的东西,为什么要10ua的分辨率,我可以这样理解吗?你调100步都有可能 是白调 回复【17楼】LJM4U
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恩,以前做过类似的东东,5A/5V的,使用内置16bit adc和dac,精度0.1%。(和你的这个没法比,不到3000$卖给鬼子了。方便透露下你这
个价格么?)
至于2环控制,硬件环是恒流,电压控制是代码实现的,即软硬结合实现的。 关注下~~~ 回复【12楼】gxll
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“如果检流电阻电阻在低端的话”
----从楼主使用irf640来看,应该就是低端取样。
----关于高端或者低端取样,设计风格问题,不应强求。呵呵,不过还想说几句。倾向于高端取样的,得到最大好处就是外部短路,也
不会烧片子,很健壮。而且降低对pcb要求,不必考虑内部环流问题。而低端要精心设计pcb(很可能多次制作)。当然,同样会带来高共模
电压以及电压控制范围问题。
----至于失调电压等问题,直接校准就可以了。当然,前提取样电阻要温漂小。 回复【18楼】gxll
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最近用了一款sigma-delta片子,真tmd好。呵呵,对这类ad真是刮目相看啦(采样频率48k,看指标能达到96k)。 阿莫这里果然是高手云集,而且都这么热心。
fickle 兄,我这里恒流源是负载接在高端的,高共模问题用模拟开关,加AD620解决的。
我贴的图纸是 恒压源的,现在的板子上是两套电源,恒压源一套,恒流源一套,分开用光继电器切换,
所以同时也带来了问题,恒压源传到负载上面后,电压有偏差,目前还没有研究出合适的电路改进,
所以对你说到的 所谓 2环控制 很有深入了解的渴望的。。。 如果项目允许,可使用分档设计,200MV,2V,20V 回复【26楼】capron
如果项目允许,可使用分档设计,200mv,2v,20v
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是允许的,现在已经在这一版的PCB上预留了,只要软件协作就能实现。
分档是有必要的,本身各档的精度要求也不一样,这样实现也方便一些。 回复【23楼】fickle
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因为测量的主要是直参数,运放开环失调电压的影响,有两个参数,一个是开环失调电压,2是开环失调电压变化度/度,1是可以外部电位器调整过来或者在软件中清0,但2就很不好标定了,就如以上坛友推荐的op07,op284,一个是1.3uv/度,一个是2uv/度,如果是电流采样,只有5倍放大的话,30度温度变化(别说没有,一年4季,这变化算小的,还没按0~70来算的),那就是1.3*5*30=195uv≈200uv。200mv,10ua的分辨率的话,那光开环失调电压温度漂移就能让他有20个字的误差,这还没包括失调电流的影响,也可以说,用mcu采样温度后用软件来校正,但几十个温度点,而且各片ic在同一温度下,失调并不一样,所以用软件来标工作量太大,根本不现实,所以我才建议用斩波稳0的运放。 我的想法是直接实现一个恒流/恒压源,仅仅通过切换 负载的连接位置,
或者使用别的方法,使用一个电源就同时实现 恒流 或者 恒压的功能,
(因为我的设计要求中,恒压源与恒流源 同一时间只会有一个在工作)。
而且使用恒流恒压自动切换,还可以保证负载最大功率恒定,起到保护作用。
不过现在还没有找到合适的实现方法,因为为了检测 uA 级电流(利用运放虚短实现),
恒压源必须采用负压供电,但是恒流源是正压的。 http://cache.amobbs.com/bbs_upload782111/files_37/ourdev_625966PRWG19.JPG
(原文件名:11.JPG)
这是个电压,电流源的模型,(凭影响画的,不定全对),你可以参考下,实际的电路你还加上补偿,分压,缓冲等功能电路,现在是电流和电压通过二极管双控,你也可以通过软开关来切换成电压或电流单控,但如果用开关,那mos栅级必须与正极间接一电阻。 回复【24楼】fickle
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是嘛,推荐,推荐,哈哈 回复【25楼】LJM4U
所以同时也带来了问题,恒压源传到负载上面后,电压有偏差,目前还没有研究出合适的电路改进,
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用远端采样方案,既电压采样两端另外引两条线到负载,可以无视线路压降,高精度电源都有这个功能。
其实LZ可以参考坛里的春风2.1或者前方第五版电源,模拟部分架构不动,换上LZ的运放、DAC和ADC配置,基本上就能达到LZ的设计要求。
回复【30楼】gxll
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这样是不行的,恒压状态时输出电压会因R1压降而变化。
回复【28楼】gxll
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OP27的Vos drift只有0.2uV/度。
以前没有自稳零运放,也可以通过外部补偿电路来减小温漂的。自稳零运放的缺点是高频噪音比较大,加低通过滤又影响瞬态性能,有时候是挺鸡肋的。 回复【33楼】gzhuli 咕唧霖
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是,这个只是画给他理解的原型,用时间要变的,最好的就是把检流电阻接到高端,用运放组成差分来做高端检流,或者就是以上电路,用个差分来采电压值然后再送到控制运放。 前段时间准备做的微欧仪,恒流部分图纸,电流只有10ma,R3是高端检流电阻,改变它就改变了电流值,当然改变R2,R1及U1A正输入端电压值也都可以。R4是负载。因为要几档切换,所以R7是模拟的AD509导通电阻,u2组成了开尔文的电压采样带10倍放大,以消除表笔线电阻带来的误差。其实这图就是以上图纸的变化而已。你现在还可以用个运放做成差分转单端后,直接送电压控制环路,这样你也消除了引出线电阻带来的恒压时的影响,但我这个是10ma的电路,所以针对你的电路,还得修改很多地方,算是抛砖引玉吧
http://cache.amobbs.com/bbs_upload782111/files_37/ourdev_626023XU8HCE.JPG
(原文件名:常常.JPG) 非常感谢各位热心的兄台在这么晚的深夜来关注这个问题:
现将我使用的恒流源电流贴出,参考了曾经在本坛子热议过的电流源设计贴,仿真和实际试验的结果都还不错。
http://cache.amobbs.com/bbs_upload782111/files_37/ourdev_626024JDOT9S.gif
恒流源 (原文件名:恒流源.gif) 顺便说一声,温飘的不是上面这个电路,上面这个是改板后还没有上机调的,下面这个才是在客户设备上面实际跑的。
http://cache.amobbs.com/bbs_upload782111/files_37/ourdev_626025EFSZGR.JPG
(原文件名:恒流源1.JPG) 之前的设计要求没有到 200mA,只用了 最大 60mA,但是 D882P 就发热了;
当然,之前这个板子 R65 我实际只用了一个 1/4W 的。<;> 回复【36楼】LJM4U
非常感谢各位热心的兄台在这么晚的深夜来关注这个问题:
现将我使用的恒流源电流贴出,参考了曾经在本坛子热议过的电流源设计贴,仿真和实际试验的结果都还不错。
恒流源 (原文件名:恒流源.gif)
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你这电路还是有问题。
你没法消除开关rl22和rl23导通电阻的影响,而且不管你用什么开关,这个电阻是变化的,所以你并不能完全靠软件标定掉,正规的做法是两开关另外各加一投,组成双刀切换,使运放b以开尔文采样,这样就可以消除开关电阻带来的影响。改的图在下面
你好象差个最重要的补偿吧?很多文章都把运放A称为积分比较器,可想而知这个补偿的重要性。
http://cache.amobbs.com/bbs_upload782111/files_37/ourdev_626032LZCRMS.jpg
(原文件名:ourdev_626024JDOT9S.jpg) mark 回复【39楼】gxll
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hp的,你可以参考下,u6是电流采样差分放大,我记到好象是4倍,u15是电流值放大缓冲然后送mcu,R226为外部调0,u5为加法积分比较控制。上端U14为差分电压采样送mcu,R5是电流采样电阻,R21是阻抗匹配电阻,R25送来的是mcu电流控制信号,D23后端是关闭电流控制信号。(都是以图分析的,有错误大家指正)
http://cache.amobbs.com/bbs_upload782111/files_37/ourdev_626034QKZ6M8.JPG
(原文件名:1.JPG) 好贴,37楼的图没有相位补偿应该是要震荡的。 要好好学_运放了。看不太懂。。 高精度电流源,关注 mark 这是个好贴! 回复【42楼】tangfree
好贴,37楼的图没有相位补偿应该是要震荡的。
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LZ的负载是二极管,对相位影响有限,不一定振。 刚下班回来,ourdev的朋友们真够意思,没想到随便一个贴就有这么多网友帮衬。
我现在在调试 AD/DA 卡的程序,等调完程序再来好好研究一下恒流恒压卡的电路。
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BTW,今天见到有人用 LM12 来直接输出做恒流源的,不知道有没有朋友做过类似方案的(使用Power OP),效果如何? 回复【48楼】LJM4U
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唉,看大家讨论来讨论去的,我发张图吧。 回复【37楼】LJM4U
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这个电路做不出精度很高稳定度很好的恒流源,电流一大的时候电阻的热电偶效应,铜箔引线的电阻(可变)等都会影响到采样的精度和稳定度。 恩,学习来了,标记一个 好帖,mark~慢慢学习做电流源! Mark,学做电源凑热闹 mark~慢慢学习 感觉这个东东很有意思,胡诌几句自己的想法。
1、“电流源:0~200mA,10uA步进可调,精确度要求 10uA”,
200mA /10uA = 20000,86DB,看来必须使用量程来实现。这样大概12bit adc和dac可以胜任。(觉得金属膜电阻作为检测元件,对于
16bit adc ,太不给力)
2、检测电流的方式,觉得采用电流输入放大器比较合适。改变放大器的反馈电阻,达到切换量程目的,初步设想2-3个量程,算下来0.1%
精度。 mark 回复【47楼】gzhuli 咕唧霖
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运放面对的是mos的栅容,也就是容性负载,有时候为了减小功率管与控制板的热偶合,可能功率管离控制板还有一定距离,那还会微带些感性。未工作在开关状态的mos并不是太好驱动,速度和稳定要靠很多外围电路来协助的。 关注结果,我也在做类似的东东 解释下:我的板子用了2个仪表运放,2个4路运放,一个功率运放。加流和加压切换,加流模式下钳电压,加压模式下钳电流。抛砖引玉。这个是低压版本,高压45V版本暂时保密,有兴趣者可以加QQ:653844576 好友细谈。 再补充几句:AD,DA建议用16bit的,OP务必选用vos低的,电阻用0.1%的,尽量不要用可调电阻,可调电阻是个很大的不稳定源.还有就是散热要做好,功率运放和大电流量程电阻,功耗比较大,要加散热片;另外就是电源,务必要用模拟线性电源.
采用功率运放而不用分立器件的一个理由是保护,功率运放的保护做的很好,包括热保护和限流保护等.
象这种电子产品,采用高性能元器件能让工程师少出差几次维护的话,这个钱就大大的省下来了. 这个东东敢大把使用16bit片子,再加上仪表放大器,看来利润空间挺大。 回复【58楼】gxll
回复【47楼】gzhuli 咕唧霖
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运放面对的是mos的栅容,也就是容性负载,有时候为了减小功率管与控制板的热偶合,可能功率管离控制板还有一定距离,那还会微带些感性。未工作在开关状态的mos并不是太好驱动,速度和稳定要靠很多外围电路来协助的。
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37楼的图用的是D882。 这贴含金量不低嘛 嘿嘿,58楼说了一下才仔细看了37楼的图,这个结构做的恒流源恒的是Ie不是Ic,多了个Ib,而HFE随着管子发热而改变,结果当然是漂了…… 电流源,建议楼主分段,0-2ma2ma-200ma2ma段采用低温漂低噪声高精度运算放大器组成,2ma以上需要加大电流输出的运放做输出跟随BUF634。以前就采用这个方案做过电阻 二极管 三极管测试的实验,效果才可以。 回复【67楼】urchin
电流源,建议楼主分段,0-2ma2ma-200ma2ma段采用低温漂低噪声高精度运算放大器组成,2ma以上需要加大电流输出的运放做输出跟随buf634。以前就采用这个方案做过电阻 二极管 三极管测试的实验,效果才可以。
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呵呵,要是我做也用类似buf634芯片,不谋而合。类似的lm3886,tda7294,价格更有竞争力。
恩,要是给人打工,直接用现成的片子。如果自己做,还是用mos管。 网友推荐置COOL :
内容很实用,都是一些经验之谈,不错置酷吧 回复【66楼】gzhuli 咕唧霖
嘿嘿,58楼说了一下才仔细看了37楼的图,这个结构做的恒流源恒的是ie不是ic,多了个ib,而hfe随着管子发热而改变,结果当然是漂了……
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LZ已经改用的是36楼的图,而37楼贴的是原来不合格的电路,我说栅容等讲的是其36楼的图,已经费掉的的图我建议他做什么。 回复【70楼】gxll
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回复【42楼】tangfree
好贴,37楼的图没有相位补偿应该是要震荡的。
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LZ的负载是二极管,对相位影响有限,不一定振。
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我47楼回复的是针对42楼说37楼的图没补偿要振荡一说。 回复【63楼】fickle
这个东东敢大把使用16bit片子,再加上仪表放大器,看来利润空间挺大。
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其实利润空间不怎么大,但是如62楼所言:“象这种电子产品,采用高性能元器件能让工程师少出差几次维护的话,这个钱就大大的省下来了. ”
再者,我选的这两颗ADC与DAC性价比试非常高了,推荐大家有需要也可以用一下,尤其是AD7606,8通道同步采样,180RMB,外围就几个模式配置电阻,其他啥都省了。 昨天一直在思考如何简单有效的实现 恒压恒流(恒功率,加压限流,加流限压),现在有点思路了,正在仿真,稍晚些再贴出来大家拍下砖。
…… 标记 mark 好东西,记下了 这表和源我能做,我是做直流小信号过程校验的,把你的具体指标提出来,qq:466930727 需要学习的东西还很多哦 楼主进展怎么样了? mark 这么好的东西先mark,最近用得到。 mark mark 学习了 精度这么高的电压源、电流源对电源的要求是不是也很高啊,楼主用的什么规格型号的电源? mark 回复【楼主位】LJM4U
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算是比较精密的,那ADC采样部份的电路设计有没有什么思路?
能否告之一二? 不错的技术贴,学习了! mark 最近也在做一个可调标准信号源,输出电流范围0~30.00mA,最小分辨力0.01mA,仿真顺利通过,实验板电路调试也是温飘问题是在让我头疼,看来不下本用好东东是不行的了。
此贴好贴,都是经验之谈,等我的搞完也贴来和大家交流交流! 最近可能会做一个玩玩,先mark。 不是多少位DA就能做到的,好好考虑你使用的电源的纹波吧。 还有很重要的一点就是调零及温飘。 不错。 记号,以备查阅! 采样电阻,可以看下黑电阻,比较容易买到,温漂一般都能做到几个到几十个ppm,金属膜电阻的温漂一般都在几百ppm以上。 很感谢大家的关注,最近实在太忙了,都没有空闲来看大家的回复。
我的板子已经做了一些样板回来,目前并没有完全达到第一楼提到的设计需求,但是客户催的太急,只能先凑合用着,等这版结束,再来好好看看大家的回复,做一版像样的出来。。。 回复【28楼】gxll
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OP27的Vos drift只有0.2uV/度。
以前没有自稳零运放,也可以通过外部补偿电路来减小温漂的。自稳零运放的缺点是高频噪音比较大,加低通过滤又影响瞬态性能,有时候是挺鸡肋的。
OP27有三个系列,Vos最好的op27A/E,温飘是典型值是0.2uv/度,最大值是0.6uv/度,最差的op27c/g 温飘是典型值是0.4uv/度,最大值是1.8uv/度,所以就是用到了最好的A/E系列,既然做的是产品,而且还是工业用的,怎么也不能按典型的0.2uv来设计吧。 恒流源/恒压源 做仪表源的吧....生产线上用来调表的? mark 请教一下电流源和电流测量部分怎么标定和校准的?
10uA@100mA就是100ppm,看很多源或者表都在300ppm这个数量级 嘛
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