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关于adc前端滤波电容的时间常数问题 -ag真人试玩平台

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发表于 6 天前 | 显示全部楼层 |

众所周知,搭载sigma-delta adc的万用表,也就是我们常说的“单片机表”,最明显缺点就是:慢慢慢!!!
尤其是测量小电阻的时候。
然而,这种可恶的毛病,既不能赖“sigma-delta”,又不能赖“单片机”,相反,这两种都是很先进的技术。
那么问题出在哪里呢?
经过大家的研究,最终把问题推给了adc前面的rc滤波器,作用是吸收adc采样造成的电压纹波,理论上大容量对精度有利。其结构是100k电阻串联27nf电容,可以计算出时间常数为2.7ms,哪怕按照20倍时间常数来计算(此时剩余的误差只有几nv),也不过才0.05秒,根本是不可察觉的时间。那么凭什么它会这么慢,以至于需要5~10秒来稳定完毕呢。
(严重不符)
随后的一段时间,大家通过减少c来减少rc时间常数,也就是换成1nf,然而,这会造成某些奇奇怪怪的问题,有人觉得无关紧要,又不是不能用,但经验老道的工程师却强烈反对这么做。因为1nf相比表笔对干扰源的寄生电容来说实在是有点不够大,很容易感应到大量工频纹波,造成adc饱和,发生意外的测量错误。
----------------
后来,某人发现只要把电容换成c0g,不但工作温度范围变宽,容量对温度的稳定性增加,最重要的是:居然不需要缩减c的大小,也能达到快速稳定尾数的作用!
然而,这却有悖常理,也就是不符合时间常数的那个公式。
于是,今天我赶紧焊了两个电容,初步进行测量。

如图所示,第一颗电容是从zoyi上拆下来的27nf,材质肯定是x5r和x7r之中的一种。
使用这个电桥测量,给出100hz的q为110左右(d为0.009)。
容量为24.86nf,实际上,这种高介电常数陶瓷mlcc的容量是随频率变化的,不要把它当成电桥的误差。

另一个是4个100nf串联做成的25nf,实测容量24.68nf,由于此电容性能过于接近理想,已经低于电桥测量相角的误差极限,所以无法给出正确结果。
不过,电桥给出的容量是可以相信的,不受此相角误差影响。
然后,用上面的adr1399从7v分压出一个稳定的2v,分压器的输出阻抗刚好是100k,直接用分压器充当限流电阻为电容充电,然后用万用表测量电容电压随时间的变化。

没画pcb,直接焊在洞洞板上,反面没有任何东西。每颗电阻为10k,左下角为14串联,右上角为35串联,输入阻抗为140k 350k=490k,输出阻抗为1/(1/140k 1/350k)=100k,刚刚好。
而且7v*140k/490k=2v,也是刚刚好。
----------------
进入测量环节:
为了抑制工频干扰,所以采样速度设置为0.02秒/次,也就是每秒50次。
这个速度对于rc常数的测量来说非常勉强,甚至是失败的,所以就不放了(刚才写了但是又删了)。不要怀疑,这两个电容的容量绝对是一样的。
----------------
看一下把时间轴拉到2秒的结果,这是测电阻的时候人类能忍受的最长时间。

注意y轴坐标在接近最终电压(2v)的位置,每格为20uv。
绿色为c0g,蓝色为x7r。
可以看到一个快一个慢,蓝色的x7r已经脱离了时间常数的公式(2.5ms),现在时间常数目测有0.5~1秒左右。
而c0g的电压一下就窜上去,很快就平了。
----------------
然后时间轴拉到10秒,深蓝色和深绿色是5次测量的平均,最低那根浅蓝色是经过长时间“浸润”之后第一次测量的数据,相当于最坏情况的表现,其实差距并不大。

可以看到随着时间的延长,曲线逐渐靠近。但仍然没碰在一起
----------------
这是20秒的数据,用于确认电容是否“严重漏电”。

很明显,最终靠近了,所以前面x7r的糟糕表现,绝不是因为坏了!
它就是慢,或者把它当作一种随着时间缓慢减少的“漏电流”,也就是介电吸收。
----------------
好了,回到最初的尾数稳定速度问题。应该没什么悬念了,不过还有一个问题:
3.5位表v档只能分辨100uv,为什么能探测到这些10uv微小差异呢,其实是因为100 ohm电阻档测量电流只有1ma,所以压降很低,所以内部电压放大器是要工作的,相当于开了mv档,此时就能测到咯。

这次就是初步测一下,着急写完发出来,后面将会大量测试关于介电吸收的事情,各种频率下的。(我买了一百种不同的mkp,几公斤重)

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发表于 6 天前 | 显示全部楼层
如此技术流的文章不得加精。期待后续更新。另外这能否解释部分用户更换电容后测量误差增大呢?或许只要重新校准就行了?
发表于 5 天前 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
我认为这个现象是铁电体的在电场作用下极化的非线性引起的
发表于 5 天前 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
chance92 发表于 2023-7-19 22:57
如此技术流的文章不得加精。期待后续更新。另外这能否解释部分用户更换电容后测量误差增大呢?或许只要重新 ...

这有可能是剩余极化导致的
发表于 5 天前 | 显示全部楼层

这有可能是剩余极化导致的

查了一下,x7r好像确实有铁电性。
 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层

如此技术流的文章不得加精。期待后续更新。另外这能否解释部分用户更换电容后测量误差增大呢?或许只要重新 ...

难免文章存在错误,加精就好像官方认证说的都对一样,哈哈,反而不习惯。

预告一下,最近做了好多测试但是都没发出来:
比如用两个“二极管”或“gd连接的mosfet”,与运算放大器结合工作,(以极低价格)做带隙基准的实验。
这个短期能获得7.5位稳定度,但是温漂比较大,呈抛物线状,合理的温度范围内只能保证正负50ppm的误差。但是温度不变电压就不变,正在考虑是做软件补偿or硬件曲率补偿or恒温。

另一个测试是测量电阻阵列的湿度敏感性,安装100个(或90个)贴片电阻做成小板。通过以 100串联 / 30串3并 / 10串10并 / 3串30并 /100并联 的形式,
来获得 100倍 / 10倍 /1倍 / 0.1倍 / 0.01倍 的原始贴片电阻阻值,
可以使用 100r / 1k / 10k / 100k / 1m 的任意电阻来获得标准10k电阻,便于探究各种原始阻值与性能好坏的关系。
使用 柔软 / 吸水性低 / 绝缘性高 / 耐温度高 的陶瓷填料ptfe基板以降低各种潜在误差
采用四线金手指的形式便于反复测量。
双面对称摆放电阻,防止pcb弯曲。
电阻阵列头尾相接,降低热电势。
最重要的是可以抵消温度系数,就是正负温度系数的电阻混合安装,可以获得0.1ppm/°c超低温度系数(实际上目前运气很好,原始电阻本来就拥有极低的温度系数),另外还可以通过高温烘烤电阻来微调温漂,大约能向上调整1ppm/°c,值得一提的是,我买的1206电阻几乎都是负温度系数。

然后由于获得了极低温度系数的电阻,就能进行湿度敏感性测试了。


贴片电阻只有薄薄一层绝缘漆来覆盖电阻体,这样就为低时间常数做了极大贡献。湿气很快就能进入电阻。
经过实测,时间常数大约为半小时,也就是说放入干燥剂,1小时就已经接近最终值,十分方便测量。
对于其他种类的电阻,由于具有厚实的塑料外壳,时间常数高达几天。
我的样品来说,大约每rh%变化0.8ppm,所以在极端湿度变化情况下,每分钟阻值都能变化1ppm。(测量的时候可以直接万用表上读出来)

(干燥剂最低可以把湿度降为5%)

其实有一张图,但是还没来得及整理数据。。。。。。
开关空调的影响挺大的,所以表现的坑坑洼洼,最高峰上的凹就是因为开空调。
最高的峰湿度60%左右,次高峰湿度40%左右。
最低谷是用了500g干燥剂,次低谷用了图上这两小包干燥剂。
有时间整理一下再发吧(放大一下1小时的湿度阶跃过程)



发表于 5 天前 | 显示全部楼层
最近也遇到一个奇怪的问题, 使用ad7793测量惠斯通电桥的输出,大约0.5mv的输出值, ad的转换结果是稳定的,
电路使用电池独立供电,电桥的正负输出和ad之间串联了10k电阻, ad的正负输入对地还并联了102电容. 电桥的桥臂350ω
一旦使用万用表测量电路中电桥的两个输出端电压或者是ad的输入点, ad的结果就会开始明显跳动.
无论是众仪的zt219,ut890,还是hp3478a都是同样的问题.
zt219没有说明mv档位的输入阻抗, 按照一般的万用表来说,应该是1mω到10mω之间, hp3478a手册中说明mv档位的输入阻抗是10gω.
这个输入阻抗已经远远超过了电桥内阻几个数量级, 应该不会影响他的输出信号.
我问到adi的ag真人试玩平台的技术支持, 他们也没能马上给出原因, 说是要再进一步测试看看.
我也是有点怀疑, 万用表标称的是静态的阻抗, 实际输入电容的值并没有给出, 这个电容的漏电指标就更加无从谈起了.
发表于 5 天前 | 显示全部楼层
在第一张曲线图中,使用c0g电容的电压会有上冲现象,不是单调的,是不是说q值不是越高越好?
发表于 5 天前 | 显示全部楼层

最近也遇到一个奇怪的问题, 使用ad7793测量惠斯通电桥的输出,大约0.5mv的输出值, ad的转换结果是稳定的,
...

>>我也是有点怀疑, 万用表标称的是静态的阻抗, 实际输入电容的值并没有给出, 这个电容的漏电指标就更加无从谈起了.


虽然看不懂,但是想到fluke的手持表说明书里貌似给过一些类似电容的参数?
发表于 5 天前 | 显示全部楼层
谢谢分享~长见识了
发表于 5 天前 | 显示全部楼层

>>我也是有点怀疑, 万用表标称的是静态的阻抗, 实际输入电容的值并没有给出, 这个电容的漏电指标就更加无 ...

是的, 大厂的产品参数还是比较全的, 我看了几个台表的手册, 基本上都是百pf这个数量级, 但是没人表明测试时需要吸收的电流时多少.
我见到的现象是明显的, 但是怀疑方向不见得正确, 按道理这么高的输入阻抗, 不应该有这个数量级上的漏电流, 目前也是一头雾水.
也很少有见到万用表测量小信号的评测, 都是看准不准, 其实在准不准以外, 还有很多指标值得考察.
发表于 5 天前 | 显示全部楼层
这个是频率发生器嘛?还带隔离电源,看起来好高级的样子


发表于 5 天前 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
ωωωω 发表于 2023-7-20 07:04
难免文章存在错误,加精就好像官方认证说的都对一样,哈哈,反而不习惯。

预告一下,最近做了好多测试但 ...

可以考虑氮气密封或充油密封
发表于 5 天前 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
mdmo 发表于 2023-7-20 08:59
最近也遇到一个奇怪的问题, 使用ad7793测量惠斯通电桥的输出,大约0.5mv的输出值, ad的转换结果是稳定的,
...

这个的确有可能和万用表输入寄生电容有关,一般不大于100pf,但是这是引线不计入的值
发表于 5 天前 来自手机浏览器 | 显示全部楼层
mdmo 发表于 2023-7-20 09:21
是的, 大厂的产品参数还是比较全的, 我看了几个台表的手册, 基本上都是百pf这个数量级, 但是没人表明测试 ...

漏电流一般在pa级别。你可以用场管做个差分放大器做前级。场管要用集成对管
发表于 5 天前 | 显示全部楼层
本帖最后由 mdmo 于 2023-7-20 10:27 编辑

漏电流一般在pa级别。你可以用场管做个差分放大器做前级。场管要用集成对管 ...

我想不用这么麻烦, 如果真的是和电容有关, 最简单的办法就是在测试点焊接一个100k以上的电阻隔离一下, 然后用万用表测量电阻之后的电压, 这样不一定能解决问题,总应该能看到现象的改变.
关于漏电流我我也考虑了线材的问题, 目前使用的都是普通的线材, 正在找合适的低漏电,低电容的屏蔽线, 只是没个头绪, 不知道哪里有.
我看示波器的线材就不错, 软硬适中, 中间一根细丝, 外皮很厚,可能是铁氟龙. 这种电容是很小的, 漏电就不知道了, 不过应该也不大. 不知道哪里有卖这种线材.
 楼主| 发表于 5 天前 | 显示全部楼层

这个是频率发生器嘛?还带隔离电源,看起来好高级的样子

这个是电压基准,adr1399评估板。
它用5v usb供电,然而这个隔离却没那么好,用不同长度的usb线缆,会造成输出电压的改变,握住线缆绝缘皮也会造成电压改变。
总的来说受到干扰越多,输出电压越高,可以改变几个ppm。这种水平,做不了严肃的电压基准。。。。。。
不知道analog devices知不知道这个问题。
发表于 5 天前 | 显示全部楼层
厉害了。测试这么多内容,楼主认真!
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