Voltaj referansının stabilitesini etkileyen faktörler

[taydin]

Elimde 10V luk bir voltaj referansı var. Sıcaklık stabilizasyonu özelliği olan LM399A kullanıyor. Benim DM3068 ile 1 haftadır ölçümünü yapıyorum. Gözle bakınca 10.00035V ± 20 uV değerleri görüyorum. Bu açıdan bakınca sistem son derece stabil.

DIY Open Source LM399 10V Voltage Reference

while working on a project i needed a really stable voltage reference so i made my self LM399 based 0.5 ppm/ C 10V refernce. LM399 is ni...

www.circuitvalley.com

Kartı 15V ile besliyorum. Besleme voltajında 10 mV un üzerindeki sapmalar, çıkışta 10 uV değişime sebep oluyor. Çıkışa bağlı olan yük değişirse, mesela daha fazla multimetre bağlarsam, gene çıkış voltajında mikrovoltlar seviyesinde değişime sebep oluyor. Sıcaklık farkı da gene etkili oluyor. Karta üfleyince çıkışta mikrovoltlar seviyesinde değişim oluyor.

 

[taydin]

Bunun dışında, uzun dönem sürüklenme (long term drift) de çıkış voltajını etkileyen bir faktör. Ama hem referans kartı hem de multimetre yıllarca çalıştığı için drift artık minimal seviyededir. Ölçümün de ± 20 uV seviyesinde stabil olması bunu kanıtlıyor. Hem referans kartı hem multimetrenin stabil olduğunu söyleyebiliriz.

Besleme voltajını, çıkıştaki yükü kontrol altında tuttuğuma göre, drift'in de çoğu tamamlandığına göre, çıkış voltajına etki eden tek faktörün ortam sıcaklığı olduğunu söyleyebiliriz gibime geliyor. Aklınıza başka faktör geliyor mu?

 

[taydin]

Tabi burada stabilite ve mutlak doğruluk kavramlarını da irdelemekte fayda var. Stabilite elde etmek, mutlak doğruluk elde etmekten çok daha kolay. Nispeten ucuz olan LM399A referans çipi kullanıyoruz ve bunun başlangıç referans voltaj toleransı %2. Ama burada değerli olan başlangıcta referansın doğru olması değil, çünkü başlangıçta TAM doğru bile olsa, drift nedeniyle zaten mutlaka sapacak. Asıl değerli olan, drift sonrası çıkış voltajının o anki değerinde stabil kalması.

Neticede bu ucuz kart ile son derece üst seviye bir stabilite elde edebiliyoruz. Çıkış sabit, ama tam olarak voltaj değeri nedir bilmiyoruz. DM3068 1 yıl sonrası tolerans verisine bakınca 0.0040 + 0.0005 olduğunu görüyoruz.

Bu da bize DM3068'in 20V kademesinde 500 uV hata yapabildiğini gösteriyor. Voltaj referans PCB'sinin üzerinde 10.00000V yazıyor, ama bu değer 10.0005 V ile 9.9995 V arasında olabilir.

 

[taydin]

Şimdi işin asıl can alıcı noktasına geleyim. Diyelim ben bu kartın çıkış voltajını 5 uV hata ile ölçmek istiyorum. Bu konuda seçeneklerim neler?

Dünyanın en düşük toleranslı multimetrelerinden birisi olan HP3458A multimetresini aldım diyelim.

Yeterli olur mu bakalım. 3458A nın 10V kademesinde tolerans verisi 4.1 + 0.05 ppm. Bu veri, 90 gün sonraki tolerans verisi. Yani 90 gün açık kalacak bu, ondan sonra durum bu olacak. Bu hata oranını 10V kademesine uyguladığımız zaman ± 41.5 uV hata oranı çıkıyor!

Hadi diyelim binlerce dolar daha verdik ve "high stability" opsiyonunu satın aldık (Option 002). Bu durumda 90 gün toleransı 2.6 + 0.05 ppm oluyor ve bizim ölçüm hatası ± 26.5 uV oluyor!

 

[taydin]

Yani dünyanın en düşük toleranslı multimetresi bile bize yeterli olmuyor. Basit bir DIY kart, ± 20 uV stabilite ile çalışıyor, ama gerçek değerin ne olduğunu tespit edemiyoruz. Bu ölçümü yapmanın tek yolu var, ve o da çok pahalı bir yol.

Josephson Voltage Standard (JVS) olan bir kalibrasyon laboratuvarına gideceksiniz. Orada bulunan HP 3458A veya eşdeğer performansta multimetre ile "transfer kalibrasyonu" yapacaksınız. Yani 3458A yı JVS ile kısa dönem kalibrasyonunu yapıp, fazla vakit kaybetmeden hemen bilinmeyen voltajı ölçeceksiniz. Süre kısa ise, ve multimetre de son derece lineer ise (3458A böyledir) JVS de ölçülen değerin gerçek değerden sapmasını belirleyip, dakikalar içerisinde bilinmeyen voltaj ölçülürse, lineer interpolasyon ile gerçek voltaj değeri, 3458A nın açıklanan tolerans verilerinden çok daha düşük bir hata ile ölçülebilir.

 

[taydin]

Onun dışında, kesin bir ölçüm olmasa da, istatistiksel olarak gerçek değere daha yakın ölçüm yapılabilir. Ben mesela içlerinde 6.5 haneli multimetre olan iki SMU'yu ve DM3068 i aynı anda çıkışa bağladım. Ölçüm sonuçları şöyle:

DM3068: 10.00035 ± 20 uV
SMU1: 10.00021 ± 20 uV
SMU2: 9.99991 ± 20 uV

Şimdi, bu cihazların hata oranları arasında bir korelasyon olmadığını, yani hata dağılımının random olduğunu varsayarsak, bu ölçümlerin ortalama değerini alabiliriz ve bizim gerçek voltajın 10.000156 V olma ihtimalinin daha yüksek olduğunu söyleyebiliriz.

 

[czorgormez]

bu son ortalama alma fikrinden tam emin olmadım. çünkü burada varsayımımız tüm ölçü aletlerinin sapma konusunda normal dağılım göstereceğini varsayıyoruz. halbuki bu aletlerin sapmalarının çoğu zaman çevresel etkenlere bağlı olduğunu biliyoruz mesela ortam ısısı gibi.
tabi çıkan sonucun kesinlik içermediği ihitmalin olasılığını arttırdığını söylemek de yanlış olmaz.

metroloji konusuna kafayı takmış kanallardan biri, opsiyon kartı takılı mı onu bilmiyorum ama elinde bahsettigin HP3458A bile var.

 

[taydin]

Aletlerde drift muhtemelen aynı yönde olacaktır, ama fabrika çıkışı ölçüm hatası her zaman aynı yönde olacaktır diyemeyiz. Kimisi fazla ölçecektir kimisi eksik. O yüzden bir süre sonra drift iyice azaldıktan sonra, sadece ölçüm hatası kalacak ve bu da ya fazla veya eksik olarak kendini gösterecek. O yüzden bağımsız ölçüm sayısı arttıkça doğru değere daha yakın ölçüm alırız diye düşünüyorum. ADC'lerdeki oversampling ile daha fazla çözünürlük elde etmek gibi düşünebilirsin.