Дизайн народного RLC-метра (RLC-3)

АК: Почему вы не хотите применить преобразователь ток-напряжение, такой как в RLC-2.
А у измерялок HP/Agilent к такому преобразователю еще прилагается схема автобалансировки, которая подмешивает в точку соединения шунта и измеряемого резистора балансирующий сигнал, без него там ни реального ни виртуального нуля не будет из за неидеальности ОУ.

Вот примерная схема

АК: Обратите внимание как включены переключатели, К1.1 и К2.1 прямо по выходу ОУ, сопротивление этих ключей не окажет никакого влияния на работу преобразователя, так как ОУ компенсирует его через отрицательную обратную связь. К1.2 и К2.2 - в разрыв цепи выходного сигнала. Если следующий каскад будет высокоомным, то сопротивление ключей (милиомы) практически не повлияет на амплитуду сигнала.

Извините, ОУ не компенсирует сопротивление ключа, как вам хотелось бы. Судите сами. ОУ с ООС обязан поддерживать примерный ноль на своём инверсном входе, выдавая такое напряжение Uоу на выходе ОУ, чтобы входной ток Iвх и ток через ключ К2.1 и R2 были равны. Следовательно, в первом приближении искомый ток равен Iвх=Uоу/(R2+Rкл2.1).

Таким образом, разность напряжений на R2 напрямую зависит от сопротивления ключа Uвых=Uоу*R2/(R2+Rкл2.1).

Но самая большая засада в таком включении состоит в том, что параллельно задействованной цепи R2+Rкл2.2 подключены ТРИ цепи типа R1+Rкл1.1. К примеру, если предположить, что сопротивление закрытых ключей порядка 10 МОм, то для R2=100 кОм вносимая ошибка в измерение тока будет более 3%. А высокоомность следующего каскада только ухудшит положение, из-за увеличения К передачи для закрытых ключей.

GM: Таким образом, разность напряжений на R2 напрямую зависит от сопротивления ключа Uвых=Uоу*R2/(R2+Rкл2.1).
Все верно, только нам нужна зависимость Uвых от Iвх, соответсвенно исходя из приведенной Вами формулы Iвх=Uоу/(R2+Rкл2.1) (только перед Iвх нужно поставить знак минус) выведем что Uоу = -Iвх(R2+Rкл2.1). Подставив в выражение Uвых=Uоу*R2/(R2+Rкл2.1) Uоу получим что Uвых = -Iвх*R2. Таким образом сопротивление ключа полностью компенсируется. Правда расчеты справедливы для идеального ОУ. Другой вопрос каким образом рассчитать вносимую погрешность для различных соотношений Iвх, R1,R2 и неидеального ОУ.

Спасибо за поправку, слона-то я и не приметил Видимо, так и должно быть, поскольку напряжение снимается с R2, а не с R2+Rкл.

Но как видите, токовый ОУ, добавляя специфичные ошибки смещения и т.д., не решает проблемы учёта тока, протекающего через закрытые ключи. Зачем тогда вообще ОУ? Вот та же схема от GO (вариант 2), но без ОУ.

Такие преобразователи I/V применялись и в промышленных RLC-метрах. Вот например часть аналоговой схемы с I/V конвертером RLZ-метра HP 4276A (базовая погрешность 0,1%). Только здесь вместо одного ОУ целых три, и куча подстроечных компонентов, видимо в силу того что в этом приборе нет LOAD компенсации. Может в более современных приборах I/V преобразователь реализован проще? Вот только где найти хоть одну схему современного RLC-метра с погрешностью порядка 0,1%? Кстати я скачал полный Service Manual HP 4276A. Там очень подробно выложены теоретические сведения про принципы измерения, переключения диапазонов и т.п. Кому интересно вот ссылка http://manoman.sqhill.com/pdf/hp-4276a.pdf . Только размер не хилый - 208Mb.
Операционники на приведенной схеме в I/U конвертере TL071, TL072 кроме U40 - заказная ИС, похоже что это буфер.

Чёт не читается...

Вы про схему?
Вот очень интересный документ на английском языке: Agilent Impedance Measurement Handbook про принципы измерения, компенсацию и многое другое. Всем советую.

Спасибо за ссылки, интересно. Есть правда, мелкие огрехи, скажем, приведена формула для метода вольтметра-амперметра Zx=R*V1/V2 (док. 5950-3000.pdf, с.2-2). На самом деле формула для вычисления Zx должна быть такая Zx=R*(V1-V2)/V2. И вообще, я бы подсоединил вольтметр V1 непосредственно к Zx. Тем не менее, в целом книга познавательная.

В приведённой вами схеме показан очень древний преобразователь ток-напряжение. kada, объясните, как хьюлеты-паккарды избавились от взаимного влияния ключей в этом конвертере? Заодно может пойму, как учитывается взаимное влияние ключей в конвертере RLC-2.

Правда ошибка. Но скорее всего не в формуле, а в схеме. Нужно было R и V2 подсоединить в разрыв нижнего по схеме вывода Zx, а не верхнего.
В той схеме, которую я выложил применены реле . Касательно RLC-2 грубый подсчет показывает следующее. Максимальный ток утечки CD74HC4052 в закрытом состоянии согласно даташиту составляет от 10pA (типичное значение) до 50nA при 25 град.С, и до 500nA при 85 град.С на канал. Соответсвенно для трех закрытых каналов минимум 30pA. Если сопротивление измеряемого резистора = 10МОм, то ток соответственно через него будет равен 30nA при амплитуде тестового сигнала 0,3В. Такой же ток будет течь и через масштабный резистор 100кОм. Соответсвенно вносимая погрешность открытых ключей будет порядка 0,1%. По логике эта погрешность должна быть скомпенсирована с помощью LOAD-калибровки. Но если ток утечки будет иметь значение 50nA на канал х 3 = 150nA на 3 канала, то ошибка соответственно будет составлять 500%, ну и при 500nA - 5000%. От чего зависит ток утечки кроме температуры в даташитах не пишут, или я плохо смотрел. Так что однозначного ответа нет, видимо мультиплексоры при производстве имеют больший процент выхода с током утечки ближе к 10pA, а в даташите бОльшие значения тока приведены производителем с большим запасом в силу того что его трудно нормировать.
Вот кстати аналогичная цепь с еще более древнего RLC-метра HP 4261A. В качестве коммутационных элементов применены просто полевые транзисторы. Что интересно, погрешность при измерении сопротивлений на диапазоне 10Мом у этого прибора составляет 0,3%. Коммутирующие транзисторы обозначены в спецификации следующим образом: "TRANSISTOR J-FET N-CHAN D-MODE SI", марки нет, производитель - HP. Ноу-хау собственного производства от HP

Нашел подвох. Амплитуда тестового сигнала в HP 4261A для диапазона 10 Мом - 1В. Таким образом ток через резистор 10 Мом потечет 100нА.
После долгих поисков отыскал аналоговые мультиплексоры с ультра-низким током утечки MAX338, 339 - при 65 град.С порядка 0,1нА. Значит примерная ошибка составит около 0,3/100 = 0,3%