Kalibratoren für Strom und Spannung

Kalibratoren für Strom und Spannung
Kalibratoren werden überall dort eingesetzt, wo hochgenaue und hochstabile Spannungen und
Ströme benötigt werden. Ein Anwendungsgebiet ist z.B. die Kalibrierung von Messgeräten. In
diesem Kapitel werden Ausführungen von Spannungs- und Stromkalibratoren dargestellt.
Spannungskalibrator
Eine sehr häufig angewendete Schaltungsvariante ist im nachfolgenden Bild dargestellt.
Herzstück bildet ein hochauflösender DA-Umsetzer (z.B. 16 oder 18 Bit)
Abb.: Konstantspannungsquelle in Elektrometerschaltung
Die Ausgangsspannung ergibt sich bei einem idealen Operationsverstärker zu
R R2
U A U E  1
R2
Die Genauigkeit der Ausgangsspannung ist abhängig von:
1. DA-Umsetzer
•
•
•
•
Linearitätsfehler
Verstärkungsfehler
Nullpunktfehler
Temperaturkoeffizient
(nicht abgleichbar)
(nicht abgleichbar)
2. Regler
• Leerlaufverstärkung
• Offsetdrift
• Offsetspannung
(nicht abgleichbar)
(nicht abgleichbar)
3. Spannungsteiler
• Absolute Toleranz
• Temperaturkoeffizient
• Langzeitstabilität
(nicht abgleichbar)
(nicht abgleichbar)
4. Leistungsverstärker
• Die Fehler des Leistungsverstärkers werden ausgeregelt, da er sich innerhalb der
Regelschleife des Operationsverstärkers befindet.
Die unter den Punkten 1 bis 4 aufgeführten Fehler können zum Teil durch eine softwaremäßige
Korrektur bis auf Restfehler ausgeglichen werden.
Um Garantiefehlergrenzen angeben zu können, ist die Gesamtschaltung hinsichtlich ihrer
Einzelfehler zu untersuchen. Mit einer Fehlerrechnung lassen sich die Fehlergrenzen quantitativ
angeben.
Eine weitere Realisierungsmöglichkeit ist im nachfolgenden Bild dargestellt.
Abb.: Konstantspannungsquelle in invertierender Schaltung
Hier gilt
R
U A 
UE 2
R1
für den idealen Operationsverstärker.
Die invertierende Schaltung hat den Vorteil, dass beide Regeleingänge virtuell auf Masse liegen und
damit keine Gleichtaktaussteuerung des Verstärkers erfolgt.
Bei den bisherigen Schaltungen ist das für die Genauigkeit wesentliche Bauelement der DAU. Ein
grundsätzlich anderes Verfahren ohne DAU nach dem Prinzip der Pulsbreitenmodulation. Hierbei
wird die Hauptreferenzquelle mit einem elektronischen Schalter im Puls-/Pausenverhältnis
geschaltet und mit einem nachfolgenden Tiefpassfilter der Mittelwert erzeugt. Um die gewünschte
Gleichspannung mit geringer Welligkeit zu erreichen, sind Filter hoher Ordnung erforderlich. Nach
diesem Prinzip werden Kalibratoren gebaut, deren Fehler kleiner als 3 ppm/Jahr ist. Die absolute
Genauigkeit eines Kalibrators bei beliebigen Einstellwerten errechnet sich nach
Absolute Genauigkeit = Stabilität + Linearität + Transfergenauigkeit
Die Transfergenauigkeit ist hierbei von der Genauigkeit des Primärstandards abhängig und dieser
bezieht sich auf einen nationalen Standard.
Kalibratoren für Strom
Eine einfache Schaltung ist im nächsten Bild gezeigt.
Abb.: Stromquelle für nicht geerdete Verbraucher in Elektrometerschaltung
Der als Regler geschaltete Operationsverstärker erzwingt an seinem invertierenden Eingang die
Spannung UE, die über dem Messwiderstand R1 liegt, so dass für einen idealen Operationsverstärker
unabhängig vom Lastwiderstand RL gilt.
U
IL  E
R1
Diese Schaltung hat folgenden Nachteil:
 Eine Stromspeisung gegen Schaltungsmasse ist nicht möglich
Eine Schaltung ohne diesen Nachteil ist im folgenden Bild dargestellt.
RL
IL
Abb.: Stromquelle für geerdete Verbraucher
Der als Subtrahierer beschaltete OP2 erfasst den durch den Laststrom hervorgerufenen Spannungsabfall UM am Messwiderstand RM. Die Spannung UM wird so geregelt, dass sie gleich der Spannung
UE ist.
Die Genauigkeit dieser Anordnung hängt sowohl von der Qualität des Messwiderstandes RM als
auch von Paarungstoleranzen der Widerstände RN und RP des Subtrahierers ab. Da gepaarte
Präzissions-Widerstände schwierig zu beschaffen sind (lange Lieferzeiten, teuer), wird
normalerweise als Subtrahierverstärker ein konfektionierter Baustein verwendet, der die
Widerstände "on chip" enthält.
Digitale Kalibrierung
Sowohl bei Spannungs- als auch bei Stromkalibratoren wird versucht, bekannte und konstante
Fehlereinflüsse durch entsprechende Korrekturrechnungen auszugleichen. Da bei elektronischen
Messgeräten µPs zur Verfügung stehen, können Korrekturen softwaremäßig ausgeführt werden. Bei
DAU-gesteuerten Quellen ist eine Korrektur der nicht idealen Kennlinie, die den wesentlichen
Fehlerbetrag liefert, leicht durchzuführen. Dies soll am Beispiel eines ± 30 V Spannungsgebers mit
einen 16 Bit ADU erläutert werden.
Abb.: Kennlinie eines ± 30 V Spannungskalibrators
16 Bit ADU:
65535 Schritte
bipolar
-32768 . . . 0 . . . 32767
-FS
. . . 0 . . . FS
gewünschter Spannungsbereich: –30,000 ... +30,000 V
Vom DAU werden nur ± 30000 LSB genutzt, der Rest verbleibt zur Korrektur von Offset und
Verstärkung.
Folgende Werte werden zur softwaremäßigen Korrektur benötigt (durch Messung zu ermitteln):
Ausgangsspannung bei Eingabe 30000 (30 V)
z.B. 32,5 V werden gemessen = Positiver Endwert
Ausgangsspannung bei Eingabe 00000 (0 V)
z. B. –2,5 V werden gemessen = Offset
Korrektur:
Eingabewert für DAU = 30000 (Sollwert –Offset) / (Positiver Endwert –Offset)
Beispiel:
Gewünschte Ausgangsspannung 27,5 V
Eingabewert für DAU = 30000 (27,5V + 2,5V) / (32,5V + 2,5V) = 25714
Um eine Ausgangsspannung von 27,500 V zu erhalten, muss der DAU mit dem Wert 25714 geladen
werden.
In der Praxis sind Offset- und Verstärkungsfehler wesentlich kleiner als in diesem Beispiel. Bei
gekrümmten Übertragungscharakteristiken (Linearitätsfehler) können einzelne Bereiche durch
Geraden angenähert werden, was allerdings zu erhöhtem Rechenaufwand und damit zu einer
geringeren Wertausgabe führt. Die zur Korrekturrechnung notwendigen Koeffizienten werden in
nichtflüchtigen Speichern verwahrt.
Abschließend werden einige Messergebnisse eines Kalibrators dargestellt.
Abb.: Linearitäts- und TK-Messung des Kalibrators im Spannungsbetrieb
Die Linearitätsmessung über den Aussteuergrenzen des Spannungskalibrators zeigt die Abweichung
von der idealen Kennlinie in ppm. Die zackige Kurve ist wie eine "Visitenkarte" des speziellen
DAU-Exemplars, der die Fehler hauptsächlich verursacht. Diese Kurve ist bei Wiederholungsmessungen sehr gut reproduzierbar. Die zweite Kurve kann zur Bestimmung des Temperaturkoeffizienten (TK) herangezogen werden. Bei einer Temperaturänderung von 25 K hat sich ein
Fehler von ca. 390 ppm ergeben. Hieraus lässt sich ein TK von etwa 15 ppm/K errechnen.