Resistor Match

[4kTRB]

Jag hinner knappt avsluta ett projekt förrens nästa startar.

I en äldre AoE finns ett trevligt litet bygge för att matcha resistorer till
mindre än 0.25% tolerans. Jag har alla komponenter som behövs förutom
en CA3080 OTA som används som sample and hold. Den ska jag försöka
ersätta med en annan variant, eventuellt en JFET switch och en OP.

Principen bygger på att de resistorer som ska matchas matas med var sin
fyrkantvåg som är 180 grader ur fas.

R1 och R2 i schemat ska matchas och är de lika lägger sig en likspänning i punkt C
och är de olika uppstår en fyrkantvåg där i stället. Fyrkantvågens amplitud blir
proportionell mot skillnaden i resistorvärdena.

U1 förstärker denna fyrkantvåg ca 20ggr medans likspänningen enbart buffras pga
att C1 blockerar likspänningsförstärkningen. C2 och R5 filtrerar bort likspänningen
och ut finns enbart fyrkantvågen.

Tanken är att fyrkantvågorna ska genereras av några CMOS grindar och detta medför
att det kommer bli en del glitchar på utgångsignalen. Det här löser de med en sample
and hold som ger en snygg och jämn utspänning (rätt spänning) som sedan kopplas till
några komparatorer som får avgöra graden av matchning.

Jag vill gärna simulera hur det fungerar innan jag bygger så jag börjar med att testa
tolerans till spännings generatorn.

[Electricguy]

hur onogrann är en multimeter på resistormätning i dagens läge?

[4kTRB]

Finessen med den här är att jag får 1 lysdiod av 4 att indikera
>1%, <1%, <0.5%, <0.25%
alltså ett väldigt snabbt resultat.

Vill jag sedan mäta noga så kan jag ta högen med <0.25% och använda en bra multimeter om jag vill.

[cosmox]

Vad roligt! Jag har själv funderat på att bygga samma krets. (har AoE's "mätinstrumentsbok")
Jag kom bara så långt som att cadda ett schema. Inget kort gjordes.
Det är kul att se att du gör ändringar i det. Det ska bli intressant att se resultatet.
Lycka till!

EDIT: Om du behöver så jag jag ett antal 3080 liggande som jag gärna sponsrar dig med.

[4kTRB]

Jag kunde plankat schemat rakt av men CA3080 tillverkas inte mer men det finns
så klart andra likvärdiga OTA.

[4kTRB]

Detta är väl annars ett enklare microkontroller projekt.
Spänningsdela en känd referensspänning och mät med en A/D
hur stor avikelsen är från Vref/2 och låt controllern
beräkna och presentera resultatet i procent på display.

[4kTRB]

Nu har jag mixtrat lite mer och kopplat så jag kan få en gate-puls till
sample and hold kretsen. Som syns på kurvorna så ska samplet ske
strax efter glitchen. Detta ska ge en snygg fyrkantspänning att koppla
till komparatorerna. Pulsen är ca: 20us och ska styra en JFET.

Egentligen ska OR-grinden vara en CMOS 4071 men principen blir den samma.

[4kTRB]

Undersökte schemat i AoE lite mer och ser att efter CA3080 finns ett LP-filter med 100ohm och 4.7nF.
Om jag inte har helt fel så ska utgången på en OTA vara en ström så det borde innebära att en fyrkantvåg
blir en triangelliknande historia som ska in på komparatorerna.

J1 fungerar som switch och C7 ska filtrera bort transienter och U5 integrerar för att få en triangelvåg ut.
Jag misstänker att utsignalen från U3 (V(drain)) är betydligt skräpigare än i simuleringen så samplingen kommer
sannolikt göra ordentlig nytta.

Gate-pulserna är på ca 30us. Triangelvågens toppspänning når inte riktigt upp till toppvärdet hos V(drain) men
det hela handlar om justeringar i komponentvärden.

Det ska bli kul att koppla upp på labbdäck och börja mäta.

[4kTRB]

Håller som bäst på med att fundera ut hur jag lämpligast matar A och B i schemat.
I AoE:s schema driver de resistorerna med CMOS NAND (4093). Ett problem med det
är att belastningen blir stor för lägre resistanser. I hobbylådan har jag ett antal ULN2003
som jag tänker experimentera med i bryggkoppling. De kan hantera uppemot 500mA vilket
gör att det går matcha betydligt mindre resistansvärden. Som 5kHz generator tänker jag mig
att använda en 555.

[4kTRB]

Kämpar vidare med detta projekt som visar sig vara lite lurigt att få till på ett tillfredställande sätt.

Fyrkantvågen som genereras av de två omatchade resistorerna får en del fula spikar just där drivsignalerna
växlar polaritet och det är här som sample and hold kretsen ska ta ett ögonblicksvärde av signalen
en bit ifrån spikarna vilket fungerar fint med den här lösningen. Tyvärr så uppstår en del mindre spikar
även på utsignalen från S/H-kretsen som har med störningar som genereras pga att matningen inte är helt
ren (blir värre om 2 resistorer med lägre resistans ska matchas). Nu har jag detta på kopplingsdäck som
inte gör saken bättre och ett etsat kort kommer förmodligen göra saken annorlunda.

Utsignalen från S/H-kretsen är i övrigt en väldigt bra fyrkantvåg med en amplitud helt proportionell
mot graden av missmatch. Den ska sedan integreras till en triangelvåg för att skickas vidare till en
uppsättning av komparatorer som får avgöra graden av missmatch. Men om triangelvågen innehåller
spikar så kommer komparatorerna förmodligen att läsa av spikarna och ge fel information. Jag funderar
vidare på hur jag ska lösa det här. För övrigt riktigt kul att labba med sample and hold och de problem
som uppstår. Jag tror lösningen i AoE:s konstruktion med en OTA eliminerar de här problemen.

[4kTRB]

Har nu fått saker och ting att fungera tillfredställande vad gäller
en bra signal att jämföra med en referensspänning som ska avgöra
graden av missmatch.

Så nu funderar jag på hur missmatch beräknas.
Om en resistor har ett värde på 573 ohm och den andra 570 ohm så
är skillnaden 3 ohm. Jag funderar på om jag tar värdet (570+573)/2 = 571.5
som referens och sedan dividerar jag 3 med 571.5 och multiplicerar med 100
så får jag missmatch i %. 3/571.5*100 = 0.525%

Kan detta stämma eller tänker jag helt fel?

[4kTRB]

Kom på att det kanske inte stämmer helt bra.

Om jag gör så här i stället kanske det blir bättre...

((573/(573+570)*10-5))*100 = 1.3123%
alternativt
100*(5-10*(570/(570+573))) = 1.3123%

[4kTRB]

Missade att dividera med 5 för det ska följa min tankegång om
spänningsdelningsavvikelsen i % från det ideala fallet med halva
matningen för 2 matchade resistorer.

((573/(573+570)*10-5))/5*100 = 0.2625%
alternativt
100*(5-10*(570/(570+573)))/5 = 0.2625%

Alltså baseras missmatch på avikelsen i % från halv spänning.
Fast om det är definitionen på missmatch har jag inte helt klart för mig
men borde vara rimligt.

[4kTRB]

Har kommit fram till en koppling som ger en likspänning som varierar med graden
av missmatch. Som syns av diagrammet så fungerar det hela bra ner till 0.25%.

Sedan blir signalen inte en så bra fyrkantvåg/triangelvåg och toppvärdet blir
olika beroende på om den variabla resistorns värde är mindre eller större än
den fasta referensresistorn. Därav 2 olika kurvor vid små toleransavikelser.

Det jag funderar på är om originalet i Allt om Elektronik också dras med samma problem
då de satt lägsta indikeringen vid just 0.25%. Om det hela hade följt den streckade linjen
mitt emellan så hade det inte varit några problem att matcha ner till 0.1%.

Minsta spänning som går att få till är 9mV och då får jag anta att det är optimalt matchat.
Förhoppningsvis kommer det hela bli en del bättre med ett kretskort. Som det är nu med kopplingsdäck
så är det svårt att hålla bort 50Hz brum trots att jag adderat HP-filter som gör det hela bättre
samt en ordentligt filtrerad likspänning.

Jag funderar även på om det skulle bli bättre att signalbehandla triangelvågen på något annat
sätt, tex helvågslikrikta och bilda medelvärde.

Mätningarna visar ändå på ett bra sätt vilka ungefärliga nivåer som komparatorernas gränser
ska designas för.

[4kTRB]

Det är väldigt lärorikt att experimentera med sample and hold och se att det
fungerar att snygga till en signal.

Det jag också gärna skulle vilja testa är om 2 sinus som är 180 grader ur fas
kan ge ett bättre resultat. Det borde bli en betydligt renare signal från start
att sedan jobba vidare med. Med 2 ohms skillnad mellan de två resistorerna
fås att de är matchade intill 0.1% och utsignalen hamnar runt 1mV topp.

Detta borde vara betydligt lättare att skapa en snygg triangelvåg utav eller på
något annat sätt generera en lämplig signal för komparatorer.

Ska ta och testa detta alternativ.