Die Spannungsreferenz entstand aus dem Versuch der Auswirkungen von Biegekräften auf die Referenzspannung. Dort wurde eine kleine Leiterplatte hergestellt, die jetzt in ein kleines Gehäuse verpflanzt worden ist. Es stellte sich die Frage "was tun mit der angefangenen Leiterplatte"?

Aus der ersten Leiterplatte entstand daraus schnell eine zweite etwas andere Leiterplatte, an der dann einige elektrische Versuche durchgeführt worden sind.

Ein kleines Gehäuse drum herum und schon steht sie viel hübscher da. Koaxialbuchsen sind zwar kein low emf, aber ganz praktisch als Ausgang.

Diese Koaxialbuchse ist elektrisch dicht und bildet eine optimale niederimpedante Masseverbindung. Man kann sich sicherlich darüber streiten ob es noch was bringt das Teil so massiv am Kupfer zu verlöten, keine Frage. Man braucht sich aber nicht darüber streiten ob es Spaß macht, es tut.

Die Nickel Schicht der Buchse ist zuerst mühsam mit einem scharfen Schraubenzieher abzukratzen, dann hält das Lötzinn besser auf dem Trägermaterial. Für die Schrauben wurden Gewinde ins Epoxydharz geschnitten. Beim Löten sollte man darauf achten, es mit der Wärme nicht zu übertreiben, die weiße Buchsen Isolierung wird ziemlich weich, kurz danach dort nicht bewegen, sonst passt später kein Stecker mehr, alles schon mal dagewesen.

Doppelseitig beschichtetes Epoxydharz ist ein hervoragendes Material um Kleingehäuse zu bauen, elektrisch zweiseitig schirmend, mechanisch sehr stabil, lötbar und preiswert. Zum Sägen eignen sich Kleinkreissägen mit einem Diamantblatt. Wassersägen sind am idealsten, für größere Schnitte eignen sich auch Nassfließenschneider, die gibt es preiswert im Baumarkt. Die ideale Säge wäre eine Kombination aus Miniblatt, Diamant, Wasser und ein Linear-Zugschlitten für das Sägeblatt, leider noch keine gesehen - Liebe industrielle Leser baut mal so was und bringt es auf den Markt.

Beim Sägen, Bohren usw. von Epoxydharz ist es sehr zu empfehlen sich eine Atemschutzmaske aufzusetzen, dieses Material in Staubform in der Lunge ist schädlich. Eine Lötabsaugung oder ein zugiges offenes Fenster ist schon nützlich bei dem vielen Zinn und verdampfenden Flußmittel, das hier benötigt wird. In dieser Art und Weise Gehäuse zu bauen ist schon ein ordentlicher Aufwand an Zeit und nur mit einem großen Maß an Begeisterung zu erklären; mehre davon bauen wollte ich nicht. Den Spaß Dinge jedoch nur einmal zu tun ist eine schöne Sache und durch nichts zu ersetzen.

Mit dem Blitz der Kamera glänzt es jetzt mal wieder richtig gut das schöne Lötzinn. Dick das Lötzinn fließen zu lassen schadet hier nichts.

Diese nette SMA Buchse stammt wie es sich gehört aus dem Müll von einer auseinandergelöteten medizinischen Schrottplatine, die mal sehr teuer war. Der Bastler verwendet standesgemäß den Schrott den andere nicht mehr wollen oder als wertlos empfinden, das stimmt ihn froh, es zu kaufen stimmt ihn langweilig.  Selbstverständlich wurde auch hier wieder alles ordnungsgemäß eingelötet und anschließend gereinigt.

Links und rechts davon zwei keramische Durchführungskondensatoren für die Durchführung der Spannungsversorgung. Die Kondensatoren sind ausnahmsweise gekauft, wenn schon kaufen dann wenigstens im Sonderpostenversand für 15 Cent das Stück, in den Elektro-Apotheken wären sie nur zu astronomischen Preisen erhältlich. Es sind 1nF/160V Kondensatoren, mit dem richtigen Wert braucht man es nicht so genau zu nehmen, da man sowieso immer den falschen Wert einbauen würde, es sei denn man vermisst sowas in einer EMV Kammer gezielt auf gewünschte Bereiche hin.

Die Referenz wird aus einem Spannungsregler heraus versorgt, so daß mit unterschiedlichen Betriebsspannungen gearbeitet werden kann. Die beiden Oszillogramme zeigen das Rauschen des Spannungsreglers, gemessen mit dem 10 Hz bis 100 kHz Rauschanzeiger. Vertikalauflösung links 20µV / DIV und rechts 100µV / DIV mit etwas gedimmter CRT Beleuchtung.

Die Schaltung hat schon in ungeregelter Natura einen relativ niedrigen Temperaturkoeffizienten. Um diese Abhängigkeit noch weiter zu reduzieren kann man als eine Möglichkeit hierzu die Referenz unter konstanter Temperatur betreiben. 

An den Seiten befinden sich abgreifbar Kenngrößen der Temperaturregelung. Die Deckelschrauben sind Blechschrauben, sie stammen von einem alten Schrottgerät der Unterhaltungselektronik. Beim Ausschlachten die Schräubchen aufzubewahren kann sich manchmal lohnen.

Am Trimmer läßt sich die Temperatur um ein paar Grade verstellen, eine blaue Leuchtdiode zeigt eine arbeitende Heizung an. Am Schalter läßt sich die Heizung ein- und ausschalten. Die Schaltung arbeitet nominal auf 12.5V, ideal geeignet für einen 12V Bleiakku.

Man beachte bitte die Vertikal Division ist durch 1000 zu dividieren. Der Tiefpass aus 47 Ohm mit 220µF bewirkt eine deutliche Rauschreduzierung. Er bewirkt allerdings einen DC Fehler durch die Kondensatorströme. Durch den Innenwiderstand Ri von 47 Ohm muss man die Last jetzt auch mit Bedacht auswählen um den Spannungsabfall am Innenwiderstand nicht zu groß werden zu lassen. Die Tolerierung des DC Fehlers ist immer eine Frage der Anwendung.

Low Noise Ausgang 1µV/DIV bei 20ms/DIV, zusätzlich wurde hier mit dem 7A22, die obere Grenzfrequenz auf 1kHz gestellt - Mess Bandbreite daher 10Hz-1kHz. Die längere Zeitbasis macht das für Referenzen häufig zu beobachtende niederfrequente Rauschen sichtbarer. Ganz niederfrequentes Rauschen ist sehr schwer auszufiltern. Hätte man noch einen Darstellungs-Filter z.B. 0.1Hz-10Hz würde man bei noch längeren Zeitbasen das niederfrequente Rauschen beobachten können. Dieses Meßinstrument ist noch auf der "Zu Bau Liste".

Viele Referenzen lagen erst einmal Jahre in einer Schachtel. Die Referenzen danach für 14 Tage in einer Klimakammer Achterbahnfahrt mit kalt warm Zyklen, die meiste Verweildauer lag bei den positiven Temperaturen.

Danach wurden die Referenzen ausselektiert. Es wurde diejenige Referenz gewählt, die beim ersten Antesten unter Spannung bei Raumtemperatur schon nahe an den 10V liegt. Die meisten Referenzen lagen unterhalb der 10V. Der Mittelwert aller Referenzen lag etwa 500µV unterhalb der 10V. Es war äußerst schwer eine Referenz zu finden, die beim ersten Antesten nahe an den 10V lag, aber dennoch eine gefunden.

Referenz eingelötet und beobachtet, die Referenz ließ ich 10 Minuten (ohne die Heizung) thermisch einschwingen als der erste Messwert genommen worden ist. Dann geschah darauffolgend das hier: schon innerhalb der ersten Stunde sanken sie um weitere 30µV. In den nächsten 12 Stunden folgten weitere 50µV, danach wurde es schlagartig besser und nach drei Tagen war sie etwa eine Woche lang ziemlich still und ruhig. Es gelang die Referenz  bei leichter Erwärmung sehr nahe an die 10V zu bringen, ideale Vorraussetzung für einen leistungsarmen Heizbetrieb, gesteuert über den TK. Referenz 1 wurde später wieder ausselektiert und Nr. 2 verwendet.

Heizung angebaut, Regler ausdimensioniert - funktionierte perfekt, solch eine Regelung ist relativ gut am Oszilloskop einzustellen, man kann gut die Stabilitätsgrenze am Strahl ausmachen. Der Temperaturausgang der Referenz steht auf die letzte Stelle am DDM fest.

Positives an dieser Messung ist es zu beobachten, dass die beiden DMM über Zeit gleichlaufend sind, d.h. sie stehen stabil. Der Temperaturausgang der Referenz steigt nur deswegen an, da die Führungsgröße der Temperaturregelung aus einem Spannungsteiler abgeleitet ist, der sich auf die 10V stützt. Steigen die 10V Ausgangsspannung, steigt automatisch auch der Temperaturausgang entsprechend an, die beiden DMM zeigen dies eindeutig. Die Temperaturregelung steht wunderbar kurzzeitstabil auf ein paar Milli Kelvin, das letzte Digit am Temp-DMM steht fast still.

Referenzen werden unter konstanten Bedingungen mit zunehmendem Alter deutlich stabiler, aber wie lange das für ein einzelnes Bauteil dauert bis signifikante Ruhe eintritt ist nicht vorhersehbar, es kann sehr lange dauern, ebenso könnten Richtungsdreher und eine erneute Wiederaufnahme der Drift möglich sein, sicherlich auch abhängig von der Behandlung. In der Regel aber verhalten sich Referenzen des gleichen Typs oft ähnlich und deren typen-spezifisches Verhalten kann daher in gewissen Grenzen erwartet werden. Aber wie definiert sich stabil ? - das muss jeder Anwender passend zur Applikation selbst festlegen.

Ab dem Zeitpunkt (t=1140h) Stunden wurden temperaturkompensierte Messwerte (auf 21,5°C) ins Diagramm eingezeichnet. Die Temperaturdrift des DUT ist dadurch deutlich reduziert. Der jeweils genommene Messwerte schwanken immer noch tageweise auf dem letzten Digit, manchmal schreibt man eines zuviel, dafür ein anderes mal wieder eines zu wenig. Es ist zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht klar wie die Anteile der Gesamtdrift verteilt sind, zu welchen Anteilen Messvorrichtung und Anteile DUT Referenz.

Ab dem Zeitpunkt (t=1834h) Stunden bekam die Referenz ein anderes Netzteil als Versorgung. Hierzu musste die Referenz für ca. eine Stunde ausgeschaltet werden, da Lötarbeiten an den Anschlüssen nötig gewesen sind. Nach dieser spannungslosen und unbeheizten Zeit hat sich die Referenz nach dem Wiedereinschalten auf einen anderen Wert eingestellt. Nach dem Wiedereinschalten hat sich die geregelte Temperatur des IC zwar wieder sehr schnell eingestellt, trotzdem war sie für mehrere Stunden um einige 10µV höher als zuvor, nach ein paar Stunden begab sie sich wieder in ihre gewohnten Bereiche.

Die geregelte Temperatur innerhalb vom IC kann man als konstant bezeichnen, die min. max. Werte sind zufriedenstellend. Der Spannungsteiler für die interne Temperaturreferenz und das DMM wurden hierbei als ideal angenommen. Die neue Power Supply hat es doch tatsächlich geschafft die gemessene IC Temperatur um sage und schreibe +0,0025 Kelvin zu erhöhen.

Die Raumtemperatur ist relativ konstant, es waren Tage mit kalten Außentemperaturen von -3°C dabei, aber auch Tage mit über 19°C. Die Heizungsanlage in diesem Gebäude wird nicht geregelt. Den Temperaturverlauf über einen so derart langen Zeitraum manuell gesteuert konstant zu halten ist die herausragende Leistung eines Familienmitgliedes, die es in Perfektion beherscht den Ofen an und wieder rechtzeitig auszumachen.  Erschwerend kommt hinzu es wurde meistens morgens und abends gemessen, gerade die Morgen Messung ist der Zeitpunkt der höchsten Auskühlung.

Genau genommen ist sie auch ein Regler, ein Zweipunkt Regler, sie vergleicht die gefühlte Raumtemperatur mit ihrem Wohlempfinden. Die Differenz aus gefühlter und gewünschter Temperatur bestimmt wie lange und wie stark der Ofen anbleibt und wann er wieder ausgemacht wird.

Die Referenz wurde nun thermisch noch ein wenig isoliert. Auch wurde von der Koaxbuchse auf 4mm Bananenbuchsen umgestellt, das ist einfach handlicher und geeigneter für den DC Messbetrieb. Auf der Oberseite können Drähte über Schrauben direkt angeschlossen werden. Für diese Umbauarbeiten waren leider Lötarbeiten nahe der Referenz unumgänglich. Erwartungsgemäß hat sich dadurch der alte einstabilisierte Spannungswert leider verändert. Zuvor hatte sich die Referenz auf ca. 9,999.60 Volt hinstabilisiert, nach den Lötarbeiten lag sie für 1-2 Tage deutlich oberhalb der 10 Volt, mittlerweile hat sie sich rasch stabilisiert auf die Größenordnung 9,999.90 Volt, das ist ein rund 300 µV höherer Initialwert als vor den Lötarbeiten. Glücklicherweise hat sich durch diese Aktion der Wert näher an die glatte 10 hinbewegt - man muss auch mal Glück haben. Wir werden sehen wohin die Referenz driften wird, neue Messungen wurden begonnen. Stellt sich dann eine zufriedenstellende Stabilität ein, ergibt es einen Sinn das Teil an einem bekannt genauen Kalibrator auszumessen.

So wie das Ding jetzt aussieht war es nie geplant, es war sowieso niemals geplant es überhaupt so weit gedeihen zu lassen. Das ganze Gebilde ist nur ein Versuchsobjekt. Auch wenn es ein sehr merkwürdiges Entlein geworden ist, das Ding funktioniert und ist vielfältig einsetzbar. Die Stromaufnahme beträgt bei Raumtemperatur nur etwa 25 mA aus einer 12 Volt Batterie, die für einige Tage ausreicht.

Leider musste ich feststellen, dass nun trotz des beheizten Gehäuses der Temperatur Koeffizient von ca. -2ppm/°C noch immer vorhanden ist. Verschiedene Messungen bei denen das beheizte Gerät unterschiedlichen Umgebungstemperaturen ausgesetzt wurde beweisen das. Die beiden DMM wurden hierbei bei konstanter Temperatur betrieben und zeigten den TK des Selbstbau Gerätes deutlich an. Die DMM sind daher am gemessenen TK schuldlos, sie arbeiten gut, es liegt hier möglicherweise ein Design Fehler meinerseits vor. Um dies aber noch zu bestätigen oder zu entkräften wird noch ein weiteres DMM hinzugezogen.

Zunächst aber gilt es nun aber einmal die Referenz an einem bekannten Standard zu vergleichen. Die Referenz hat sich zu diesem Zeitpunkt bereits als nach meinem Empfinden als stabil herausgestellt, so daß ein Vergleich als sinnvoll betrachtet werden darf.

Die Messwerte wurden mit drei voneinander unabhängigen Messinstrumenten genommen. Die drei Messinstrumente sind jeweils auf drei unterschiedliche Standards rückführbar, die nicht gemeinsam am selben Standard kalibriert worden sind.

Benutzt wurde auch ein PT100 Widerstand, der während der Messung über Wärmeleitpaste am Gehäuse zwischen den Bananenbuchsen fixiert wurde. Die Gehäusetemperatur ist geringfügig höher als die Umgebungstemperatur. Der montierte PT100 wurde zuvor mit einem rückführbaren Referenz PT100 verglichen. Die PT100 Vergleichsmessung wurde zuvor durchgeführt in einem temperaturgeregelten Ölbad bei ca. 25°C Öltemperatur.

Einen Tag später am 18.04.2008 wurden alle drei Multimeter auf diese 10V Referenz neu kalibriert. Die Referenz hatte vom 17.04 auf den 18.04 einen kleinen Transportweg hinter sich und vor der Kalibration einen Tag Zeit um wieder die gleiche Raumtemperatur der bereits eingeschalteten DMM anzunehmen.

Das Foto zeigt die beteiligten Instrumente während des Aufbaus. Das bisher benutzte 3457A (unten No. 20) und 34401A (hinten No. 34), zusätzlich noch ein zweites 3457A (oben No. 22). (Die Nummernvergabe basiert auf der Busadresse und ist ohne Bedeutung).

Konnektiert die vorderen beiden DMM über Klingeldrähte und das hintere über Messleitungen. Der PT100 misst die Raumtemperatur, er wurde nicht am Gerät montiert, der Raum hat nur geringe Luftkonvektion. In das 3457 läßt sich die Geradengleichung des PT100 hinein programmieren und speichern, so daß dieses bequem den Messwert in °C ausgibt. Es wurde zu jeder Messung umgeklemmt zwischen DC Messung und Vierleiter Ohm Messung.  Das Diagramm wurde beim Stand von 2800h fortgesetzt.

Ich bin zufrieden. Die DMM wurden jetzt abgeschaltet, die Referenz läuft weiter.

Als Bonus gibt hier noch das Diagramm einer 10V Referenz in einem kleinen Gehäuse, die parallel dazu in einem anderen Raum mit einem anderen DMM mitgemessen wird. Diese Referenz wird konstant belastet mit 6mA, sie wurde nicht temperaturgeregelt, fliegend aufgebaut und sie ist freilaufend mit der Raumtemperatur.

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