計(jì)量論壇

標(biāo)題: [原創(chuàng)]八位半萬用表不尋常特性極其應(yīng)用 [打印本頁]

作者: lymex 時(shí)間: 2007-5-27 19:31
標(biāo)題: [原創(chuàng)]八位半萬用表不尋常特性極其應(yīng)用
一、八位半萬用表不尋常特性

八位半萬用表是業(yè)界最高分辨的常用電磁計(jì)量儀器，基本檔最高年穩(wěn)定度在3ppm左右（Fluke 8508, 10V/20V檔），差一些的有10ppm的（Keithley 2002, 10V/20V檔），而且必須每年檢定。這樣的指標(biāo)在很多場合下是不夠的，不僅因?yàn)樾睦砩系?ppm的不確定度上限，更主要是類似的儀器都具備類似的穩(wěn)定度，互相不能測量。因此看來直接用八位半萬用表來進(jìn)行計(jì)量工作是無能為力了，也就是說，自己不能校準(zhǔn)自己。然而，八位半萬用表具備一些不尋常的指標(biāo)超高的特性，而且不需要校準(zhǔn)，可以在整個(gè)生命周期內(nèi)由設(shè)計(jì)或由生產(chǎn)廠家保證，這些特性包括：

1、分辨力很高，與準(zhǔn)確度比余量很大。
以最末位字?jǐn)?shù)為單位，3位半到4位半萬用表穩(wěn)定度一般為幾個(gè)字到十幾個(gè)字，例如某萬用表測量19.99V時(shí)，準(zhǔn)確讀為0.5%為0.1V，為10個(gè)字。對于6位半的，一般為幾十個(gè)字，例如34401A，10V檔年穩(wěn)定度35ppm，分辨為1ppm，因此為35個(gè)字。而8位半的就非常高，比如3458A，10V檔年穩(wěn)定度8ppm，但分辨0.01ppm，因此為800個(gè)字。

2、線性度非常好
線性度是高位萬用表追求的指標(biāo)之一，一般其指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其年穩(wěn)定度，比如3458A達(dá)到0.1ppm，是年穩(wěn)定度的80倍。線性度好，類似一把尺子，不僅平直，而且刻度均勻（盡管每一個(gè)刻度絕對準(zhǔn)確度不很高）。

3、噪音小
例如3458A，10V量程，當(dāng)NPLC=100時(shí)（常用），RMS噪音達(dá)到了驚人的0.01ppm。

4、轉(zhuǎn)移特性非常好，短期穩(wěn)定性比較高。
轉(zhuǎn)移特性即短期測量對比特性，能夠在多大不確定程度上對比測量兩個(gè)相似的量。這一方面要求噪音小、短期穩(wěn)定性高，另一方面，也要求有足夠高的線性度。例如3458A的10V轉(zhuǎn)移特性為0.1ppm。

幾種典型萬用表不尋常特性對比表
（亦見后面圖）
Fluke 189, HP/Aigilent 34401A，HP/Aigilent 3458A，F(xiàn)luke 8508A
基本檔（年）準(zhǔn)確度（ppm），250，30，8，2.7。
最高分辨力（ppm），20，1，0.01，0.005。
分辨力超出倍數(shù)（ppm），12.5，30，800，540。
線性度（ppm），n/a，3，0.1，0.1（10V時(shí)0.2）。
噪音（ppm），n/a，1，0.01，n/a。
轉(zhuǎn)移特性（ppm），n/a，7.5，0.1，0.22（10V時(shí)0.32）。

二、八位半萬用表不尋常特性的驗(yàn)證

1、零點(diǎn)的穩(wěn)定性
零點(diǎn)用短路環(huán)測量，實(shí)測變動(dòng)特性不大于0.2μV，對于10V就是0.02ppm。
零點(diǎn)測量時(shí)往往有一個(gè)固定偏差，一般在0.2μV到0.5μV之間，可以自用校準(zhǔn)消除，采用低熱電動(dòng)勢測試線也可以減少測量的不確定度。這個(gè)零點(diǎn)即便不進(jìn)行消除，也可以在隨后的計(jì)算中減去，不影響線性度。

2、線性度
采用高穩(wěn)定度固態(tài)電壓基準(zhǔn)Fluke 732B和線性度指標(biāo)達(dá)到0.1ppm的KVD分壓器Fluke 720A，做了多點(diǎn)對比，結(jié)果在0.1ppm范圍內(nèi)相符。
對比時(shí)注意，720A的輸出電阻最大為66k，同時(shí)與其0.03ppm最大負(fù)載誤差上限，要求負(fù)載不小于1E12Ω，萬用表的輸入電阻達(dá)不到這個(gè)要求，因此需要增加一級高輸入阻抗、低失調(diào)的緩沖跟隨器。

3、穩(wěn)定性（可重復(fù)性）
我們知道，萬用表讀數(shù)的不穩(wěn)定性不僅取決于信號(hào)源的不穩(wěn)定性（A），而且取決于萬用表自身的不穩(wěn)定性（B），合成不穩(wěn)定性的計(jì)算方法，是A和B取平方和，再開方，與合成不確定度的計(jì)算方法一樣。因此，只要讀數(shù)穩(wěn)定，就證明信號(hào)源和萬用表自身都穩(wěn)定性。更具體的說，萬用表自身的不穩(wěn)定性不大于其（對任何信號(hào)源測量時(shí)）讀數(shù)的不穩(wěn)定性。
不穩(wěn)定性一般用阿倫方差來表示，以一定間隔測量出一組數(shù)據(jù)，就可以計(jì)算出阿倫方差。
使用經(jīng)過徹底預(yù)熱的3458A，對高穩(wěn)定度10V基準(zhǔn)源（Fluke 732B）和高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)電阻（IET SRX-10k）進(jìn)行采樣測量，閘門周期2秒，采樣周期4秒，結(jié)果是均為0.1ppm之內(nèi)（有錄像數(shù)據(jù)）。

穩(wěn)定性（可重復(fù)性）的一個(gè)直觀理解：
比如阿倫方差為1ppm，就是正態(tài)分布σ=1ppm，意味著讀數(shù)有68%的概率落在中心±1ppm的范圍內(nèi)，或者有95%的概率落在中心±2ppm的范圍內(nèi)，或者有98.8%的概率落在中心±3ppm的范圍內(nèi)。

三、八位半萬用表不尋常特性的應(yīng)用

1、轉(zhuǎn)移和傳遞
轉(zhuǎn)移和傳遞就是對比傳遞兩個(gè)很相近的量。計(jì)量中常用到10V電壓基準(zhǔn)和10kΩ電阻基準(zhǔn)的對比，就可以利用八位半萬用表不尋常特性來解決。
電壓的對比。若被對比的電壓是獨(dú)立的，那么就可以采用直接比對的方法，即負(fù)極接到一起，正極用小范圍量程的萬用表來測量，這樣分辨很高，對比準(zhǔn)確度也高。但是，有的時(shí)候被對比的電壓是不共地的，比如一個(gè)多段分壓器，就需要在線分段測量。
電阻的對比?？刹捎盟木€法直接測量。與DCC和電橋?qū)Ρ确ㄏ啾?，此方法具有速度快和使用方便的特點(diǎn)。

2、同量程量的精確對比
比如一個(gè)10V和一個(gè)7V，需要準(zhǔn)確知道其比例，就不能或不方便用別的方法來對比，而利用萬用表10V檔的超級線性度，就可以很方便的完成，對比的不確定度可以達(dá)到0.2ppm（兩次轉(zhuǎn)移不確定度）。

這樣對比的一個(gè)實(shí)際應(yīng)用，就是可以大大提高Fluke 732A/732B的穩(wěn)定性。實(shí)際上Fluke 732A/B內(nèi)部是采用7V基準(zhǔn)，然后采用兩只電阻分壓/升壓成10V，因此其穩(wěn)定性取決于兩個(gè)部分分別穩(wěn)定性。事實(shí)上7V內(nèi)部基準(zhǔn)是非常穩(wěn)定的，但分壓電阻就很難穩(wěn)定，比如標(biāo)價(jià)3萬多的Fluke標(biāo)準(zhǔn)電阻742A-10k，其年穩(wěn)定性才4ppm，那么732A/B內(nèi)部采用的電阻不太可能超過獨(dú)立的電阻基準(zhǔn)，或者說電阻器件穩(wěn)定到4ppm已經(jīng)接近極限。因此可以確定，732A/B不穩(wěn)定指標(biāo)中，大部分是分壓/升壓電阻的問題。只要我們精確的測定7V/10V比例，就知道了這兩個(gè)電阻的分壓值的變化，就可以進(jìn)行自修正，從而大大提高732A/B的穩(wěn)定性指標(biāo)。

3、溫度系數(shù)的測量
高穩(wěn)定、低溫飄的基準(zhǔn)和儀器，其溫度系數(shù)非常小，甚至有的遠(yuǎn)小于1ppm/℃。因此如果進(jìn)行測量，需要很高的分辨，這樣八位半萬用表就有了用武之地。

4、老化的測量
老化就是電壓、電阻等參數(shù)隨時(shí)間長期的變化，一般常用90天、半年、1年作為時(shí)間測量單位。高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)和儀器，其穩(wěn)定度一般很高，有的每年變化不了幾個(gè)ppm，要在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行測量，則變化更小，更需要高分辨的測量。另外，要想進(jìn)行老化測量，必需具備比被測物更穩(wěn)定的基準(zhǔn)做對比。因?yàn)榘宋话肴f用表本身的穩(wěn)定性并不好，不能以其直接測量的結(jié)果為依據(jù)，而是利用其線性度好、轉(zhuǎn)移特性高的特點(diǎn)來測量。如果不具備這樣的基準(zhǔn)，那么就很難測量，或者需要非常長的時(shí)間累計(jì)才能得到結(jié)果。

舉個(gè)例子，一個(gè)10kΩ標(biāo)準(zhǔn)電阻，第一次測量值是10,000.123Ω，第2次間隔90天后再次測量為10,000.130Ω，即增大了0.7ppm，這就是90天的穩(wěn)定性。假設(shè)用直線外延，那么1年的穩(wěn)定性就是0.7*4=2.8ppm/年。由此可以看到，進(jìn)行老化測量時(shí)其測量值變化特別小，因此對讀數(shù)的不確定度要求就更高。

再舉個(gè)具體的例子，我的一個(gè)國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)電阻BZ3C/8-10k，穩(wěn)定度指標(biāo)為20ppm/年，出廠檢驗(yàn)日期為2001年3月。但是，根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)人員介紹，他們不對穩(wěn)定度進(jìn)行測量，原因是沒有相應(yīng)的測量手段。因此，這20ppm是指標(biāo)值。實(shí)際上，電阻出廠時(shí)有在20℃的準(zhǔn)確測量值10000.19Ω，現(xiàn)在再次測量，阻值（折算成20度）為10000.20Ω。因此，只變化了2ppm，老化僅為0.3ppm/年。由此看來，這樣的電阻老化很小。事實(shí)上，該電阻生產(chǎn)規(guī)格比較高，填充與金屬密封效果很好，因此老化才比較好。另外，也正因?yàn)槔匣。虼撕茈y在短時(shí)間內(nèi)測量出老化結(jié)果。要不是利用了出廠準(zhǔn)確值以及出廠后經(jīng)歷了多年，該電阻的老化結(jié)果也不可能知道。

四、結(jié)束語
以上這些八位半萬用表不尋常的特性，主要不尋常在某些參數(shù)的高性能，比穩(wěn)定度指標(biāo)高出很多。另外，這些指標(biāo)不需要檢定和校準(zhǔn)，因?yàn)椋?br /> A、是廠家保證的，很難出問題；
B、出了問題就屬于大問題，即損壞，應(yīng)修理；
C、檢定項(xiàng)目不包含；
D、不能通過校準(zhǔn)程序來改善。

理解了萬用表的這些不尋常的特性指標(biāo)，就可以更好的發(fā)揮其作用。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-5-27 19:46 編輯 ]

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3458Ap.jpg (80.44 KB, 下載次數(shù): 806)

作者: gaobingic 時(shí)間: 2007-5-30 09:56
標(biāo)題: 3458A的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)用的是LTZ1000A！
3458A的內(nèi)部電壓基準(zhǔn)用的是LTZ1000A，保證了基準(zhǔn)電壓的恒定不變！基準(zhǔn)電壓不僅做的要準(zhǔn)，關(guān)鍵要穩(wěn)！

[ 本帖最后由 gaobingic 于 2008-10-27 20:52 編輯 ]

作者: lymex 時(shí)間: 2007-5-30 11:05
標(biāo)題: 回復(fù) #2 gaobingic 的帖子
完全錯(cuò)誤！
穩(wěn)定當(dāng)然是第一位的，但你真的知道“約瑟夫申效應(yīng)”是什么嗎？
我給你貼個(gè)3458A內(nèi)部基準(zhǔn)板你看看。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-10-27 09:21 編輯 ]

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作者: lymex 時(shí)間: 2007-5-30 11:16
3458A內(nèi)部基準(zhǔn)用的是Linear公司的超級穩(wěn)壓基準(zhǔn)LTZ1000ACH，下面是我自己做的標(biāo)準(zhǔn)板。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-5-30 11:43 編輯 ]

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（參考）電路圖

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電路板

A52.jpg (113.41 KB, 下載次數(shù): 647)

元件

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電路板大圖

A54.jpg (78.75 KB, 下載次數(shù): 646)

成品板

A53.jpg (123.84 KB, 下載次數(shù): 700)

成品板

作者: lymex 時(shí)間: 2007-5-30 11:43
上面“板圖”的那張上錯(cuò)了，重來。

A35.gif (29.36 KB, 下載次數(shù): 783)

作者: soikvivian 時(shí)間: 2007-6-2 14:27
好勵(lì)害.您對3458A的了解.不只是操作.連內(nèi)部都如此的清楚

作者: echozhang74 時(shí)間: 2007-6-13 17:17
佩服佩服！您的水平真高啊

作者: taurus 時(shí)間: 2007-6-13 23:00
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作者: lymex 時(shí)間: 2007-6-13 23:08
感謝樓上幾位鼓勵(lì)。

回#8樓，可以先看看雙積分的原理和數(shù)碼顯示的原理，或者更直接一些，找個(gè)集成塊的說明看看，比如ICL7016或者ICL7135。

作者: 卡卡99 時(shí)間: 2007-6-14 09:55
老大是不是做萬用表的啊,怎么知道這么詳細(xì)啊:P

作者: lymex 時(shí)間: 2007-6-14 14:23
標(biāo)題: 回復(fù) #10 卡卡99 的帖子
我做過萬用表，模擬的和數(shù)字的，但不是做萬用表的。:P
了解萬用表的目的，一個(gè)是用，再一個(gè)就是試圖改進(jìn)。
8位半萬用表也不是不能改進(jìn)了，可改指標(biāo)之一，就是8ppm的年穩(wěn)定性，可以至少或者很容易的改成4ppm，就像Datron/Wavetek的1281和Fluke的8508A那樣。

作者: lgl_2005 時(shí)間: 2007-12-24 09:36
感覺很好，版主水平很高，這才是專業(yè)論壇的水平啊
自己努力啊

作者: vvipi_new 時(shí)間: 2007-12-24 19:41
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作者: swife 時(shí)間: 2007-12-24 19:46
老大可不可以帶大家做這樣的基準(zhǔn)板子啊，象電子論壇帶大家做USB口一樣，呵呵。大家都有個(gè)提高~

作者: lymex 時(shí)間: 2007-12-24 20:01

原帖由 vvipi_new 于 2007-12-24 19:41 發(fā)表

3458出廠時(shí)時(shí)可以選擇010選件的（編號(hào)記不太清楚了），其指標(biāo)正如您所說的4ppm

是的，選件002，就是一個(gè)新的基準(zhǔn)板。但需要多加大約$1500。前一段時(shí)間eBay有賣半價(jià)的基準(zhǔn)板，只要$795，我一點(diǎn)也沒動(dòng)心。原因是即便4ppm/年也不太好，況且我改動(dòng)后肯定要比這個(gè)還好。

原帖由 swife 于 2007-12-24 19:46 發(fā)表
老大可不可以帶大家做這樣的基準(zhǔn)板子啊，象電子論壇帶大家做USB口一樣，呵呵。大家都有個(gè)提高~

當(dāng)然可以的，我做板子的資料都是公開的。但問題是LTZ1000A不好買，價(jià)格也貴，我買的是二手的。另外幾只電阻要求也高，必須定做。

作者: lymex 時(shí)間: 2007-12-24 20:07
標(biāo)題: 回復(fù) 13# 的帖子
補(bǔ)充一點(diǎn)，我與一個(gè)老外交流過，他在某標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室干了近30年后退下來，他說普通3458A的基準(zhǔn)過幾年也變得非常好了：

I personally know one of the Primary Calibration Metrologist's at Agilent/Hewlett Packard in Boulder, Colorado. I did not know this: He told me, all HP3458A's will meet Option 002 Specifications after only 4 years of use! Their references improve vastly with age!! Also, he said: Option 002 means HP already aged the reference with a heating chamber for a proprietary length of time before installing it.

作者: swife 時(shí)間: 2007-12-28 21:28
老大可以把電路的詳細(xì)原理圖公布出來么。以及元?dú)饧那鍐?，你的PCB是特別定做的？

作者: lymex 時(shí)間: 2007-12-28 22:58
標(biāo)題: 回復(fù) 17# 的帖子
可以。等我另開一個(gè)帖子吧。
電路原理基本上就是LTZ1000A的標(biāo)準(zhǔn)電路，我做了一點(diǎn)改動(dòng)。
元件參數(shù)與Linear給出的稍有不同，是測試后修正的。
PCB是自己用Protel畫的，然后去制版。

作者: autopccopy 時(shí)間: 2008-5-4 23:19
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作者: autopccopy 時(shí)間: 2008-5-4 23:56
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作者: lymex 時(shí)間: 2008-5-5 08:49
標(biāo)題: 回復(fù) 20# 的帖子
LTZ1000的PCB文件已經(jīng)發(fā)去。
原理圖我還真沒有，基本上就是LTZ1000數(shù)據(jù)表的圖（稍做改動(dòng)，原圖有一小錯(cuò)）。3458A的電路是雙電源、大電流、高溫度，并不適合我。
你居然買了10個(gè)，都是0729嗎？

作者: autopccopy 時(shí)間: 2008-5-5 09:08
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作者: lymex 時(shí)間: 2008-5-5 10:41

原帖由 autopccopy 于 2008-5-5 09:08 發(fā)表
文件收到，非常感謝?。海?br />
有幾個(gè)是07的，另外的是94，00，06，04年的都有?。海?br /> 請問原圖哪里有誤阿，俺水平有限，沒看出來。-_-!> 麻煩指出一下，謝謝. :) ...

我有點(diǎn)搞混了，我說的是Linear AN86里面的電路圖（見圖），其中的紅圈部分應(yīng)該斷開。

LTZ1000數(shù)據(jù)表里面的電路圖右下兩個(gè)地沒接到一起。
另外，電源我用10V就足夠，因?yàn)榧訜釡厣淮?，加熱電壓很少超過5V。我測試過，電壓從8.9V變到15V，輸出變化<0.1ppm，因此甚至可以用9V。之所以用15V是給加熱用的，可以在很冷的天氣里快速升溫，一般用不到。我自己的LTZ1000組目前用10V供電，但由于要裝7V-10V轉(zhuǎn)換電路，因此要提高到12V。

diag.GIF (19.54 KB, 下載次數(shù): 745)

作者: 黎明 時(shí)間: 2008-12-13 12:31
我們也是用的3458A,呵呵！謝謝了！對3458A又多了一點(diǎn)兒了解！

作者: xuanmic 時(shí)間: 2014-7-4 10:14
對8位半的表非常心動(dòng)??！目標(biāo)就是3458A了，主要是校準(zhǔn)方便些，努力工作掙錢！

作者: 滿志 時(shí)間: 2014-7-5 11:34
版主對計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)這快研究很深,大師級的水平.

作者: 河?xùn)|居士 時(shí)間: 2014-7-14 18:30
回復(fù) 25# xuanmic

八位半，想想就心痛。

作者: chinapp 時(shí)間: 2014-8-5 09:17
學(xué)習(xí)了，謝謝

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