Agilent 3458A 八位半萬用表基準的改動與校準

Agilent/HP 3458A是經典的8位半萬用表，很多指標超高，比如無與倫比的轉移特性和線性度（0.1ppm），前所未有的噪音特性（0.01ppm）。但也有不滿意的地方，比如中長期的穩定性不太好，90天10V電壓穩定性指標達到了4ppm，其典型的漂移曲線見圖（出自Agilent 3458A校準手冊）。從這個曲線也可以看出，基準LTZ1000A具有隨時間下降的趨勢。這個趨勢無論在這里，還是在使用該基準的Wavetek 7000基準的說明中都有體現。反映在萬用表中，這個趨勢所引起的后果就是讀數逐漸偏高。基準偏低1ppm，萬用表的讀數就偏高1ppm。

通過半年多的測試，也發現自己新出廠的3458A的基準大概變化了5ppm（讀數偏大5ppm）。盡管1年的指標為8ppm，但其它一些8位半的萬用表做的更好，比如Fluke 8508A和Wavetek 1281，為4ppm/年。
按照3458A內部采用的LTZ1000A基準的老化情況看，典型指標為1ppm/年，怎么就出現這么大的差距呢？

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-6-8 09:33 編輯 ]

如果不考慮價格的話總體來說還是FLUKE8508A強些....
樓主建議你向AGILENT反應你的問題,說不定AGILENT會聘用你哦....:lol

[ 本帖最后由 umec 于 2007-8-24 18:54 編輯 ]

經過剖析基準電路和所采用的元件參數，發現了原因所在。原來是3458A在設計時為了能工作與惡劣環境，把內部基準的恒溫溫度設置的非常高，達到了90℃!
從3458A的使用手冊可以看到，3458A可以工作在55℃的環境溫度下。再加上機器內部的溫升（13℃）、LTZ1000A的溫升（10℃）和一定的余量，選擇90℃就不足為奇了。
然而，從P.J. Spreadbury的文章和后來Wavetek等公司對LTZ1000A的測試表明，溫度每增高10℃，長期漂移變大一倍！
因此，若能把溫度降低30℃，那么穩定性就可以提高到8倍了（即長期漂移為原來的1/8）。
這樣也很方便的解釋了，為什么特性非常好的LTZ1000（年漂移<3ppm, 3σ），到了Agilent的手上，為什么變成了8ppm的年漂移了。
因此，只要把恒溫溫度降低到60℃，理論上就能夠達到年漂移1ppm之內。另外，從LTZ1000A的手冊上也可以看出，1ppm/a的指標漂移，是在65℃的溫度之下得到的，也證實了這一論斷。

另外，Fluke 8508A的長期漂移指標做的比較好，是因為用了Datron的原封不動的基準，不僅因為最高工作溫度低（40℃，比3458A降低15℃），而且還因為基準是用的LTZ1000CH而不是LTZ1000ACH。這兩個基準的差別是ACH的內部有絕熱，因此溫升有額外的10℃。這樣算下來，8508A的內部基準就至少比3458A的降低25℃，因此老化指標能夠降低過半也是可以理解的了。盡管3458A也有4ppm/年的高穩定基準選件，但那是經過長期的預先老化和篩選作為代價的。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-6-10 09:16 編輯 ]

那么如何把溫度從90℃降低到60℃以下呢？就是要調整基準電路的上溫度分壓電阻。通過計算得知，當把原來的15k改變到12.5k，就可以把溫度降低到57℃，可以允許萬用表適應于最高33℃的環境溫度。
33℃夠了嗎？對于我來說是的。今年最熱的天氣已經過去，室內最高溫度（不開空調）還沒有超過30℃的時候。
那么如何讓分壓電阻從15k變到12.5k呢，并聯一個75k的電阻就正好。我選擇了德國品牌的Vitrohm 75k 0.1%電阻進行了并聯（圖），該電阻指標溫度系數25ppm/℃，實際測試<10ppm/℃。
并聯的過程很簡單。原基準板有預留孔看來就是給并聯用的，電阻名字是R412。用吸錫器抽干孔內的焊錫把電阻焊上即可。
有人會問，并聯后，由于這個電阻的穩定性和溫度系數會不會對基準的輸出產生影響？當然會的，但經過評估（過程略，但可以補充），這個電阻在溫度正負10℃的變化以及200ppm/年的老化的情況下，對基準的影響均小于0.5ppm。

只有一個字,那就是"牛"!

對基準更改后，其電壓也自然要發生改變，實測從原來的7066.10mV變為7056.75mV，變動了-0.132%。測量#105號732B基準，讀數從改動前的10.000093V變成了10.013278V。因此，必須在充分預熱的基礎上進行校準。

好在3458A的校準過程非常簡單，只需要一個4線短路環（自制）、10V電壓基準（已有）和10kΩ電阻基準（已有）。校準于8月5日星期天進行。
首先校準0點，接上4線短路環，執行CAL 0，校準進行了8分鐘。
其次校準電壓，接上#105號732B，按照其具體偏離執行CAL 10，校準了大約4分鐘。
最后，打算也校準電阻，但發現改動前后對相同的標準電阻的測量值變化很小，不到2ppm，而且是向誤差小的方向變化，因此電阻檔沒有進行校準。

那么，基準改動后效果到底如何？由于改動后測試的時間比較短，因此還不能下最后的結論，但可以分項看一下：
1、長期老化無從測試。必須要等幾個月至少半年最好一年才能得到比較理想的得到數據。改動后很可能老化大大的降低，給老化測量帶來更大的困難。
2、中短期漂移有較大的提高。以前每天開機5個小時預熱后，對電壓基準的讀數差別比較大，最大達到2ppm以上。但改動后已經10天，這個變動不到0.5ppm，因此有很大的改善。
3、預熱時間縮短。由于最終溫度的降低，基準達到額定誤差之內輸出時間也自然縮短
4、低頻噪音有所降低。通過連續測量一個穩定的基準，得到一個系列，簡單的計算就可以得到標準方差。改動后這個方差有大約25%的下降，表現在兩次相鄰的讀數變動變小。

總之，改動后效果明顯，達到了預期目標。盡管這樣的改動是以犧牲最高允許工作溫度為代價的，但一般實驗室條件下使用沒有任何問題。

補充資料1，Linear給出的LTZ1000A的典型電路。其中R4=13k就是上溫度設置電阻。這個電阻若變化100ppm，對輸出的影響是1ppm。因此若在原來15k上并聯75k，那么75k變化100ppm，對這個并聯電阻的變化就是20ppm，因此對整體變化的影響就是0.2ppm。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-8-16 23:53 編輯 ]

補充資料2，劍橋大學P.J. Spreadbury對LTZ1000A的測試文章及某測試曲線。通過這個曲線得到了溫度每上升10℃老化加倍的結論。

補充資料3，Wavetek公司J.R. Pickering和P. Roberts的文章：Setting new standards for DC Voltage Maintenance Systems。
該文章描述了其創新的7000系列電壓基準的所采用的技術，這個基準的核心正是LTZ1000A。
由于Wavetek被Fluke收購，因此這套系統就搖身一變成為Fluke 7000系列。盡管價格比732B便宜且指標更高，但好象不是Fluke的主推產品。
該文章目前也在官方網站上找不到了，是以前在Wavetek的網站上下載的。

文章中提到了其首創的“消磁”重入技術、“統計電阻法”升壓電路，同時也給出一個溫度如何影響年穩的測試實例。從這個實例可以看出，一個組的年平均漂移，在80℃的工作溫度時為-1.2ppm，但在45℃下為-0.06ppm，低溫對降低漂移作用明顯。當然，這兩個絕對值都非常小，應該是Wavetek把這組基準做了預先老化并剔除了老化過大的單元。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-6-8 08:27 編輯 ]

補充材料4，自己的有關電壓基準的測試曲線。
除了注明以外，粗實線為10V基準與平均值差值對比的結果，相同顏色的細實線為10V基準直接測量結果，點線為對應內部7V直接測量結果。
其中紅色的就是3458A的變化（樓上#5已有），可以看到3458A在改動之前變動相對還是很大的。
橙色粗線為溫度（被減去29.5），與下面的一組自制的10V基準（藍綠色）有著某種互補的相似性，說明這個DIY-10V大約有-0.7ppm/C的溫度系數，大概歸結為其中的7V-10V升壓電阻的問題。
最下面的黃色點線是自己DIY的7V組，可以看出相對很穩定。
天藍色的這組732B-10V穩定性不太好，22天就下降了近1ppm。最上邊的深紅色10V也上升了大約0.5ppm。但由于對應的7V基本沒有變化，說明732B的不穩定的瓶頸在于7V-10V升壓環節，即分壓電阻存在問題。這應驗了我的猜測，因為Fluke最好的賣到3W多的標準電阻指標才4ppm/年，因此我才把所有的基準的內部7V引出進行測量。換句話說，如果你只有一個10V基準，把7V引出后，若此7V和10V的比例發生了變化，那么應該相信7V，畢竟7V是基礎，10V是派生的。
最后，8月3日的測試看來存在尖峰問題。

補充材料5，“HP3458A數字萬用表電子校準技術”，七二二所劉勇編著，原載于1993年第3期《電子測量技術》。

老大：你不搞基標準可惜了，應該把你做的一些高精度的對外銷售，我一定第一個買。

原帖由 bgqjm 于 2007-8-17 22:03 發表
老大：你不搞基標準可惜了，應該把你做的一些高精度的對外銷售，我一定第一個買。

謝謝了。現在我做的基礎7V穩定度很好，但就是7V轉10V做不太好。采用電阻升壓的Fluke 732B本身漂移的離散性也不好，即便Fluke已經用了其最好的密封電阻；而若采用類似Datron 4910的PWM方式又非常復雜；若采用Wavetek 7000的統計電阻方法則電阻搞不到。這個問題解決不了做基準只能免談了。我已經定了一些Vishay的VH系列電阻，年穩定性是5ppm級別的，等到手了再試。即便能夠解決問題成本也不低，一對電阻進價就要800。

看不懂,太深奧了.....弱弱地問一下3458A比較好呢?還是8508A好

各有好處。
特性，3458A，8508A
電壓年穩定性，8ppm，3.5ppm。當然，3458A也有4ppm的選項。我的3458A如上改動后應<2ppm。
電阻年穩定性，10.5ppm，8.25ppm
最大測量電流，1A，20A
10V積分線性，0.1ppm，0.32ppm
微分線性，0.02ppm，不詳
噪音，0.01ppm，不詳
8位半測量速度，6次/秒，0.17次/秒
功能，強，超強
大略人民幣價格，70k，100k

其實我真不看好8508A，10V指標好主要是最高工作溫度為40C，若3458A溫度降下來就比它好了。
20A的其實只有0.04%，要論計量還遠不夠，若要搞大電流計量還需要專業的shunt。
其它計量最常用的指標比如轉移特性、線性、噪音、速度，都是3458A比8508A強很多。
8508A并非Fluke自己的技術，而是沿襲英國Datron的。
至于3458A，多少年前就定型了，沒有變，也不會變了。

Vishay的VH系列電阻好象現在不做了,還能買到么?

當然做，VH是一個大系列，V是Vishay，H是Hermetic即環境密封的意思，都是用金屬/陶瓷/玻璃/Kovar密封的結構，具體分好多小系列。其特點是完全密封，年穩定度<5ppm。那種塑料/環氧密封的，只能做到25ppm/年，差了5倍。

樓主：
      你好！我是新到這里的老計量員，請問樓主“DIY高準確度電壓基準“是不是你的大作？
該篇文章我已早拜讀了,我原是搞交流阻抗計量的，干了幾年后搞產品設計去了，現在在搞自動化儀表和系統，但忘不了對高精度測量的追求，若有機會多多請教。

你好，“DIY高準確度電壓基準”是我一邊做一邊寫的，由于涉及長期老化（穩定性）的考核問題，同時10V輸出一直沒有解決好，因此現在還沒有一個成熟的版本，所以也沒在這里貼出。對于計量，我是業余的，因此以后多多指教了。

太厲害了!:lol
你的那個752A改裝的精密電阻做的怎么樣了?

原帖由 chuxp 于 2007-8-29 13:12 發表
太厲害了!:lol
你的那個752A改裝的精密電阻做的怎么樣了?

謝謝！
這個改裝一度停止了，過幾天再接著來。752A已經拆解，但由于在測試我自己另外4個自制電阻的時候發現漂移比預期的大，現正找原因。
下圖為自己做的另一個，用了4只Vishay VHP101，而這個VHP101在3458A里用做內部基準。

其中的接線柱也許是問題的原因，這次采用的是從Data Proof開關上面拆下來的，材料是Gold plated Tellurium Copper（鍍金銅碲合金），被公認為低熱電動勢測量所必需，但從成品開關上拆太可惜了，因此我找到了原始廠家Pomona，在網上買了一些，單價$5.99：
http://www.tequipment.net/Pomona3770.asp

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-8-29 14:21 編輯 ]

看來計量我是白干了。我是沈陽724站的，請問樓主在大連什么單位
有機會多請教

太有才了.PF啊!
我有一臺美國迪非公司出的DP730多通道信號分析儀,做振動測試用的,現在輸出衰減的特別厲害,找不到修理啊(這家公司被美國封查了)郁悶.

原帖由 zwham 于 2007-10-16 07:34 發表
看來計量我是白干了。我是沈陽724站的，請問樓主在大連什么單位
有機會多請教

我工作是計算機軟件，直流計量屬于業余愛好。多多交流。

原帖由 風吹石 于 2007-10-16 08:16 發表
太有才了.PF啊!
我有一臺美國迪非公司出的DP730多通道信號分析儀,做振動測試用的,現在輸出衰減的特別厲害,找不到修理啊(這家公司被美國封查了)郁悶.

謝謝！真的找不到修理的地方，可以找國內有經驗的師傅看看，至少先檢查一下壞在哪里。