高精度萬用表的測試

作者：Lymex/bg2vo
一、序言
高精度萬用表，一般指6位半或以上的萬用表。
這樣的表具有很好的性能，不是一般廠家能夠生產(chǎn)的，即便世界上為數(shù)不多的有實(shí)力的廠家，做起高精度萬用表，也是要下大氣力的。這樣的表具備至少1ppm的分辨，同時具備很高的穩(wěn)定度、很低的溫度系數(shù)、很小的噪音。因此，這樣的表也是基準(zhǔn)愛好者必備的。
但是，這樣的表價格也都很貴，新品動輒上萬，不是一般愛好者能輕易問津的。當(dāng)然，二手市場存在打量的淘汰舊表，功能似乎正常，測試也似乎準(zhǔn)確，值得廣大儀器和基準(zhǔn)愛好者考慮。

對待舊表的態(tài)度，有兩種截然相反的意見：
一種是不要買舊表。原因是這種高準(zhǔn)確的東西，年久失準(zhǔn)，老化嚴(yán)重，很多是強(qiáng)制淘汰下來的，因此不能繼續(xù)作為高精度表來使用了。另一種是可以買舊表。原因是基準(zhǔn)這東西，時間越久老化反而越小，只要功能沒問題，并進(jìn)行重新校準(zhǔn)，完全可用的。

個人傾向于后者。
高精度的萬用表，設(shè)計和用料都是下了工夫的，半導(dǎo)體元件幾乎不存在壽命問題，而電阻和基準(zhǔn)的老化，有的是線性的有的是開方的（即根號老化，時間越久老化越慢），更多的老化特性是界于二者之間的，因此，不存在老東西老化大的問題。

很多人這么說，其實(shí)是一種誤解：時間久的偏差當(dāng)然大，但老化的速度會越來越慢。因此一旦調(diào)整過來，比新的老化速度還要小。
當(dāng)然，老表有可能年久失修，插頭、開關(guān)等容易出毛病，電解電容等也容易失效，故障率也偏高，應(yīng)該引起注意。


購買了一個高位表后，無論是新表，還是二手的，其指標(biāo)到底能否達(dá)到？是否能超額？具體表現(xiàn)如何？二手的有沒有差別？這就需要進(jìn)行一系列的測試。



二、測試所需要的條件
高位表由于要求高，不是隨便開機(jī)就能測試的。
但另一方面，也不要神秘化，業(yè)余條件下只要考慮充分，也完全可以測試和驗(yàn)證很多有用的指標(biāo)。

這些條件包括：
1、適當(dāng)?shù)目臻g和場地，比如
穩(wěn)定的溫度
不高的濕度
不通風(fēng)/空氣適當(dāng)流動
周邊沒有強(qiáng)磁、強(qiáng)電等干擾
電源電壓合適并比較穩(wěn)定
2、電壓基準(zhǔn)
最好有穩(wěn)定、準(zhǔn)確的10V。
有穩(wěn)定的原始7V也可以，最好是標(biāo)定過的

3、標(biāo)準(zhǔn)電阻
例如10k、1k等
條件不夠也可以用穩(wěn)定的、經(jīng)過標(biāo)定后的電阻

4、電壓校準(zhǔn)源
這東西一般為成品，比如Fluke335D、5440B

5、電阻校準(zhǔn)源
這東西一般為成品，比如Fluke5450A

6、交流穩(wěn)壓電源/凈化電源


7、分壓器/KVD
這東西一般為成品，比如Fluke720A，不過還真有DIY的


三、測試的緣由、項(xiàng)目和方法

1、零點(diǎn)測試
就是把輸入短路，然后測試電壓檔和電阻檔是否為0。
短路應(yīng)該使用4線短路器，也可以仿造3458A測試那樣用一根稍微粗一些的裸銅導(dǎo)線：



2、基本檔的開機(jī)特性。
就是開機(jī)的過渡特性、穩(wěn)定特性、預(yù)熱特性。
任何臺表，內(nèi)部都有熱量源，而且有溫度系數(shù)，所以隨著開機(jī)后溫度的上升，測量值是不斷變化的。
長期沒有開機(jī)的表，尤其是在比較潮濕的環(huán)境下放置的一段時間后，由于有潮氣，那么開機(jī)變動就更大，甚至報錯，這樣就必須開機(jī)至少24小時后，讓潮氣排除，再重新測試開機(jī)特性。
從指標(biāo)上看，高位表的預(yù)熱時間，一般需要2小時到4小時，才能達(dá)到額定指標(biāo)。但是，在開機(jī)的過程中讀數(shù)是如何改變的，是變大是變小、最大變化多少，，廠家一般都不給出。只有進(jìn)行了開機(jī)特性測試，才能做到心中有數(shù)，才能在要求高的情況下知道至少預(yù)熱多長時間，要求不高的情況下也知道誤差能有多少。
有的時候可能預(yù)熱時間短但也能達(dá)到指標(biāo)，另一方面，達(dá)到了指標(biāo)的預(yù)熱時間后，也不是一層不變的。

開機(jī)特性以及本檔位主，例如10V/12V/20V檔
把電壓基準(zhǔn)（10V或7V）先接好，然后開機(jī)，設(shè)置好參數(shù)，然后讀數(shù)并記錄
一般設(shè)置成每2秒讀1次（NPLC=50、自穩(wěn)零）
讀數(shù)可以采用自動的方法，1分鐘采集一次就可以，采集時間至少3小時，也可以更長
也可以手動記錄，比較辛苦一些。開始的時候變化快，記錄間隔要短一些，后面可以延長間隔

后續(xù)數(shù)據(jù)處理
---輸入計算機(jī)或進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換，用的比較多的是Excel，下面就以Excel為主
---作出趨勢圖
---處理分析


3、電阻開機(jī)特性
測試電阻檔的開機(jī)特性，一般用10k標(biāo)準(zhǔn)電阻。
類似測試。


4、噪音/短穩(wěn)/重復(fù)性。
這幾個名詞其實(shí)都是等價的，表現(xiàn)在測試同一個不變的基準(zhǔn)的時候，連續(xù)兩個或多個讀數(shù)是不同的。
用慣了低位表的，比較習(xí)慣于末位讀數(shù)的不變，或者最多變化+-1個字。但是對于高位表，由于分辨高，超過了噪音電平，因此變動就不是+-1個字的問題了。越高位的表這樣的變化就越大。
不同的采樣時間，末位變動也不一樣。
噪音可以用RMS值和峰峰值來表示。噪音如果大，很明顯讀數(shù)變來變?nèi)ィ瑹o法精確讀數(shù)。高位表由于分辨高，內(nèi)外干擾容易表現(xiàn)出來，末位允許有跳動，尤其是采樣時間短的情況下。但如果波動過大，考慮是否為故障。
短穩(wěn)的意義類似，一般表現(xiàn)為稍微長一些周期的，比如幾秒、幾分鐘的變動特性，其實(shí)也可以歸結(jié)為長周期的噪音。
重復(fù)性就是兩次或多次測試的差異

做測試的時候，可以先不理會這些名詞，就是在不同的NPLC下，測試一組讀數(shù)并記錄
測試當(dāng)然最好自動采集，也可以手動記錄
數(shù)據(jù)的處理，可以簡單做圖，很直觀
數(shù)據(jù)處理，可以進(jìn)行統(tǒng)計分析，得到標(biāo)準(zhǔn)方差等參數(shù)


5、測試基本電壓檔的偏離。
也就是說，各檔（尤其是主檔、基本檔）在最初時的偏差。當(dāng)二手表到手時，這個初始偏差代表了老化歷史（曾經(jīng)的老化方向、老化速度），有條件的要記錄下來。當(dāng)然，這需要自己有一個準(zhǔn)確的基準(zhǔn)。
這個指標(biāo)還不是俗稱的“精度”指標(biāo)。偏離是指當(dāng)前測試值與真值的差異，表明現(xiàn)在的測試誤差是多少。而精度指標(biāo)是指校準(zhǔn)后一年的偏差。偏離有可能小于精度，但二手表長期沒校準(zhǔn)也完全可能大于精度指標(biāo)，到底如何就需要測試了。

測試其實(shí)很簡單，萬用表預(yù)熱后，直接測試標(biāo)定好的基準(zhǔn)。假設(shè)基準(zhǔn)是7.123456V，你的測試是7.12347V，那么偏離就是(7.1236-7.123456)=0.000014V，相對偏離=0.000143V/7.123456=2ppm

二手表到手后，如果能知道上次校準(zhǔn)的時間，通過測試這個偏差，就很容易看出這個表的穩(wěn)定性到底有多少。


6、基本電阻檔的偏差
一般用10k標(biāo)準(zhǔn)電阻，類似測試。
但由于電阻檔的不同標(biāo)準(zhǔn)電阻差別不大，因此可以多測試幾個不同的阻值，例如100、1k、100k、1M。
（對比，電壓就不太方便，<=0.1V下熱電動勢影響大，100V和1000V屬于高壓也難產(chǎn)生）


7、基本電壓檔的線性/非線性
理想的ADC，其輸入和輸出是成正比的，畫成圖來看，就是一根理想的直線。而非線性，就是與理想直線的偏離程度，一般是以全局的ppm位單位。
這個測試比較難，測試的方法有：
---絕對測試法，用JVS（！），分別輸出1V到10V的10個精準(zhǔn)的電壓，用被測表來讀，這個適合測試8位半表
---KVD法，即采用Fluke 720A KVD，對10V基準(zhǔn)進(jìn)行分壓，得到1V到10V，然后用被測表來讀。由于720A本身有0.1ppm的線性，因此這個適合測試6位半，最多7位半
---相對比較法，即采用線性好的3458A（0.1ppm），與被測表同時測試一組電壓，就可以計算出被測表的線性，適合測試7位半及以下表


8、測試基本電壓檔的溫度系數(shù)
在一段時間內(nèi)，持續(xù)測試一個假設(shè)不變的基準(zhǔn)，讓溫度變化，看讀數(shù)變化。
比如我的1281，連續(xù)測試幾天，利用溫度的自然波動，可以明顯看出表的讀數(shù)也隨之變動：



采集后做圖，一定要做成每縱格為1ppm電壓、同時也是每格一度。圖中由于電壓波動明顯沒有溫度波動大，但也不小于一半，因此可以判斷溫度系數(shù)在0.5到1ppm之間。



另外，現(xiàn)在被廣泛使用的lly的GPIB卡，對于自動采集非常方便，而且有溫度數(shù)據(jù)，作為測試高位表的溫度系數(shù)非常合適。數(shù)據(jù)采集后，利用雙軸折線圖

當(dāng)然，畫出圖后要調(diào)整到每格1ppm、每格1度，而且標(biāo)尺范圍相同，這樣才能共用一套網(wǎng)格線，像lxjjm用34401測試的這樣：


9、測試中穩(wěn)
即介于短穩(wěn)和長穩(wěn)之間的穩(wěn)定性，一般有兩個含義，一個是開機(jī)日穩(wěn)，即預(yù)熱好后，每24小時的變化。測試時需要基準(zhǔn)。
另一個含義是1天之內(nèi)或幾天之內(nèi)，重復(fù)開機(jī)的穩(wěn)定性。用途主要是同城甚至異地的對比。
當(dāng)然，校準(zhǔn)后的重新你開機(jī)，是否能復(fù)現(xiàn)原來的測量值，也是中穩(wěn)決定的。
中文的測試也可以自動進(jìn)行，需要較長時間的持續(xù)開機(jī)采集，利用統(tǒng)計方法可以計算出來。比如我上面的對1281的測試數(shù)據(jù)，可以看到能夠得到每天-0.1ppm的中穩(wěn)。


10、測試長穩(wěn)
長穩(wěn)一般指90天時間或者1年的時間段下，不校準(zhǔn)，測試值的變化。這個可以通過測試一個穩(wěn)定的基準(zhǔn)來得到。
一般不需要持續(xù)開機(jī)，但開機(jī)測試前要預(yù)熱好，并且可以選擇做Auto Cal或Self Cal（如果選擇了就要一直選擇）。最好是每天或每幾天測試一次，畫出曲線，并做統(tǒng)計分析，就可以得到結(jié)果。這是一個需要耐心、時間和毅力的體力活。

四、測試結(jié)果的整理、分析、統(tǒng)計、做圖、評價
1、整理
如果是手動測試，要錄入機(jī)器，最好是用Excel表格。如果是自動測試的，也最好轉(zhuǎn)成Exel表。這樣便于閱讀，尤其是給后面直觀的處理帶來方便
2、分析統(tǒng)計
用Excel自帶的各種對數(shù)據(jù)的處理方法，求出綜合處理值。例如平均值、離散/偏差、相關(guān)性等。如果發(fā)現(xiàn)問題需要改正（例如錄入錯誤、粗大誤差）
3、做圖
做圖的結(jié)果是非常直觀的，往往一眼就能看出趨勢、好壞，便于交流和發(fā)表。上面已經(jīng)給出了一些Excel做圖的例子。
常見的做圖包括折線圖、散點(diǎn)圖等。

五、結(jié)論和總結(jié)

先列出一些二手市場上常見的高位表
1、HP/Agilent：3455/3456/34401/3457/34420/3458
其中3455尤其是3456比較經(jīng)典，適合收藏，使用也很好。34401/34420/3458比較現(xiàn)代，性能優(yōu)異。

2、Fluke：8505/8506/8508
8505/8506比較經(jīng)典，用料足，適合收藏，使用也很好，體積比較大。8508性能/功能很好，價格也很高

3、Advantest：6871/6581
6871是很典型的7位半，性能不錯，二手常見。6581是8位半，性價比不錯，使用方便，但性能與其它8位半比稍有差距。

4、Keithley：2000/2001/2002
體積小巧，只有半寬（包括8位半的2002）

5、Datron：1081/1271/1281
經(jīng)典表，用料足，性能穩(wěn)定

6、Solartron：7081
是世界第一款8位半，用料很足，但測試速度慢



8位半幾個指標(biāo)的比較、排名
1、短穩(wěn)/重復(fù)性/噪音：3458-0.03ppm，1271/1281/8508-0.05ppm，6581-0.08ppm，7081-0.09ppm
這個指標(biāo)類似微分線性，表明多次讀數(shù)的一致性。如果一致性好，讀一次就能出結(jié)果。否則，要讀多次，采取后續(xù)處理的辦法。

2、線性/轉(zhuǎn)移特性（10V）：3458A-0.1ppm，6581-0.2ppm，1281/8508-0.22ppm，7081-0.3ppm（約）
例如要用10V基準(zhǔn)標(biāo)定7V，這個指標(biāo)就非常有用。同樣，也可同時測試7V和10V，看7轉(zhuǎn)10的變化。

3、基本檔年穩(wěn)定：8508-2.7ppm，1281-3ppm，3458A-4ppm（002），6581-5ppm，1271-7ppm，3458A-8ppm，7081-11ppm
這個指標(biāo)在沒有基準(zhǔn)的情況下很有用。

最后，我這里有一個自己用的對比表，先放上