電壓基準的評測

作者：lymex

測試的內容及測試方法
1、老化，或時間變化
由于基準老化小，因此要能看出變化，尤其是定性分析、找出規律，需要長期測試。
測試7V可以采用轉移對比測試，用2×2開關，交替測試4910AV主基準和被測基準，采樣幾小時，為一組。
每間隔一段時間，比如幾天、幾周，甚至幾個月，重復上述測試。把所有這些測試進行對比計算，就可以看出電壓的變化趨勢，得到電壓-時間曲線。

2、溫度系數
由于基準體積大，業余條件下不適合恒溫測試，因此參照采用變溫法。
基準帶電池放入冰箱冷藏12小時，取出后適當保溫，接線測試電壓值，同時溫度自然逐漸升高。大約12小時后接近室溫，再加溫處理，繼續測試12小時。這樣測試得到24小時的電壓采樣，就可以求得溫度特性。

3、噪音
---可以直接用高速、低噪的8位半例如3458A測試，然后計算方差。此法簡單，由于基準的噪音一般比3458A來得更低，因此此法可以判斷基準噪音是否正常，是否存在干擾
可以用噪音非常小，或者噪音很小并已知的基準做背靠背的基礎，用3458A的0.1V檔（噪音非常小），進行插值測試。
噪音非常小的基準，可以采用10個標準電池串聯，或者用干電池，或者用4910AV，或者用多個10V基準并聯。
作為插值基準，只要短穩好就行，慢速變化的信號，計算噪音可以采用阿倫方差方式。

4、掉電恢復特性
掉電恢復特性分短期、中期和長期三類，采用插值持續監測，配以內部溫度測試。
測試內容，就是電壓，看變化。
測試接法可以有三種：
---直接高位表測試，適合短期恢復
---與另外一個基準用2×2開關交替測試對比
---與另外一個基準背靠背測試

測試前先接好線，基準充分預熱后，進行掉電前的測試。采集要自動進行。
然后掉電，等一定時間后再加電，看過程。
因此，掉電恢復過程，比開機過程多了一個環節而已。


5、負載特性
微小負載，1uA（10M電阻）
中級負載，0.1mA（100k電阻，常見于KVD）
重負載，1mA（10k電阻）和10mA（1k電阻）
電容負載，0.1uF和10uF


綜合結果

731B的測試
Fluke在1974年就已經開始生產731B, 這可以認為是Fluke第一款固態基準了，盡管前面有730732A，但產量少無說明。
體積不大，非恒溫設計，采用12節鎳鎘電池串聯成14.4V做后備，至少可用30小時。
指標很一般，年老化30ppm，月老化15ppm，盡管有一說后來改為一半，但沒見到文件。
溫度系數<1ppm/C，低頻噪音<1ppmVpp,相當于0.16ppm rms，輸出阻抗<5mOhm。
掉電恢復特性，沒有指標。非恒溫的一般很小

耗電很小，實際測試交流變壓器勵磁電流只有大約2.2mA，三重屏蔽，發熱極微。
變壓器次級繞組電壓余量比較大，整流濾波后17.5V（電源電壓225V下）。
整流側耗電大約8mA，因此若電池是300mAh的，可以用37小時。
電源的充電部分是很簡單的二極管+電阻，防反+限流，沒有恒壓。看來是鎳鎘電池比較耐浮充。
電路看來是設計成帶電池運行的，我的幾個731B電池都沒有了，造成輸出電壓紋波太大，因此把充電二極管開路。
另外，電池+運行表頭也需要電池，并了一個電阻才指示正確。

某731B的測試：
這個測試，用了3458A通過2×2開關，交替測試4910AV和被測的731B。
深色曲線4910AV，系直接用加電不久的3458A測試，所以能看出逐漸的變化，屬于3458A的變動。
粉色的731B曲線，已經用4910AV進行了改正，為真值，公式是：顯示值=測量值+改正值。改正值為對應的10V-4910測試值。
最開始的時候，731B剛加電，第一個讀數就在最終值的0.2ppm之內，因此可以看到，非恒溫的731B幾乎是不需要預熱的。
仔細看，731B加電后，在幾分鐘之內電壓下降了0.15ppm左右，以后雖然逐漸慢慢下降，但幅度很小了。
中間一段，故意加入了干擾，系筆記本電腦的充電電路所導致。干擾對731B影響很大，一個是讀數下降了好幾個ppm還是變化的，另一個也使得短期不穩定起來。

總之，這個圖測試了731B的：
開機特性，非常好；
噪音/短穩特性，很不錯，方差0.028ppm（4910的方差更好一些，為0.017ppm）；
受干擾特性，不好，與4910比相差甚遠；
電壓值，9.999975V，即負偏2.5ppm。考慮到此基準多年沒檢定，沒調節，這個偏差相當不錯。

測試環境溫度24.5度，測試過程中幾乎沒變。

732A的測試

732A是Fluke從1983年就開始生產的一款非常成功的基準。
當時競爭者少，LTZ1000還沒有出現，10V固態基準也很少被用做基準。Fluke在732A成功后，也為了表明態度，把自己的基準從飽和電池替換成了732A，當然這樣也便于推銷。
國外用量比較大，我國也進了不少732A，現在很多開始退役，二手市場能夠見到。
內部采用經典的SZA263參考放大器作為核心，恒溫、電阻+運放升壓到10V。恒溫槽比較大，因此后備電源用了4組6V鉛酸電池，只能提供12小時的后備時間。
指標上看，年老化3ppm，90天1.0ppm，30天0.5ppm。
溫度系數<0.05ppm/C，低頻噪音<0.1ppm rms，輸出阻抗<5mOhm。
掉電恢復特性，沒有指標。據說0.3ppm。

先看一篇lgq找到的有關732A老化及預測的文章：http://www.imeko2009.it.pt/Papers/FP_670.pdf

描述的732A很不錯，體現在：
1、老化很小，5598天變化了+2.4ppm，平均每年0.16ppm
2、變化規律性好，線性度好

其實，國內有732A單位很多，每年都做檢定，都可以做出類似的圖來。但好像很少有人利用檢定數據。檢定完成后回去一放，時間長了甚至都找不到了，反正有最后一個標定就好，即便全丟了，等下一年重新檢定就都有了。殊不知，歷史的數據很重要，可以找規律、做預測。

文章中的一張圖：


局部放大解釋

732B的測試

732B是Fluke的主力基準，也是目前使用的最廣泛的一個固態基準，同時也是計量單位購買基準時的首選。
我國不少單位買了732B，用來做轉移標準，替代原來老的732A。
732B是Fluke大約1990年開始生產的，體積小巧，性能指標也算不錯的。
內部采用經典的SZA263或LTFLU-1參考放大器作為核心，恒溫、電阻+運放升壓到10V。后備電源用1節常見的12V7Ah鉛酸電池，可提供72小時的后備時間。
指標上看，年老化2ppm，90天0.8ppm，30天0.3ppm。
溫度系數<0.04ppm/C，低頻噪音<0.06ppm rms，輸出阻抗<1mOhm。
掉電恢復特性，10分鐘以內<0.1ppm，10分鐘以上24小時以內<0.25ppm。


老化測試
測試結果不算很好。4個連號的732B（裝在一個機箱里，叫734A），有兩個超過2ppm/a的指標。

溫度系數測試

噪音測試

掉電恢復測試
掉電測試主要測試內部7V，這才是真正的基準。
測試10V以后在抽空去做，因為那樣包含了2個升壓電阻的特性。

短期掉電特性，主要測試因電沖擊而引起的變化，此時由于掉電時間短，溫度沒有變化或變化很小。
短掉電在這組測試里進行了4次，第一次是非常短的幾秒鐘，恢復的很好。第2次大約20分鐘，恢復的也很好，第3次掉電1小時，恢復的一般，最后一次掉電4小時，有點過恢復。


中期掉電特性，主要是掉電幾小時后，讓內部恒溫槽的溫度冷卻下來，馬上再加電，主要測試溫度恢復特性。
測試期間從前一天晚間到第二天上午，21:47斷電，第二天早晨8:00上電。
溫度時間常數為1小時，10個多小時的時間內部溫度已經降低到室溫附近，重新加電后不到1小時溫度恢復。
立即恢復特性：48.28-48.30=0.02ppm，非常好。
所謂立即恢復特性，就是取掉電剛恢復后的100個測量值平均，減去掉電前100個測量值的平均。


只看局部，就是上電特性。從曲線可以看出，Fluke做的很不錯。一個是溫控比較理想，速度比較快，在一個小時之內穩定，沒有過沖或振蕩。另一個是，電壓曲線與溫度曲線非常同步，沒有滯后或波動。


看的寬一些，就是上電恢復特性。在11個小時的重新上電時間內，沒有發現明顯的波動。當然，由于內部7V直接引出，輸出阻抗大，干擾也大一些。


長期掉電特性，主要測試因放置后的恢復。很多基準因為條件不具備（無人值守，電瓶無電），因此是不通電的，使用時先開機。校準的時候也是沒有電池，校準后就下電，等運回后已經幾天過去了。

先來一個30個小時掉電的，此時恒溫槽完全冷卻。
測試的是10V，加電后仍然不到1小時就恢復，恢復前有過沖。這個過充不是溫度的，也不是內部7V的，而是10V的，也就是說是升壓部分的。


在掉電前測試了電壓值，與加電穩定后的測試數據放在一起比較



結論是：掉電特性良好，差異僅為0.033ppm，而且這還包括了各種測試的不確定性，例如732B本身的變化（即不掉電30小時后也完全可以變動這么多）、4910AV的變化、3458A的轉移不確定度。

回復 1# 醬里個醬


    看的云里霧里的，就當科普下

回復  醬里個醬


    看的云里霧里的，就當科普下
leonzhao 發表于 2011-3-4 10:29

    的確，學習吧！

不錯，值得學習一下。

恩 認真的看了一遍 還是值得肯定的 鼓勵

學習當中。。。

好資料。認真看了一次。

這么老的帖子，我都忘記啥時寫的了。

很好的資料，學習了。

值得學習                              
頂一個

學習了，難得的資料。

很好的資料，學習了

挺不錯的，學習學習！

多謝樓主分享。

挺不錯的，學習學習！