電壓基準(zhǔn)的評(píng)測(cè)

作者：lymex

測(cè)試的內(nèi)容及測(cè)試方法
1、老化，或時(shí)間變化
由于基準(zhǔn)老化小，因此要能看出變化，尤其是定性分析、找出規(guī)律，需要長(zhǎng)期測(cè)試。
測(cè)試7V可以采用轉(zhuǎn)移對(duì)比測(cè)試，用2×2開(kāi)關(guān)，交替測(cè)試4910AV主基準(zhǔn)和被測(cè)基準(zhǔn)，采樣幾小時(shí)，為一組。
每間隔一段時(shí)間，比如幾天、幾周，甚至幾個(gè)月，重復(fù)上述測(cè)試。把所有這些測(cè)試進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，就可以看出電壓的變化趨勢(shì)，得到電壓-時(shí)間曲線。

2、溫度系數(shù)
由于基準(zhǔn)體積大，業(yè)余條件下不適合恒溫測(cè)試，因此參照采用變溫法。
基準(zhǔn)帶電池放入冰箱冷藏12小時(shí)，取出后適當(dāng)保溫，接線測(cè)試電壓值，同時(shí)溫度自然逐漸升高。大約12小時(shí)后接近室溫，再加溫處理，繼續(xù)測(cè)試12小時(shí)。這樣測(cè)試得到24小時(shí)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(cè)試，然后計(jì)算方差。此法簡(jiǎn)單，由于基準(zhǔn)的噪音一般比3458A來(lái)得更低，因此此法可以判斷基準(zhǔn)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(zhǔn)做背靠背的基礎(chǔ)，用3458A的0.1V檔（噪音非常小），進(jìn)行插值測(cè)試。
噪音非常小的基準(zhǔn)，可以采用10個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池串聯(lián)，或者用干電池，或者用4910AV，或者用多個(gè)10V基準(zhǔn)并聯(lián)。
作為插值基準(zhǔn)，只要短穩(wěn)好就行，慢速變化的信號(hào)，計(jì)算噪音可以采用阿倫方差方式。

4、掉電恢復(fù)特性
掉電恢復(fù)特性分短期、中期和長(zhǎng)期三類，采用插值持續(xù)監(jiān)測(cè)，配以內(nèi)部溫度測(cè)試。
測(cè)試內(nèi)容，就是電壓，看變化。
測(cè)試接法可以有三種：
---直接高位表測(cè)試，適合短期恢復(fù)
---與另外一個(gè)基準(zhǔn)用2×2開(kāi)關(guān)交替測(cè)試對(duì)比
---與另外一個(gè)基準(zhǔn)背靠背測(cè)試

測(cè)試前先接好線，基準(zhǔn)充分預(yù)熱后，進(jìn)行掉電前的測(cè)試。采集要自動(dòng)進(jìn)行。
然后掉電，等一定時(shí)間后再加電，看過(guò)程。
因此，掉電恢復(fù)過(guò)程，比開(kāi)機(jī)過(guò)程多了一個(gè)環(huán)節(jié)而已。


5、負(fù)載特性
微小負(fù)載，1uA（10M電阻）
中級(jí)負(fù)載，0.1mA（100k電阻，常見(jiàn)于KVD）
重負(fù)載，1mA（10k電阻）和10mA（1k電阻）
電容負(fù)載，0.1uF和10uF


綜合結(jié)果

731B的測(cè)試
Fluke在1974年就已經(jīng)開(kāi)始生產(chǎn)731B, 這可以認(rèn)為是Fluke第一款固態(tài)基準(zhǔn)了，盡管前面有730732A，但產(chǎn)量少無(wú)說(shuō)明。
體積不大，非恒溫設(shè)計(jì)，采用12節(jié)鎳鎘電池串聯(lián)成14.4V做后備，至少可用30小時(shí)。
指標(biāo)很一般，年老化30ppm，月老化15ppm，盡管有一說(shuō)后來(lái)改為一半，但沒(méi)見(jiàn)到文件。
溫度系數(shù)<1ppm/C，低頻噪音<1ppmVpp,相當(dāng)于0.16ppm rms，輸出阻抗<5mOhm。
掉電恢復(fù)特性，沒(méi)有指標(biāo)。非恒溫的一般很小

耗電很小，實(shí)際測(cè)試交流變壓器勵(lì)磁電流只有大約2.2mA，三重屏蔽，發(fā)熱極微。
變壓器次級(jí)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(cè)耗電大約8mA，因此若電池是300mAh的，可以用37小時(shí)。
電源的充電部分是很簡(jiǎn)單的二極管+電阻，防反+限流，沒(méi)有恒壓。看來(lái)是鎳鎘電池比較耐浮充。
電路看來(lái)是設(shè)計(jì)成帶電池運(yùn)行的，我的幾個(gè)731B電池都沒(méi)有了，造成輸出電壓紋波太大，因此把充電二極管開(kāi)路。
另外，電池+運(yùn)行表頭也需要電池，并了一個(gè)電阻才指示正確。

某731B的測(cè)試：
這個(gè)測(cè)試，用了3458A通過(guò)2×2開(kāi)關(guān)，交替測(cè)試4910AV和被測(cè)的731B。
深色曲線4910AV，系直接用加電不久的3458A測(cè)試，所以能看出逐漸的變化，屬于3458A的變動(dòng)。
粉色的731B曲線，已經(jīng)用4910AV進(jìn)行了改正，為真值，公式是：顯示值=測(cè)量值+改正值。改正值為對(duì)應(yīng)的10V-4910測(cè)試值。
最開(kāi)始的時(shí)候，731B剛加電，第一個(gè)讀數(shù)就在最終值的0.2ppm之內(nèi)，因此可以看到，非恒溫的731B幾乎是不需要預(yù)熱的。
仔細(xì)看，731B加電后，在幾分鐘之內(nèi)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(dǎo)致。干擾對(duì)731B影響很大，一個(gè)是讀數(shù)下降了好幾個(gè)ppm還是變化的，另一個(gè)也使得短期不穩(wěn)定起來(lái)。

總之，這個(gè)圖測(cè)試了731B的：
開(kāi)機(jī)特性，非常好；
噪音/短穩(wěn)特性，很不錯(cuò)，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(yuǎn)；
電壓值，9.999975V，即負(fù)偏2.5ppm。考慮到此基準(zhǔn)多年沒(méi)檢定，沒(méi)調(diào)節(jié)，這個(gè)偏差相當(dāng)不錯(cuò)。

測(cè)試環(huán)境溫度24.5度，測(cè)試過(guò)程中幾乎沒(méi)變。

732A的測(cè)試

732A是Fluke從1983年就開(kāi)始生產(chǎn)的一款非常成功的基準(zhǔn)。
當(dāng)時(shí)競(jìng)爭(zhēng)者少，LTZ1000還沒(méi)有出現(xiàn)，10V固態(tài)基準(zhǔn)也很少被用做基準(zhǔn)。Fluke在732A成功后，也為了表明態(tài)度，把自己的基準(zhǔn)從飽和電池替換成了732A，當(dāng)然這樣也便于推銷(xiāo)。
國(guó)外用量比較大，我國(guó)也進(jìn)了不少732A，現(xiàn)在很多開(kāi)始退役，二手市場(chǎng)能夠見(jiàn)到。
內(nèi)部采用經(jīng)典的SZA263參考放大器作為核心，恒溫、電阻+運(yùn)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(shí)的后備時(shí)間。
指標(biāo)上看，年老化3ppm，90天1.0ppm，30天0.5ppm。
溫度系數(shù)<0.05ppm/C，低頻噪音<0.1ppm rms，輸出阻抗<5mOhm。
掉電恢復(fù)特性，沒(méi)有指標(biāo)。據(jù)說(shuō)0.3ppm。

先看一篇lgq找到的有關(guān)732A老化及預(yù)測(cè)的文章：http://www.imeko2009.it.pt/Papers/FP_670.pdf

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

其實(shí)，國(guó)內(nèi)有732A單位很多，每年都做檢定，都可以做出類似的圖來(lái)。但好像很少有人利用檢定數(shù)據(jù)。檢定完成后回去一放，時(shí)間長(zhǎng)了甚至都找不到了，反正有最后一個(gè)標(biāo)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(shù)據(jù)很重要，可以找規(guī)律、做預(yù)測(cè)。

文章中的一張圖：


局部放大解釋

732B的測(cè)試

732B是Fluke的主力基準(zhǔn)，也是目前使用的最廣泛的一個(gè)固態(tài)基準(zhǔn)，同時(shí)也是計(jì)量單位購(gòu)買(mǎi)基準(zhǔn)時(shí)的首選。
我國(guó)不少單位買(mǎi)了732B，用來(lái)做轉(zhuǎn)移標(biāo)準(zhǔn)，替代原來(lái)老的732A。
732B是Fluke大約1990年開(kāi)始生產(chǎn)的，體積小巧，性能指標(biāo)也算不錯(cuò)的。
內(nèi)部采用經(jīng)典的SZA263或LTFLU-1參考放大器作為核心，恒溫、電阻+運(yùn)放升壓到10V。后備電源用1節(jié)常見(jiàn)的12V7Ah鉛酸電池，可提供72小時(shí)的后備時(shí)間。
指標(biāo)上看，年老化2ppm，90天0.8ppm，30天0.3ppm。
溫度系數(shù)<0.04ppm/C，低頻噪音<0.06ppm rms，輸出阻抗<1mOhm。
掉電恢復(fù)特性，10分鐘以內(nèi)<0.1ppm，10分鐘以上24小時(shí)以內(nèi)<0.25ppm。


老化測(cè)試
測(cè)試結(jié)果不算很好。4個(gè)連號(hào)的732B（裝在一個(gè)機(jī)箱里，叫734A），有兩個(gè)超過(guò)2ppm/a的指標(biāo)。

溫度系數(shù)測(cè)試

噪音測(cè)試

掉電恢復(fù)測(cè)試
掉電測(cè)試主要測(cè)試內(nèi)部7V，這才是真正的基準(zhǔn)。
測(cè)試10V以后在抽空去做，因?yàn)槟菢影?個(gè)升壓電阻的特性。

短期掉電特性，主要測(cè)試因電沖擊而引起的變化，此時(shí)由于掉電時(shí)間短，溫度沒(méi)有變化或變化很小。
短掉電在這組測(cè)試?yán)镞M(jìn)行了4次，第一次是非常短的幾秒鐘，恢復(fù)的很好。第2次大約20分鐘，恢復(fù)的也很好，第3次掉電1小時(shí)，恢復(fù)的一般，最后一次掉電4小時(shí)，有點(diǎn)過(guò)恢復(fù)。


中期掉電特性，主要是掉電幾小時(shí)后，讓內(nèi)部恒溫槽的溫度冷卻下來(lái)，馬上再加電，主要測(cè)試溫度恢復(fù)特性。
測(cè)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(shí)間常數(shù)為1小時(shí)，10個(gè)多小時(shí)的時(shí)間內(nèi)部溫度已經(jīng)降低到室溫附近，重新加電后不到1小時(shí)溫度恢復(fù)。
立即恢復(fù)特性：48.28-48.30=0.02ppm，非常好。
所謂立即恢復(fù)特性，就是取掉電剛恢復(fù)后的100個(gè)測(cè)量值平均，減去掉電前100個(gè)測(cè)量值的平均。


只看局部，就是上電特性。從曲線可以看出，F(xiàn)luke做的很不錯(cuò)。一個(gè)是溫控比較理想，速度比較快，在一個(gè)小時(shí)之內(nèi)穩(wěn)定，沒(méi)有過(guò)沖或振蕩。另一個(gè)是，電壓曲線與溫度曲線非常同步，沒(méi)有滯后或波動(dòng)。


看的寬一些，就是上電恢復(fù)特性。在11個(gè)小時(shí)的重新上電時(shí)間內(nèi)，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的波動(dòng)。當(dāng)然，由于內(nèi)部7V直接引出，輸出阻抗大，干擾也大一些。


長(zhǎng)期掉電特性，主要測(cè)試因放置后的恢復(fù)。很多基準(zhǔn)因?yàn)闂l件不具備（無(wú)人值守，電瓶無(wú)電），因此是不通電的，使用時(shí)先開(kāi)機(jī)。校準(zhǔn)的時(shí)候也是沒(méi)有電池，校準(zhǔn)后就下電，等運(yùn)回后已經(jīng)幾天過(guò)去了。

先來(lái)一個(gè)30個(gè)小時(shí)掉電的，此時(shí)恒溫槽完全冷卻。
測(cè)試的是10V，加電后仍然不到1小時(shí)就恢復(fù)，恢復(fù)前有過(guò)沖。這個(gè)過(guò)充不是溫度的，也不是內(nèi)部7V的，而是10V的，也就是說(shuō)是升壓部分的。


在掉電前測(cè)試了電壓值，與加電穩(wěn)定后的測(cè)試數(shù)據(jù)放在一起比較



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

回復(fù) 1# 醬里個(gè)醬


    看的云里霧里的，就當(dāng)科普下

回復(fù)  醬里個(gè)醬


    看的云里霧里的，就當(dāng)科普下
leonzhao 發(fā)表于 2011-3-4 10:29

    的確，學(xué)習(xí)吧！

不錯(cuò)，值得學(xué)習(xí)一下。

恩 認(rèn)真的看了一遍 還是值得肯定的 鼓勵(lì)

學(xué)習(xí)當(dāng)中。。。

好資料。認(rèn)真看了一次。

這么老的帖子，我都忘記啥時(shí)寫(xiě)的了。

很好的資料，學(xué)習(xí)了。

值得學(xué)習(xí)                              
頂一個(gè)

學(xué)習(xí)了，難得的資料。

很好的資料，學(xué)習(xí)了

挺不錯(cuò)的，學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)！

多謝樓主分享。