[原創(chuàng)]八位半萬用表不尋常特性極其應用

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。這樣的指標在很多場合下是不夠的，不僅因為心理上的1ppm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行計量工作是無能為力了，也就是說，自己不能校準自己。然而，八位半萬用表具備一些不尋常的指標超高的特性，而且不需要校準，可以在整個生命周期內由設計或由生產廠家保證，這些特性包括：

1、分辨力很高，與準確度比余量很大。
以最末位字數為單位，3位半到4位半萬用表穩(wěn)定度一般為幾個字到十幾個字，例如某萬用表測量19.99V時，準確讀為0.5%為0.1V，為10個字。對于6位半的，一般為幾十個字，例如34401A，10V檔年穩(wěn)定度35ppm，分辨為1ppm，因此為35個字。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個字。

2、線性度非常好
線性度是高位萬用表追求的指標之一，一般其指標遠遠高于其年穩(wěn)定度，比如3458A達到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（盡管每一個刻度絕對準確度不很高）。

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

4、轉移特性非常好，短期穩(wěn)定性比較高。
轉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，Fluke 8508A
基本檔（年）準確度（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（ppm），12.5，30，800，540。
線性度（ppm），n/a，3，0.1，0.1（10V時0.2）。
噪音（ppm），n/a，1，0.01，n/a。
轉移特性（ppm），n/a，7.5，0.1，0.22（10V時0.32）。


二、八位半萬用表不尋常特性的驗證

1、零點的穩(wěn)定性
零點用短路環(huán)測量，實測變動特性不大于0.2μV，對于10V就是0.02ppm。
零點測量時往往有一個固定偏差，一般在0.2μV到0.5μV之間，可以自用校準消除，采用低熱電動勢測試線也可以減少測量的不確定度。這個零點即便不進行消除，也可以在隨后的計算中減去，不影響線性度。

2、線性度
采用高穩(wěn)定度固態(tài)電壓基準Fluke 732B和線性度指標達到0.1ppm的KVD分壓器Fluke 720A，做了多點對比，結果在0.1ppm范圍內相符。
對比時注意，720A的輸出電阻最大為66k，同時與其0.03ppm最大負載誤差上限，要求負載不小于1E12Ω，萬用表的輸入電阻達不到這個要求，因此需要增加一級高輸入阻抗、低失調的緩沖跟隨器。

3、穩(wěn)定性（可重復性）
我們知道，萬用表讀數的不穩(wěn)定性不僅取決于信號源的不穩(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)定性的計算方法，是A和B取平方和，再開方，與合成不確定度的計算方法一樣。因此，只要讀數穩(wěn)定，就證明信號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（對任何信號源測量時）讀數的不穩(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據，就可以計算出阿倫方差。
使用經過徹底預熱的3458A，對高穩(wěn)定度10V基準源（Fluke 732B）和高穩(wěn)定度標準電阻（IET SRX-10k）進行采樣測量，閘門周期2秒，采樣周期4秒，結果是均為0.1ppm之內（有錄像數據）。

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


三、八位半萬用表不尋常特性的應用

1、轉移和傳遞
轉移和傳遞就是對比傳遞兩個很相近的量。計量中常用到10V電壓基準和10kΩ電阻基準的對比，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立的，那么就可以采用直接比對的方法，即負極接到一起，正極用小范圍量程的萬用表來測量，這樣分辨很高，對比準確度也高。但是，有的時候被對比的電壓是不共地的，比如一個多段分壓器，就需要在線分段測量。
電阻的對比。可采用四線法直接測量。與DCC和電橋對比法相比，此方法具有速度快和使用方便的特點。

2、同量程量的精確對比
比如一個10V和一個7V，需要準確知道其比例，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到0.2ppm（兩次轉移不確定度）。

這樣對比的一個實際應用，就是可以大大提高Fluke 732A/732B的穩(wěn)定性。實際上Fluke 732A/B內部是采用7V基準，然后采用兩只電阻分壓/升壓成10V，因此其穩(wěn)定性取決于兩個部分分別穩(wěn)定性。事實上7V內部基準是非常穩(wěn)定的，但分壓電阻就很難穩(wěn)定，比如標價3萬多的Fluke標準電阻742A-10k，其年穩(wěn)定性才4ppm，那么732A/B內部采用的電阻不太可能超過獨立的電阻基準，或者說電阻器件穩(wěn)定到4ppm已經接近極限。因此可以確定，732A/B不穩(wěn)定指標中，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，就知道了這兩個電阻的分壓值的變化，就可以進行自修正，從而大大提高732A/B的穩(wěn)定性指標。

3、溫度系數的測量
高穩(wěn)定、低溫飄的基準和儀器，其溫度系數非常小，甚至有的遠小于1ppm/℃。因此如果進行測量，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、電阻等參數隨時間長期的變化，一般常用90天、半年、1年作為時間測量單位。高穩(wěn)定度的基準和儀器，其穩(wěn)定度一般很高，有的每年變化不了幾個ppm，要在短時間內進行測量，則變化更小，更需要高分辨的測量。另外，要想進行老化測量，必需具備比被測物更穩(wěn)定的基準做對比。因為八位半萬用表本身的穩(wěn)定性并不好，不能以其直接測量的結果為依據，而是利用其線性度好、轉移特性高的特點來測量。如果不具備這樣的基準，那么就很難測量，或者需要非常長的時間累計才能得到結果。

舉個例子，一個10kΩ標準電阻，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，進行老化測量時其測量值變化特別小，因此對讀數的不確定度要求就更高。

再舉個具體的例子，我的一個國產標準電阻BZ3C/8-10k，穩(wěn)定度指標為20ppm/年，出廠檢驗日期為2001年3月。但是，根據生產技術人員介紹，他們不對穩(wěn)定度進行測量，原因是沒有相應的測量手段。因此，這20ppm是指標值。實際上，電阻出廠時有在20℃的準確測量值10000.19Ω，現在再次測量，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。事實上，該電阻生產規(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，也正因為老化小，因此很難在短時間內測量出老化結果。要不是利用了出廠準確值以及出廠后經歷了多年，該電阻的老化結果也不可能知道。


四、結束語
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的高性能，比穩(wěn)定度指標高出很多。另外，這些指標不需要檢定和校準，因為：
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，應修理；
C、檢定項目不包含；
D、不能通過校準程序來改善。

理解了萬用表的這些不尋常的特性指標，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 ]

3458A的內部電壓基準用的是LTZ1000A，保證了基準電壓的恒定不變！基準電壓不僅做的要準，關鍵要穩(wěn)！

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

完全錯誤！
穩(wěn)定當然是第一位的，但你真的知道“約瑟夫申效應”是什么嗎？
我給你貼個3458A內部基準板你看看。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-10-27 09:21 編輯 ]

3458A內部基準用的是Linear公司的超級穩(wěn)壓基準LTZ1000ACH，下面是我自己做的標準板。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-5-30 11:43 編輯 ]

上面“板圖”的那張上錯了，重來。

好勵害.您對3458A的了解.不只是操作.連內部都如此的清楚

佩服佩服！您的水平真高啊

感謝樓上幾位鼓勵。

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

老大是不是做萬用表的啊,怎么知道這么詳細啊:P

我做過萬用表，模擬的和數字的，但不是做萬用表的。:P
了解萬用表的目的，一個是用，再一個就是試圖改進。
8位半萬用表也不是不能改進了，可改指標之一，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。

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

老大可不可以帶大家做這樣的基準板子啊，象電子論壇帶大家做USB口一樣，呵呵。大家都有個提高~

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

3458出廠時時可以選擇010選件的（編號記不太清楚了），其指標正如您所說的4ppm

是的，選件002，就是一個新的基準板。但需要多加大約$1500。前一段時間eBay有賣半價的基準板，只要$795，我一點也沒動心。原因是即便4ppm/年也不太好，況且我改動后肯定要比這個還好。

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板子啊，象電子論壇帶大家做USB口一樣，呵呵。大家都有個提高~

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

補充一點，我與一個老外交流過，他在某標準實驗室干了近30年后退下來，他說普通3458A的基準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.

老大可以把電路的詳細原理圖公布出來么。以及元氣件的清單，你的PCB是特別定做的？

可以。等我另開一個帖子吧。
電路原理基本上就是LTZ1000A的標準電路，我做了一點改動。
元件參數與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。

LTZ1000的PCB文件已經發(fā)去。
原理圖我還真沒有，基本上就是LTZ1000數據表的圖（稍做改動，原圖有一小錯）。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，都是0729嗎？

原帖由 autopccopy 于 2008-5-5 09:08 發(fā)表
文件收到，非常感謝！：）

有幾個是07的，另外的是94，00，06，04年的都有！：）
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），其中的紅圈部分應該斷開。

LTZ1000數據表里面的電路圖右下兩個地沒接到一起。
另外，電源我用10V就足夠，因為加熱溫升不大，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轉換電路，因此要提高到12V。

我們也是用的3458A,呵呵！謝謝了！對3458A又多了一點兒了解！

對8位半的表非常心動啊！目標就是3458A了，主要是校準方便些，努力工作掙錢！