解剖分析Fluke固態電壓基準732B

一、前言
固態電壓基準與傳統的飽和電池比，具有堅固易搬運、溫度系數低、電壓高且標準等特點，盡管目前國家電壓標準為約瑟夫森陣列，但由于投資大、使用不便，固態基準仍然是計量部門電壓傳遞、檢定的主力。

固態電壓基準的早期階段，有很多廠家與品牌，比如Datron的4910/4912，valhalla的，Fluke的732A。不過到了目前，這些品牌消失的消失，合并的合并，目前只剩下Fluke一家了。
當Wavetek把Datron買下后，并沒有延用其4912系列，而是開發了基于LTZ1000的7000系列；Fluke收購Wavetek后，沿用了7000系列，但同時仍然主推自己的732B/734A。

所有這些廠家的固態基準，輸出均為10V，但其心臟都是一個6.5V-7.2V之間的深埋型穩壓管，然后通過某種辦法把電壓升到10V。

固態基準最重要的指標，就是年穩定性，以ppm/a來表示（每年變化百萬分只幾）。

二、Datron的固態基準
Datron是英國老牌公司，擅長生產高準確度計量儀器，其4910系列固態基準和1281八位半萬用表為其代表作。
Datron的老基準4910系列采用了4組電氣獨立但機械不獨立的單元，內部采用LTZ1000做為核心元件，穩定度達到1ppm/a。另外一個達到或超過這個1ppm/a的是7000系統。
內部從7V升到10v是采用PWM（脈寬調制）升壓法，盡管可能存在濾波和噪音問題，但這種方法的升壓比例很有保證，而且不會隨時間而變。其實，Fluke早期在其5440A/B電壓校準器上也采用了PWM技術。
Datron被Wavetek收購后，僅僅是加了一個名字而已。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-5-20 23:51 編輯 ]

三、Wavetek的固態基準
Wavetek的7000系列，做到了機械和電器獨立，單個指標為1.8ppm/a，10個指標達到0.8ppm/a。
具備內部軟件系統和掃描器，功能非常強大，
內部采用統計電阻法來完成7V到10V的轉換，這個轉換步驟可以達到0.02ppm/℃以下的溫度系數以及0.2ppm/a以下的漂移。
另外，Fluke所謂“消磁”訓練技術（以在開關機冷啟動時維持電壓不變）都是從Wavetek買來的。見最后Wavetek的文章。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-6-7 14:14 編輯 ]

四、Fluke的固態基準
Fluke最早的固態基準，是體積很大的732A（1983年開始），采用Motorola的參考基準SZA 263，升壓部分用的是兩只分壓電阻。制造初期指標為6ppm/a，后來提高到3ppm/a. 這個基準當時由于生產時間較早，沒有什么競爭的,因此賣出很多。現在陸續被淘汰，因此二手市場上能見到，包括國內的二手。
電路上，U2是基準，R7（6.2k）、R8（11.42k）是分壓電阻，U1是運放。關鍵電路采用恒溫槽。

[ 本帖最后由 lymex 于 2009-2-27 09:41 編輯 ]

后來大約是1990年，Fluke對732A進行了改進，生產了732B。最顯著的變化就是體積。
關鍵電路采用了貼片，顯著縮小了體積與功耗，電池從原來的24V大體積12小時時間變成單個通用（12V 7Ah那種）且能連續使用72小時。
另外，可以把4個732A放到一個殼子里形成734A（但僅僅是放到一起而已）。

解剖開始

FLUKE　732B使用了參考放大器，參考放大器是732B穩定的10V輸出的參考電壓。該10V的穩定度決定于參考放大器的穩定度和決定放大器增益（從而決定輸出電壓）的線繞電阻器R1，R2的比例穩定度。這個電路提供了低阻抗的通路，可以給出很大的的輸出電流而不會給參考電壓引入誤差。由于設計周到，732B的反饋穩定的10V輸出電壓的穩定度幾乎達到了參考放大器參考電壓的穩定度。

繼續解剖。。。。。。。。。。。。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-5-20 23:49 編輯 ]

電路與分析。
732A還提供電路圖，但732B的關鍵部分就沒有詳細的電路圖了，只有這個內部電路框圖。
U4就是穩壓管，R401（6.2k固定）和R402（標稱14.1k）就是分壓電阻，其10V輸出的公式是：

V = Vref * (1 + R401/R402)

經過簡單的計算可知，假設Vref變動了1ppm，最整體的變動也是1ppm；而R401或者R402任何一個變化了1ppm，對整體的影響是0.3ppm。
那么，這兩個分壓電阻到底能有多穩定呢？
從我的“有關金屬殼密封線繞電阻 ”一文（http://www.bkd208.com/viewthread.php?tid=7587）可以看出，這樣的電阻大部分具有8ppm/a的穩定性。Fluke自己最好的電阻基準742A-10k，售價3萬多，也只能保證4ppm/a。這里的電阻因此可以設想，也就是5ppm/a的水平，對最后的輸出的分量就是1.7ppm/a。因此可以看到，732B的最大的不穩定因素就是分壓電阻。電阻分壓是個傳統的方法、老方法、簡單的方法，Fluke能成功的利用在世界銷量最大的固態基準上也不容易，但是，的確是落后了。

五、沒有結束的結束語
未來固態基準要如何發展？恐怕很難了，因為Fluke老大已經壟斷了，別人進不來了。
Fluke自己能生產第3代固態基準嗎？恐怕有也難，因為7000系列有很多優勢，也賣的不好。
那么要求更高的場合下將如何辦？有瑟夫森陣列呢。現在兩極分化很厲害，高的非常高，低的計量部門5700就夠了。
看來要想得到更好的基準，只有靠自己了。DIY基準的部分將在時機成熟的時候另開貼描述。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-6-7 15:44 編輯 ]

更正一下#4的貼，Fluke 在732A里面用的不是自己的穩壓基準，而是Motorola的。這個基準就是Fluke稱呼的RefAmp（參考放大器）。

事實上，通過解剖了解到，732A用的是Motorola的SZA 263，這與Fluke 5440B里面的完全一樣。Fluke在早期732B上也是用的Motorola的（型號沒有看清，估計也應該是SZA 263），但到了后期，采用了Linear公司的LTFLU-1，這與Fluke 5720A里面也是一樣的（僅后綴有差別）。

因此，Fluke應該沒有自己的“參考放大器”。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-8-27 11:52 編輯 ]

LTFLU-1和SZA 263的性能與LTZ1000ACH孰優孰劣呢？
您有關于它們的資料嗎？

好東西，長了知識了
謝謝！！

原帖由 weblyang 于 2007-9-7 11:20 發表
LTFLU-1和SZA 263的性能與LTZ1000ACH孰優孰劣呢？
您有關于它們的資料嗎？

LTZ1000ACH的資料在網上非常多（搜一下LTZ1000ACH pdf），是內部（可調）恒溫的，老化特性是1ppm每年（1σ）。
SZA 263和LTFLU-1從功能上是完全一樣的，從Fluke的設備采用情況看，LTFLU-1是后期產品，指標應該比SZA 263更高一些。但是，這兩個RefAmp（參考放大器）估計是產量非常少，甚至僅僅是定制的，因此找不到任何資料。
LTZ1000ACH，直接輸出的是7V，電路相對簡單，但以后若要得到標準的10V還要升壓，而且割據手段不同也將在很大程度上影響最終10V。升10V可以用普通分壓、統計電阻和PWM三種方法，7001用的是統計電阻（效果很不錯），4910用的是PWM（效果最好但也最復雜）。
RefAmp外電路比較復雜因為要涉及恒溫，不太好搞。而且這電路必須在內部一次完成升壓，輸出直接就是10V的，因此那對分壓電阻就成了關鍵。從我對5個Fluke 732B的測試情況看，這個分壓/升壓的效果很難說，好的可以滿足指標（2ppm/年），差的就比較差（超過10ppm/年），這主要是分壓電阻老化嚴重所導致。而Fluke對于高穩定的電阻也根本沒什么好辦法，他們賣到3萬多的標準電阻，指標也就4ppm/年。

我前幾天得到一個Fluke早期的校準儀5100B的基準板，里面也用的是SZA 263。我馬上要到貨一個Datron 4910，被認為是有史以來最穩定的固態電壓基準（之一），內部基準到底是什么將很快揭曉。

Datron 4910固態電壓基準，內部用的是LTZ1000CH。與LTZ1000ACH比，內部沒有加絕熱，這樣靈活性增大，適合更專業的場合。
這個基準板，和Datron/Wavetek 1281內部基準，和Fluke 8508A內基準板是一樣的。因此，目前主流八位半萬用表內部都是采用的LTZ1000做基準。

經典好貼！昨晚拆開8840a看到里面的基準也是ltflu-1ach。

文中所說的參考放大器實際是指穩壓管。直接應用是不能得到高指標的。需要篩選。最好的用于732B，其次用于5720、5730....   內部的分壓電阻不能直接使用，要挑選配對，還要控溫。有對基準電壓感興趣的可以咨詢中國計量院張秀增主任，他對穩壓管的研究是目前世界一流水平，而且還有實際的應用技術。

固態基準指標，穩定性

是一份好資料

lymex 發表于 2007-9-7 14:25
LTZ1000ACH的資料在網上非常多（搜一下LTZ1000ACH pdf），是內部（可調）恒溫的，老化特性是1ppm每年（1σ ...

LTFLU-1應該是Fluke從linear買的，非常便宜，Fluke對它進行了老化篩選，最高的用于732B，其次用于8508（和732B的差別非常小），一些5位半表也用它，足見該器件有多便宜，Fluke能從這種器件中篩選出最高標準的電壓基準，確實牛逼，順便說一句，LTZ1000和732B上用的LTFLU-1比，差不少，也就是說Fluke的篩選方法linear可能也不掌握。

很好，很專業。

牛人，就是牛啊。

河東居士 發表于 2015-1-1 00:17
LTFLU-1應該是Fluke從linear買的，非常便宜，Fluke對它進行了老化篩選，最高的用于732B，其次用于8508（ ...

8508A的基準開始沿用1281的設計，即采用LTZ1000，即便從2008年以后Fluke更改了設計，改成用LTZ1000A，但仍然不是LTFLU-1。
LT是器件生產廠家，不會對基準的老化和篩選有什么研究，但Fluke當然不同。
LTFLU-1和LTZ1000都是LT生產的，而且其核心穩壓管部分出自一人之手，是完全相同的設計。
參考這里：
http://www.eevblog.com/forum/pro ... erence-ltz1000/630/

譯文，來自：http://bbs.38hot.net/thread-105042-2-1.html
刪去了一些與38hot無關的或者壇友們不關心的東西,只保留了有用信息.翻譯如下,請大家斧正.

筒子們大家好,
我剛和Bob通完電話,他時間比較緊,所以我沒法問完我們的全部問題.我得到答案的問題有以下幾個:
1>[供大家參考]LTZ1000數據表里面的那個電路及LTZ的其他應用筆記都是Bob寫的,不是Williams.
2>LTZ1000的穩壓調整與其說是控制電壓還不如說是控制功率.如果你很好的控制功率的話,那么電壓穩定性自然而然也就達到了.
3>LTZ1000A和LTZ1000的晶片與封裝的連接方式不同,但是他們都和外部的管腳應力很好的隔離開來.管腳機械應力對兩個器件都有影響,但是A版本所受的影響要小得多.這種影響主要表現為隨大氣壓變化而引起的輸出電壓漂移.
4>已經過去了20年,所以他不記得具體的數字了,但是Q1的額定集電極電流只有幾百微安.Q2的額定集電極電流有一個毫安左右,齊納的額定電流還能再多點.
5>他們(本)可以為這個器件制作一個LTspice模型,但是溫度變化的影響極難模擬,而且這個產品的市場太小,不足以支撐這個模型的研發.他說最好的辦法是把這個電路做出來然后實驗決定它的性能.
6>我告訴他我想要一個電壓傳遞基準,他說更好的方法是用至少6個LM399并連起來.他說加速老化的方法就是把這些LM399放在一個125度的烘箱里面工作2周,這相當于1000小時的正常工作時間.(在這個過程中)任何漂移較大的LM399都可以篩掉. LM399比LTZ對PCB機械應力要敏感的多,所以LM399在安裝時應該離開PCB的表面一些距離. LM399的長期穩定性直接取決于用在加熱器上的能量多少--這可以使用熱絕緣得到最小化--熱絕緣越好,那么耗費在加熱上的能量就越少,長穩就越好. LM399被關閉時不老化,而且也沒有回滯,所以在不用這個基準的時候應該把它關掉,在你使用或者校準的時候再提前幾個鐘頭開啟.這是保證長期漂移最小化的辦法.
7>需要注意的是,對于LM399的設計,在PCB上面開槽和加熱絕緣材料是有用的.加熱器的功率越小,那么輸出電壓就越穩定.所以,在這種狀況下,開槽和熱絕緣是對電壓穩定性是有幫助的.哦,他還提到LM399的齊納電流在1mA是穩定性最好的. 齊納電流的穩定性越好,輸出電壓的穩定性越高.他說齊納電流每變化1uA,輸出電壓就變化1uV.
8>對于所有的基準而言,他們在高溫的老化速度確實較快.所以,因為LTZ1000能比LTZ1000A的工作溫度低10度,所以長期漂移在其他外部條件相同的狀況下會小一半.但是,A版本有其他的優點,比如大氣壓對它的影響較小等.
9>對于LM399和LTZ,他說一個較好的加速老化措施是使他們在一個125度的烘箱中工作2周.然后,你可以在正常工作溫度下反復開關10-15次電源,這樣的話應該會讓他們穩定下來.這個過程應該能除去絕大部分的初始漂移.
10>如果很好地絕緣的話,LM339的溫飄在0.1ppm/度到0.2ppm/度之間--數據表是非常保守的.注意那些數字表的制造商并沒有增加額外的熱絕緣措施,當然在上下加上這些材料會更好.
11>他們在準備發布更多的LS8(8腳陶瓷封裝)的器件,他們應該今年年底能出來.有一些器件LS8裝不下,所以他們會用一個更大的LCC封裝,他說1021系列在準備發布的LS8封裝的器件之列.
12>LCC封裝的引出仍然使用了可伐合金,因此熱電勢的問題仍然存在.這些器件在安裝到板上之后應該隔絕空氣流動(就像TO封裝的一樣).
13>LTZ并不需要像LM399一樣在安裝時離開PCB板一定距離,因為在這個封裝內部有獨一無二的抗應力設計.
14>他們不會為LTZ做一個參考設計--這是一個不值得花時間去開發的小眾產品.
15>TO封裝的內部是干空氣(甚至不是氮氣).因此可能會導致一些性能退化,但是目前為止還沒有任何器件因此退化.
16>LTZ1000比LTZ1000A的功率大得多,所以對于電池供電的設計來說,最好是用LTZ1000A,并且對它進行熱絕緣以節省能源.
17>想要在LTZ上得到0溫度系數是很可能無法實現的.你需要讓Q1工作在1uA,這是不現實的.
18>他說不必要用LTC2057,因為齊納管的噪聲和漂移貢獻比LT1013大得多.Bob說你幾乎可以用任何運放,而且漂移不會因為使用了精度差的運放而受很大影響.(但是我仍然要用LTC2057,因為他們像爆米花一樣便宜,而且噪聲很低.在后級電路中我的確需要一個零飄的放大器,因此保持BOM上的元件數量盡量少是更經濟的).
19>LTFLU-1和LTZ1000內部的齊納管是完全相同的.他說即便和Fluke的銷售合同之中的排他性部分已經失效了,他們也不會公開銷售這個器件,因為他們不想惹毛那個從他們這里每年購買數百萬美元的其他器件的客戶(暗指Fluke).即便他們真的要賣這個LTFLU-1,這個器件也沒有表征數據,而且也沒有數據表--僅僅做這些東西就要花很多時間. 總而言之是不會賣的.

祝好,
Ken

老大原來在這邊都要帖子啊，學習了