解剖分析Fluke固態(tài)電壓基準(zhǔn)732B

一、前言
固態(tài)電壓基準(zhǔn)與傳統(tǒng)的飽和電池比，具有堅(jiān)固易搬運(yùn)、溫度系數(shù)低、電壓高且標(biāo)準(zhǔn)等特點(diǎn)，盡管目前國家電壓標(biāo)準(zhǔn)為約瑟夫森陣列，但由于投資大、使用不便，固態(tài)基準(zhǔn)仍然是計(jì)量部門電壓傳遞、檢定的主力。

固態(tài)電壓基準(zhǔn)的早期階段，有很多廠家與品牌，比如Datron的4910/4912，valhalla的，F(xiàn)luke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(dāng)Wavetek把Datron買下后，并沒有延用其4912系列，而是開發(fā)了基于LTZ1000的7000系列；Fluke收購Wavetek后，沿用了7000系列，但同時(shí)仍然主推自己的732B/734A。

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

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

二、Datron的固態(tài)基準(zhǔn)
Datron是英國老牌公司，擅長生產(chǎn)高準(zhǔn)確度計(jì)量儀器，其4910系列固態(tài)基準(zhǔn)和1281八位半萬用表為其代表作。
Datron的老基準(zhǔn)4910系列采用了4組電氣獨(dú)立但機(jī)械不獨(dú)立的單元，內(nèi)部采用LTZ1000做為核心元件，穩(wěn)定度達(dá)到1ppm/a。另外一個(gè)達(dá)到或超過這個(gè)1ppm/a的是7000系統(tǒng)。
內(nèi)部從7V升到10v是采用PWM（脈寬調(diào)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(huì)隨時(shí)間而變。其實(shí)，F(xiàn)luke早期在其5440A/B電壓校準(zhǔn)器上也采用了PWM技術(shù)。
Datron被Wavetek收購后，僅僅是加了一個(gè)名字而已。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-5-20 23:51 編輯 ]

三、Wavetek的固態(tài)基準(zhǔn)
Wavetek的7000系列，做到了機(jī)械和電器獨(dú)立，單個(gè)指標(biāo)為1.8ppm/a，10個(gè)指標(biāo)達(dá)到0.8ppm/a。
具備內(nèi)部軟件系統(tǒng)和掃描器，功能非常強(qiáng)大，
內(nèi)部采用統(tǒng)計(jì)電阻法來完成7V到10V的轉(zhuǎn)換，這個(gè)轉(zhuǎn)換步驟可以達(dá)到0.02ppm/℃以下的溫度系數(shù)以及0.2ppm/a以下的漂移。
另外，F(xiàn)luke所謂“消磁”訓(xùn)練技術(shù)（以在開關(guān)機(jī)冷啟動(dòng)時(shí)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(tài)基準(zhǔn)
Fluke最早的固態(tài)基準(zhǔn)，是體積很大的732A（1983年開始），采用Motorola的參考基準(zhǔn)SZA 263，升壓部分用的是兩只分壓電阻。制造初期指標(biāo)為6ppm/a，后來提高到3ppm/a. 這個(gè)基準(zhǔn)當(dāng)時(shí)由于生產(chǎn)時(shí)間較早，沒有什么競(jìng)爭的,因此賣出很多。現(xiàn)在陸續(xù)被淘汰，因此二手市場(chǎng)上能見到，包括國內(nèi)的二手。
電路上，U2是基準(zhǔn)，R7（6.2k）、R8（11.42k）是分壓電阻，U1是運(yùn)放。關(guān)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，F(xiàn)luke對(duì)732A進(jìn)行了改進(jìn)，生產(chǎn)了732B。最顯著的變化就是體積。
關(guān)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(shí)時(shí)間變成單個(gè)通用（12V 7Ah那種）且能連續(xù)使用72小時(shí)。
另外，可以把4個(gè)732A放到一個(gè)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(wěn)定的10V輸出的參考電壓。該10V的穩(wěn)定度決定于參考放大器的穩(wěn)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(wěn)定度。這個(gè)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(huì)給參考電壓引入誤差。由于設(shè)計(jì)周到，732B的反饋穩(wěn)定的10V輸出電壓的穩(wěn)定度幾乎達(dá)到了參考放大器參考電壓的穩(wěn)定度。

繼續(xù)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(guān)鍵部分就沒有詳細(xì)的電路圖了，只有這個(gè)內(nèi)部電路框圖。
U4就是穩(wěn)壓管，R401（6.2k固定）和R402（標(biāo)稱14.1k）就是分壓電阻，其10V輸出的公式是：

V = Vref * (1 + R401/R402)

經(jīng)過簡單的計(jì)算可知，假設(shè)Vref變動(dòng)了1ppm，最整體的變動(dòng)也是1ppm；而R401或者R402任何一個(gè)變化了1ppm，對(duì)整體的影響是0.3ppm。
那么，這兩個(gè)分壓電阻到底能有多穩(wěn)定呢？
從我的“有關(guān)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(wěn)定性。Fluke自己最好的電阻基準(zhǔn)742A-10k，售價(jià)3萬多，也只能保證4ppm/a。這里的電阻因此可以設(shè)想，也就是5ppm/a的水平，對(duì)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(wěn)定因素就是分壓電阻。電阻分壓是個(gè)傳統(tǒng)的方法、老方法、簡單的方法，F(xiàn)luke能成功的利用在世界銷量最大的固態(tài)基準(zhǔn)上也不容易，但是，的確是落后了。

五、沒有結(jié)束的結(jié)束語
未來固態(tài)基準(zhǔn)要如何發(fā)展？恐怕很難了，因?yàn)镕luke老大已經(jīng)壟斷了，別人進(jìn)不來了。
Fluke自己能生產(chǎn)第3代固態(tài)基準(zhǔn)嗎？恐怕有也難，因?yàn)?000系列有很多優(yōu)勢(shì)，也賣的不好。
那么要求更高的場(chǎng)合下將如何辦？有瑟夫森陣列呢。現(xiàn)在兩極分化很厲害，高的非常高，低的計(jì)量部門5700就夠了。
看來要想得到更好的基準(zhǔn)，只有靠自己了。DIY基準(zhǔn)的部分將在時(shí)機(jī)成熟的時(shí)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，F(xiàn)luke 在732A里面用的不是自己的穩(wěn)壓基準(zhǔn)，而是Motorola的。這個(gè)基準(zhǔn)就是Fluke稱呼的RefAmp（參考放大器）。

事實(shí)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(hào)沒有看清，估計(jì)也應(yīng)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，F(xiàn)luke應(yīng)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(yōu)孰劣呢？
您有關(guān)于它們的資料嗎？

好東西，長了知識(shí)了
謝謝！！

原帖由 weblyang 于 2007-9-7 11:20 發(fā)表
LTFLU-1和SZA 263的性能與LTZ1000ACH孰優(yōu)孰劣呢？
您有關(guān)于它們的資料嗎？

LTZ1000ACH的資料在網(wǎng)上非常多（搜一下LTZ1000ACH pdf），是內(nèi)部（可調(diào)）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(shè)備采用情況看，LTFLU-1是后期產(chǎn)品，指標(biāo)應(yīng)該比SZA 263更高一些。但是，這兩個(gè)RefAmp（參考放大器）估計(jì)是產(chǎn)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(duì)簡單，但以后若要得到標(biāo)準(zhǔn)的10V還要升壓，而且割據(jù)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(tǒng)計(jì)電阻和PWM三種方法，7001用的是統(tǒng)計(jì)電阻（效果很不錯(cuò)），4910用的是PWM（效果最好但也最復(fù)雜）。
RefAmp外電路比較復(fù)雜因?yàn)橐婕昂銣兀惶酶恪６疫@電路必須在內(nèi)部一次完成升壓，輸出直接就是10V的，因此那對(duì)分壓電阻就成了關(guān)鍵。從我對(duì)5個(gè)Fluke 732B的測(cè)試情況看，這個(gè)分壓/升壓的效果很難說，好的可以滿足指標(biāo)（2ppm/年），差的就比較差（超過10ppm/年），這主要是分壓電阻老化嚴(yán)重所導(dǎo)致。而Fluke對(duì)于高穩(wěn)定的電阻也根本沒什么好辦法，他們賣到3萬多的標(biāo)準(zhǔn)電阻，指標(biāo)也就4ppm/年。

我前幾天得到一個(gè)Fluke早期的校準(zhǔn)儀5100B的基準(zhǔn)板，里面也用的是SZA 263。我馬上要到貨一個(gè)Datron 4910，被認(rèn)為是有史以來最穩(wěn)定的固態(tài)電壓基準(zhǔn)（之一），內(nèi)部基準(zhǔn)到底是什么將很快揭曉。

Datron 4910固態(tài)電壓基準(zhǔn)，內(nèi)部用的是LTZ1000CH。與LTZ1000ACH比，內(nèi)部沒有加絕熱，這樣靈活性增大，適合更專業(yè)的場(chǎng)合。
這個(gè)基準(zhǔn)板，和Datron/Wavetek 1281內(nèi)部基準(zhǔn)，和Fluke 8508A內(nèi)基準(zhǔn)板是一樣的。因此，目前主流八位半萬用表內(nèi)部都是采用的LTZ1000做基準(zhǔn)。

經(jīng)典好貼！昨晚拆開8840a看到里面的基準(zhǔn)也是ltflu-1ach。

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

固態(tài)基準(zhǔn)指標(biāo)，穩(wěn)定性

是一份好資料

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

LTFLU-1應(yīng)該是Fluke從linear買的，非常便宜，F(xiàn)luke對(duì)它進(jìn)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，F(xiàn)luke能從這種器件中篩選出最高標(biāo)準(zhǔn)的電壓基準(zhǔn)，確實(shí)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(yè)。

牛人，就是牛啊。

河?xùn)|居士 發(fā)表于 2015-1-1 00:17
LTFLU-1應(yīng)該是Fluke從linear買的，非常便宜，F(xiàn)luke對(duì)它進(jìn)行了老化篩選，最高的用于732B，其次用于8508（ ...

8508A的基準(zhǔn)開始沿用1281的設(shè)計(jì)，即采用LTZ1000，即便從2008年以后Fluke更改了設(shè)計(jì)，改成用LTZ1000A，但仍然不是LTFLU-1。
LT是器件生產(chǎn)廠家，不會(huì)對(duì)基準(zhǔn)的老化和篩選有什么研究，但Fluke當(dāng)然不同。
LTFLU-1和LTZ1000都是LT生產(chǎn)的，而且其核心穩(wěn)壓管部分出自一人之手，是完全相同的設(shè)計(jì)。
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(guān)的或者壇友們不關(guān)心的東西,只保留了有用信息.翻譯如下,請(qǐng)大家斧正.

筒子們大家好,
我剛和Bob通完電話,他時(shí)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(gè):
1>[供大家參考]LTZ1000數(shù)據(jù)表里面的那個(gè)電路及LTZ的其他應(yīng)用筆記都是Bob寫的,不是Williams.
2>LTZ1000的穩(wěn)壓調(diào)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(wěn)定性自然而然也就達(dá)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(yīng)力很好的隔離開來.管腳機(jī)械應(yīng)力對(duì)兩個(gè)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(xiàn)為隨大氣壓變化而引起的輸出電壓漂移.
4>已經(jīng)過去了20年,所以他不記得具體的數(shù)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(gè)毫安左右,齊納的額定電流還能再多點(diǎn).
5>他們(本)可以為這個(gè)器件制作一個(gè)LTspice模型,但是溫度變化的影響極難模擬,而且這個(gè)產(chǎn)品的市場(chǎng)太小,不足以支撐這個(gè)模型的研發(fā).他說最好的辦法是把這個(gè)電路做出來然后實(shí)驗(yàn)決定它的性能.
6>我告訴他我想要一個(gè)電壓傳遞基準(zhǔn),他說更好的方法是用至少6個(gè)LM399并連起來.他說加速老化的方法就是把這些LM399放在一個(gè)125度的烘箱里面工作2周,這相當(dāng)于1000小時(shí)的正常工作時(shí)間.(在這個(gè)過程中)任何漂移較大的LM399都可以篩掉. LM399比LTZ對(duì)PCB機(jī)械應(yīng)力要敏感的多,所以LM399在安裝時(shí)應(yīng)該離開PCB的表面一些距離. LM399的長期穩(wěn)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(fèi)在加熱上的能量就越少,長穩(wěn)就越好. LM399被關(guān)閉時(shí)不老化,而且也沒有回滯,所以在不用這個(gè)基準(zhǔn)的時(shí)候應(yīng)該把它關(guān)掉,在你使用或者校準(zhǔn)的時(shí)候再提前幾個(gè)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(duì)于LM399的設(shè)計(jì),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(wěn)定.所以,在這種狀況下,開槽和熱絕緣是對(duì)電壓穩(wěn)定性是有幫助的.哦,他還提到LM399的齊納電流在1mA是穩(wěn)定性最好的. 齊納電流的穩(wěn)定性越好,輸出電壓的穩(wěn)定性越高.他說齊納電流每變化1uA,輸出電壓就變化1uV.
8>對(duì)于所有的基準(zhǔn)而言,他們?cè)诟邷氐睦匣俣却_實(shí)較快.所以,因?yàn)長TZ1000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(huì)小一半.但是,A版本有其他的優(yōu)點(diǎn),比如大氣壓對(duì)它的影響較小等.
9>對(duì)于LM399和LTZ,他說一個(gè)較好的加速老化措施是使他們?cè)谝粋€(gè)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(fù)開關(guān)10-15次電源,這樣的話應(yīng)該會(huì)讓他們穩(wěn)定下來.這個(gè)過程應(yīng)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(shù)據(jù)表是非常保守的.注意那些數(shù)字表的制造商并沒有增加額外的熱絕緣措施,當(dāng)然在上下加上這些材料會(huì)更好.
11>他們?cè)跍?zhǔn)備發(fā)布更多的LS8(8腳陶瓷封裝)的器件,他們應(yīng)該今年年底能出來.有一些器件LS8裝不下,所以他們會(huì)用一個(gè)更大的LCC封裝,他說1021系列在準(zhǔn)備發(fā)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(shì)的問題仍然存在.這些器件在安裝到板上之后應(yīng)該隔絕空氣流動(dòng)(就像TO封裝的一樣).
13>LTZ并不需要像LM399一樣在安裝時(shí)離開PCB板一定距離,因?yàn)樵谶@個(gè)封裝內(nèi)部有獨(dú)一無二的抗應(yīng)力設(shè)計(jì).
14>他們不會(huì)為LTZ做一個(gè)參考設(shè)計(jì)--這是一個(gè)不值得花時(shí)間去開發(fā)的小眾產(chǎn)品.
15>TO封裝的內(nèi)部是干空氣(甚至不是氮?dú)?.因此可能會(huì)導(dǎo)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(duì)于電池供電的設(shè)計(jì)來說,最好是用LTZ1000A,并且對(duì)它進(jìn)行熱絕緣以節(jié)省能源.
17>想要在LTZ上得到0溫度系數(shù)是很可能無法實(shí)現(xiàn)的.你需要讓Q1工作在1uA,這是不現(xiàn)實(shí)的.
18>他說不必要用LTC2057,因?yàn)辇R納管的噪聲和漂移貢獻(xiàn)比LT1013大得多.Bob說你幾乎可以用任何運(yùn)放,而且漂移不會(huì)因?yàn)槭褂昧司炔畹倪\(yùn)放而受很大影響.(但是我仍然要用LTC2057,因?yàn)樗麄兿癖谆ㄒ粯颖阋?而且噪聲很低.在后級(jí)電路中我的確需要一個(gè)零飄的放大器,因此保持BOM上的元件數(shù)量盡量少是更經(jīng)濟(jì)的).
19>LTFLU-1和LTZ1000內(nèi)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(jīng)失效了,他們也不會(huì)公開銷售這個(gè)器件,因?yàn)樗麄儾幌肴敲莻€(gè)從他們這里每年購買數(shù)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(gè)LTFLU-1,這個(gè)器件也沒有表征數(shù)據(jù),而且也沒有數(shù)據(jù)表--僅僅做這些東西就要花很多時(shí)間. 總而言之是不會(huì)賣的.

祝好,
Ken

老大原來在這邊都要帖子啊，學(xué)習(xí)了