2VO:Agilent 3458A 八位半万用表基准的改动与校准
本系列文章由BG2VO多年前所著,目前仍未被超越,帖到KC供大家参考。


Agilent/HP 3458A是经典的8位半万用表,很多指标超高,比如无与伦比的转移特性和线性度(0.1ppm),前所未有的噪音特性(0.01ppm)。但也有不满意的地方,比如中长期的稳定性不太好,90天10V电压稳定性指标达到了4ppm,其典型的漂移曲线见图(出自Agilent 3458A校准手册)。从这个曲线也可以看出,基准LTZ1000A具有随时间下降的趋势。这个趋势无论在这里,还是在使用该基准的Wavetek 7000基准的说明中都有体现。反映在万用表中,这个趋势所引起的后果就是读数逐渐偏高。基准偏低1ppm,万用表的读数就偏高1ppm。

通过半年多的测试,也发现自己新出厂的3458A的基准大概变化了5ppm(读数偏大5ppm)。尽管1年的指标为8ppm,但其它一些8位半的万用表做的更好,比如Fluke 8508A和Wavetek 1281,为4ppm/年。
按照3458A内部采用的LTZ1000A基准的老化情况看,典型指标为1ppm/年,怎么就出现这么大的差距呢?

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Wavetek对7000系列的指标,预测漂移也是负的。这里,0.8+0.7=1.5ppm就是稳定度,
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经过剖析基准电路和所采用的元件参数,发现了原因所在。原来是3458A在设计时为了能工作与恶劣环境,把内部基准的恒温温度设置的非常高,达到了90℃!
从3458A的使用手册可以看到,3458A可以工作在55℃的环境温度下。再加上机器内部的温升(13℃)、LTZ1000A的温升(10℃)和一定的余量,选择90℃就不足为奇了。
然而,从P.J. Spreadbury的文章和后来Wavetek等公司对LTZ1000A的测试表明,温度每增高10℃,长期漂移变大一倍!
因此,若能把温度降低30℃,那么稳定性就可以提高到8倍了(即长期漂移为原来的1/8)。
这样也很方便的解释了,为什么特性非常好的LTZ1000(年漂移<3ppm, 3σ),到了Agilent的手上,为什么变成了8ppm的年漂移了。
因此,只要把恒温温度降低到60℃,理论上就能够达到年漂移1ppm之内。另外,从LTZ1000A的手册上也可以看出,1ppm/a的指标漂移,是在65℃的温度之下得到的,也证实了这一论断。

另外,Fluke 8508A的长期漂移指标做的比较好,是因为用了Datron的原封不动的基准,不仅因为最高工作温度低(40℃,比3458A降低15℃),而且还因为基准是用的LTZ1000CH而不是LTZ1000ACH。这两个基准的差别是ACH的内部有绝热,因此温升有额外的10℃。这样算下来,8508A的内部基准就至少比3458A的降低25℃,因此老化指标能够降低过半也是可以理解的了。尽管3458A也有4ppm/年的高稳定基准选件,但那是经过长期的预先老化和筛选作为代价的。
上电阻与温度的关系
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P.J. Spreadbury的测试分析
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Wavetek的分析
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那么如何把温度从90℃降低到60℃以下呢?就是要调整基准电路的上温度分压电阻。通过计算得知,当把原来的15k改变到12.5k,就可以把温度降低到57℃,可以允许万用表适应于最高33℃的环境温度。
33℃够了吗?对于我来说是的。今年最热的天气已经过去,室内最高温度(不开空调)还没有超过30℃的时候。
那么如何让分压电阻从15k变到12.5k呢,并联一个75k的电阻就正好。我选择了德国品牌的Vitrohm 75k 0.1%电阻进行了并联(图),该电阻指标温度系数25ppm/℃,实际测试<10ppm/℃。
并联的过程很简单。原基准板有预留孔看来就是给并联用的,电阻名字是R412。用吸锡器抽干孔内的焊锡把电阻焊上即可。
有人会问,并联后,由于这个电阻的稳定性和温度系数会不会对基准的输出产生影响?当然会的,但经过评估(过程略,但可以补充),这个电阻在温度正负10℃的变化以及200ppm/年的老化的情况下,对基准的影响均小于0.5ppm。

并联电阻参数
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并联前基准照片
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并联后基准照片
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对基准更改后,其电压也自然要发生改变,实测从原来的7066.10mV变为7056.75mV,变动了-0.132%。测量#105号732B基准,读数从改动前的10.000093V变成了10.013278V。因此,必须在充分预热的基础上进行校准。

好在3458A的校准过程非常简单,只需要一个4线短路环(自制)、10V电压基准(已有)和10kΩ电阻基准(已有)。校准于8月5日星期天进行。
首先校准0点,接上4线短路环,执行CAL 0,校准进行了8分钟。
其次校准电压,接上#105号732B,按照其具体偏离执行CAL 10,校准了大约4分钟。
最后,打算也校准电阻,但发现改动前后对相同的标准电阻的测量值变化很小,不到2ppm,而且是向误差小的方向变化,因此电阻档没有进行校准。

那么,基准改动后效果到底如何?由于改动后测试的时间比较短,因此还不能下最后的结论,但可以分项看一下:
1、长期老化无从测试。必须要等几个月至少半年最好一年才能得到比较理想的得到数据。改动后很可能老化大大的降低,给老化测量带来更大的困难。
2、中短期漂移有较大的提高。以前每天开机5个小时预热后,对电压基准的读数差别比较大,最大达到2ppm以上。但改动后已经10天,这个变动不到0.5ppm,因此有很大的改善。
3、预热时间缩短。由于最终温度的降低,基准达到额定误差之内输出时间也自然缩短
4、低频噪音有所降低。通过连续测量一个稳定的基准,得到一个系列,简单的计算就可以得到标准方差。改动后这个方差有大约25%的下降,表现在两次相邻的读数变动变小。

总之,改动后效果明显,达到了预期目标。尽管这样的改动是以牺牲最高允许工作温度为代价的,但一般实验室条件下使用没有任何问题。

改动前后每天一次对电压基准的测量
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开机预热特性
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补充资料1,Linear给出的LTZ1000A的典型电路。其中R4=13k就是上温度设置电阻。这个电阻若变化100ppm,对输出的影响是1ppm。因此若在原来15k上并联75k,那么75k变化100ppm,对这个并联电阻的变化就是20ppm,因此对整体变化的影响就是0.2ppm。

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补充资料2,剑桥大学P.J. Spreadbury对LTZ1000A的测试文章及某测试曲线。通过这个曲线得到了温度每上升10℃老化加倍的结论。
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补充资料3,Wavetek公司J.R. Pickering和P. Roberts的文章:Setting new standards for DC Voltage Maintenance Systems。
该文章描述了其创新的7000系列电压基准的所采用的技术,这个基准的核心正是LTZ1000A。
由于Wavetek被Fluke收购,因此这套系统就摇身一变成为Fluke 7000系列。尽管价格比732B便宜且指标更高,但好象不是Fluke的主推产品。
该文章目前也在官方网站上找不到了,是以前在Wavetek的网站上下载的。

文章中提到了其首创的“消磁”重入技术、“统计电阻法”升压电路,同时也给出一个温度如何影响年稳的测试实例。从这个实例可以看出,一个组的年平均漂移,在80℃的工作温度时为-1.2ppm,但在45℃下为-0.06ppm,低温对降低漂移作用明显。当然,这两个绝对值都非常小,应该是Wavetek把这组基准做了预先老化并剔除了老化过大的单元。
13.gif

补充材料4,自己的有关电压基准的测试曲线。
除了注明以外,粗实线为10V基准与平均值差值对比的结果,相同颜色的细实线为10V基准直接测量结果,点线为对应内部7V直接测量结果。
其中红色的就是3458A的变化(楼上#5已有),可以看到3458A在改动之前变动相对还是很大的。
橙色粗线为温度(被减去29.5),与下面的一组自制的10V基准(蓝绿色)有着某种互补的相似性,说明这个DIY-10V大约有-0.7ppm/C的温度系数,大概归结为其中的7V-10V升压电阻的问题。
最下面的黄色点线是自己DIY的7V组,可以看出相对很稳定。
天蓝色的这组732B-10V稳定性不太好,22天就下降了近1ppm。最上边的深红色10V也上升了大约0.5ppm。但由于对应的7V基本没有变化,说明732B的不稳定的瓶颈在于7V-10V升压环节,即分压电阻存在问题。这应验了我的猜测,因为Fluke最好的卖到3W多的标准电阻指标才4ppm/年,因此我才把所有的基准的内部7V引出进行测量。换句话说,如果你只有一个10V基准,把7V引出后,若此7V和10V的比例发生了变化,那么应该相信7V,毕竟7V是基础,10V是派生的。
最后,8月3日的测试看来存在尖峰问题。

14.gif
来自:仪器与装备 / 仪器仪表
RodTech
8年4个月前
1楼
对比一下:含高稳002选件的3458A标称指标也才4ppm/yr。

补充一下:实际测量应用的时候,表的长稳会显得不那么重要。1、漂移可预测,误差是可以人为在结果上补偿的,2、如果完全不相信表的绝对精度or要求比较高,可以同时扫描待测源、基准源,即所谓的Bac2Bac测量(前提是DVM的短稳和噪声达到测量的要求)。

举一个极端的例子:
特殊电压值的测量(8位半电压表大多数的用途就是测量10V电压),可以仅通过一个指针表(null detector)来达到0.02ppm的校准精度,0.1uV的相对电压分辨率,这是刚刚从厂里校准回来的表都不一定能做的到的。具体原理很简单,将10V基准与10V被测共地,然后测量两个正极之间的电压差,这时候差距一般在几十uV以内,用简易的检零计(理解为一个相当灵敏的微安表头,事实上是pA级别的)读出正偏差还是负偏差,调整被测源,换小档位,再调整被测源,直到差别小于分辨极限。这样做就几乎等于用一个理想精准电压表一边看绝对数字一边校准所达到的效果了。注:著名的现役Fluke 732B固态电压基准校准手册上就采用的是这种方法。
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image.jpg   

ps ,初入行,数据或理论若有错误请指出。
+100
科创币
虎哥
2013-10-08
好贴
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hambaby
8年4个月前
2楼
看到了845
光电斩波——AC放大——同步整流
DC指零表
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刘 虎

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