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Agilent 3458A 八位半万用表基准的改动与校准

时间:2012-10-09  来源:38hot  作者:lymex
www.123485.com

Wavetek的分析

图片:temp2.gif

 

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

并联前基准照片

图片:01.jpg

并联后基准照片

 

 

 

 

 

图片:more1.gif

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。






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。





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。

 

 

 

 

 


 

图片:02.jpg
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

图片:drift.gif

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