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双基准校准HP3458A八位半万用表

时间:2012-10-07  来源:38hot  作者:lymex
  

  例如对于10V直流档,误差就是10V*2.5% =0.25V,无论读数是多少,只要是10V档,误差就是不变的0.25V。当测试电压是5V时,相对误差不再是2.5%,而是0.25V/5V=5%了,大了一倍!测量电压相对于满度越小,相对误差就越大。例如测试2.5V时,相对误差就成为0.25/2.5=10%了。只有测试10V的时候,相对误差才是最小的2.5%。因此,在使用万用表的时候,应该转换量程,尽量让表的读数大一些,以便减少误差。
    那么模拟表为什么不像数字表那样引入双误差呢?例如可以表示成1%读数+1.5%量程?

图片:02b.gif

其实是完全可以的,这样表示将更加精确,更加符合实际,并能部分解决小读数下标称误差比实际误差小的问题。但由于模拟表的非线性误差也占有一定比例,再加上运算复杂,因此才简化的。     另一方面,往往要以输出值或测量值作为基准(100%)来看误差是多少,这时,误差公式可以表示为:
E2(x) = I + D(100%/x)
这里E2(x)就是以输出值或测量值为准误差,这种误差界通常可以表示为下图3。对于小于1的比例,总误差以比例器的微分误差为主,因为微分误差项为微分线性误差除上比例因子,所以比例因子变小后总误差将无限增大。

图片:03.jpg

图3,以读数为基准的线性误差
图中,横轴为输入占量程的百分比,从-100%到+100%,中间为0。假设量程为10V,那么输入就是从-10V到+10V。纵轴为以读数为百分比的误差,其中浅色部分是微分误差,尽管这个误差对于某个量程是固定数值,但当输入小的时候,读数就小,因此相对比例就增大了。例如量程10V,微分误差为1mV即为量程的0.01%,此时若输入为10V读数也为10V,误差为1mV仍然是输入的0.01%,但当输入/读数变小到1V时,误差仍然保持在1mV不变,但相对于1V就增大了10倍达到0.1%了。同样,当输入小到0.1V时相对误差就更是达到1%了。这与模拟表测试时要保持较大的指针偏转的道理是一样的。曲线的深色部分是积分误差,由于这个与输入是成正比的,因此在此这个比例不变。例如若此误差为0.005%,就是说是读数的0.005%,无论读数是多少,这个比例是不变的,总是读数的0.005%。外轮廓粗线就是合计误差。再举两个用3458A测量的实际例子,一个是用10V档转移测量7V,指标为0.05ppm + 0.05ppm,但由于7V不是满度,那么以7V为准测量的误差就是0.05ppm + 0.05ppm*10/7 = 0.12ppm,再比如用10V档转移测量1V 的误差为0.05ppm + 0.05ppm*10/1 = 0.55ppm。另一方面,用1V档转移测试1V的误差为0.3ppm + 0.1ppm = 0.4ppm,就要小一些了,所以测试1V还是要用1V档,不要用10V档。
HP 3458A不确定度HP3458A的设计目标,就是其内部比例传递误差不大于任何商品的分压器(最好的商品分压器为Fluke 720A,误差为0.1ppm输入值)。这样就设立了ADC总体10:1比例测试误差(线性)要求大约为0.5ppm输出值或者为0.05ppm输入值。
    图4演示了3458A的设计能取得的积分线性和微分线性。测试数据是通过JJA超导电压基准

图片:04a.jpg

图4a,使用超导JJA对HP3458A线性测试,线性误差的7次测试(绿色)和平均值(黑色)结果。
上图4a表明对于输入范围从-10V到+10V内输出偏离直线的典型曲线,表示为ppm量程。这个曲线表明了以内部积分线性为主的测试数据。取得了积分误差不超过0.1ppm满量程的结果。
从曲线可以看出,测量一共进行了7次,每次只测试-10V、-5V、0V、+5V和+10V这5个点。具体测试方法,应该是用JJA来生成这5个值并用3458A来读数看偏差。满量程的偏差有负的倾向而半量程的偏差有正偏倾向。事实上,0.1ppm的偏差就是1uV,因此,绝大部分偏差都在0.05uV也就是末位5个字之内。
另外可以看出,曲线基本上是正负对称的。这也说明该表的反向放大器性能良好。
至于为什么只测试了5点而不是更多,不得而知。也许HP3458A从结构设计上保证了线性度,也许曾经进行了更多的测试但都在范围之内而被忽略掉了。图4b是典型JJA测试数据表示为ppm读数(输出)。可以看出,微分线性在0.02ppm之内特性。对于10:1转移,误差预计为I+10D即0.3ppm。

图片:04b.jpg

图4b,微分线性特性
要注意,这个微分线性曲线仅仅是0附近的一个很小的范围内的局部曲线,为-0.1V到+0.05V之间。由于微分线性是与输入无关的,过大的输入将会有积分误差/比例误差的引入,因此测量0附近的误差就仅仅是微分线性了。那么为什么这个曲线抖动的这么厉害?主要是因为这个是实际测试曲线,取点很密集(大约每0.5mV一个点),而且纵轴是放大了的。图4c仍然采用JJA基准对1/10比例进行测试,相对于10V满度测试数据。可以看出,10:1转移可以做到0.01ppm输入值,或者0.1ppm输出值。这代表典型结果,而指标的3σ转移值要大于0.3ppm。测试噪音将产生附加误差,将与线性误差以平方和再开方的方式叠加。

图片:04c.jpg

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