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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

图4c,内部10:1比例转移线性误差
其实,这个曲线的横轴为输入电压,纵轴表明以量程(10V)为基准的10:1附加转移误差,而且纵轴单位错误(已改正,原文满度为0.015ppm)。例如10V处误差为0.01ppm,这实际上在外部的8位半上只是1个字。5V处为0.05ppm,表明只有5个字。偏移误差
DMM线性测量误差可以分成两大类:偏移误差和增益误差。偏移误差的来源包括放大器的失调电压、漏电流效应(IR)和结构中不同金属相接触时的热电动势效应。图5是简化了的直流电压功能测试电路,开关S1和S2用来在每一次测量中提供零点参考。因此,共同的路径上的偏移电压,比如放大器A1的失调电压Vos,将在每次测量时被采样并减去。这个过程就是自稳零(Autozero)。

图片:05.jpg 
图5,简化的直流电压测试电路
自稳零技术消除了大部分内部偏离,但也加倍了测量时间。这对于测量速度超快的HP3458A来讲通常不是什么问题。若要快速测试,自稳零可以用命令或前面板取消。
    连接中的其它偏移误差可以通过在外部连接一个紫铜短路器,测试后把偏移量作为校准常数保存起来。HP3458A对于每一个量程都保留自己的偏一量,做为通用表达式y = mx + b的b项,在输出中减去。其中y是校正后的输出值,x是内部为矫正的测量值。这些偏移量可以通过仔细的电路板布线和元件选择,做得很小并稳定。增益误差
DMM的增益误差来自放大器增益的改变、分压比的变化,或者内部参考电压的变化。每一个增益项都有自己的温度系数和一定的老化率,并可能因高湿环境或严重的震动而改变。因此,对于每一个量程,需要给DMM周期性的加上已知的、接近满度的量值,来校准增益比例m,使得y = mx + b严格等于输入值。然而,即便对增益校准后,DMM仍然因为各种原因而产生新的误差。HP3458A实现了一种特殊的自调节方法,可以根据内部基准调节所有的增益误差和很多偏移误差。直流校准
校准的第一步是建立内部基准的可追溯性。内部7V基准首先基于外部基准进行测试,其常数被安全地保存在校准内存中,直到下一次校准。这测试,实际上就是先后测试外部10V和内部7V,求其比例作为常数,依赖的是ADC的线性。而10V档的增益到底是多少一点也不重要,求比例的时候都被消去了,只要求在短暂的测试时间内保持稳定即可。然后,10V档的增益通过用该档测试内部7V基准来得到。该增益常数也保存在校准内存中,但可以随时通过重新测试内部7V来重新计算。内部7V基准的稳定性、温度系数和时间漂移误差与其它增益误差比较起来足够小,使得在所有的重新测试和内部校准过程中产生的误差变得无足轻重。调整所有其它档的满度误差将依赖于HP3458A ADC的精确的比例测试,这在图4c中已经看到。对于1V增益的调整,内部可追溯的7V被分压到名义1V,该1V的精确值用已经校准好的10V来测试,大约是1/10的满度。这个测试值就是从7V基准转移过来的,用来调整1V档的增益误差,校准常数将被存储。这个名义1V是否准确,或者长期稳定性如何,均不影响1V档的校准。只要在短暂的校准的两次转移测试中保持稳定即可。
其它直流电压档的校准都是类似的过程,以内部7V为基础进行满度和1/10满度的转移测试。所有档的增益都可以在自校准的时候归结到内部7V基准上。唯一不能调节的就是内部7V基准的随时间和随温度的变化。欧姆和直流电流校准
欧姆档的校准类似直流电压档。内部40k参考电阻的追溯性首先通过测试外部10k基准被确立,其常数被安全地保存在校准内存中,直到下一次校准。电阻的测试方法是让已知电流流过未知电阻并测试该电阻上的电压,用欧姆定律R=V/I来计算。既然在前面电压的追溯性已经确立,所以只需确立这个欧姆电流就可以完成校准。
确立这个欧姆电流的第一步,是施加10kΩ档的100μA的名义电流源到内部已追溯的40kΩ电阻,这电流的校准值通过计算(先测试这40kΩ电阻上的电压,然后得到电流=电压/40kΩ)得以确立并保存在校准内存中,但可以随时通过重新测试(自校准)重新计算。
。。。。。。。
    第二步,这个已知的100μA电流被加到内部的5.2kΩ电阻上(内部10:1比例转移测试)。然后通过测试其电压,用公式R=V/I就精确的确定了其阻值并保存在校准内存中。这个电阻实际上是10μA电流档的分流电阻,因此其电流也通过公式I=V/R被确定下来。
    既然内部5.2kΩ分流电阻被确定,1kΩ电阻档的电流源1mA被加上,其与100μA电流的(电压)比例被计算出来并保存。这种欧姆电流源和直流电流分流电阻联合起来的比例传递过程一直进行下去,直到所有6个电流和8个分流电阻都被确定下来为止。
    这样,所有的直流电压、直流电流和电阻的增益误差都相对于仅仅10k和10V两个外部基准被调整。表I总结了HP3458A的内部比例转移误差。

图片:05.gif

 

表I,内部比例转移误差3458A到底是如何具体做到双基准校准的呢?
这个么,HP没有具体说,只有看看电路板了。
模拟板正面:

图片:01m.jpg

ADC板正反面:

图片:DSCN8677m.jpg


图片:DSCN8685m.jpg

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