Agilent 3458A 八位半万用表基准的改动与校准

风吹石

是啊,考虑再三,也只能这样了.这里电子研究所比较多,准备找他们了.
谢谢回复.

zmwangping

这是篇理论与实践结合的好文章，不知为何只给那么一点的奖励！

lymex

谢谢，其实各位的鼓励与支持就是无形的奖励。另外2个威望已经是很高了。

原帖由 chuxp 于 2007-8-29 13:12 发表
太厉害了!:lol
你的那个752A改装的精密电阻做的怎么样了?

这个十一期间做好了，目前看效果良好，达到预期目的：
http://www.gfjl.org/thread-7590-4-2.html

yeool

lymex老大，我是从另外一个论坛里看到您关于10V标准源的帖子而跟到这儿来的，本来就想在哪儿跟贴，但是注册还没有通过。
    我已经给您的lymex@sina.com 发了邮件，向您索要电阻的文章和HP34401A的电路图，现在是您的关如电阻的文章已经在这儿下载到了，不知道您手头上有没有HP34401A的电路图，如果有的话，能不能发给我啊？谢谢了！！我的邮箱是yeool@yeah.net

lymex

邮件收到，HP34401A的电路图在其Service Guide 里有，而Service Guide应该在Agilent的网站上有，但我刚才去看没有了。我的这个Service Guide不知道是从哪里下载的，是11,452kB，已经发过去。

yeool

谢谢lymex，您发的资料我现在正在看，对我很有价值。

3458A内部应该有基准电压的升压电路吧？7伏转10伏（或12伏？）。老大既然把基准电压都改了，何不把升压电路也用VHP101或者VHP202改一改。性能应该能提高不少。

lymex

我找过没发现有7伏转10伏的部分，7V直接进A/D了。
反正后期都是数字处理，测量10V的结果到底如何表示都不重要了，乘上一个系数就可以了。而这个系数在校准的时候可以改。

8位半的ADC一般至少28位二进制。
3458A的ADC不仅速度快，而且指标达到0.1ppm的积分线性、0.01ppm的微分线性（类似No missing code），目前还无人能比。Fluke中心实验室都不用自己的8508A，而是用了3458A。我以前也想用σ-△来做万用表，但感觉外围还是非常很难做，尤其是拆了一个3456A以后。
某所高精度的测量交流电压的有效值，居然是用3458A快速采样50Hz信号来实现的！

这是老大发在无忌上的一个帖子，被我引用过来。
为什么拆了一个3456A以后，老大就觉得用σ-△来做很困难呢？3456（8）A里的前置放大器，选择开关，滤波器（如果有的话）都是怎么样呢？铜和芯片引脚之间的热电势动辄几uV，这些又是怎么处理的呢？
我都成了问题小孩了，呵呵，老大写个拆机报告好了。
顺便问一句，谁有 HP3458A 8 1/2位数字式万用表的A/D转换器 这篇文章？

[ 本帖最后由 weblyang 于 2007-11-8 13:43 编辑 ]

lymex

原帖由 weblyang 于 2007-11-8 13:32 发表


这是老大发在无忌上的一个帖子，被我引用过来。
为什么拆了一个3456A以后，老大就觉得用σ-△来做很困难呢？3456（8）A里的前置放大器，选择开关，滤波器（如果有的话）都是怎么样呢？铜和芯片引脚之间的热电势动辄几uV，这些又是怎么处 ...

拆了个3456A以后感觉用σ-△来做万用表很困难，主要是外围做不好，比如保护、切换、前置放大、分压、滤波等，3456A用一个大板来做这些工作，里面用了不少定做的专用器件。后面有一张图，如果感兴趣我再贴。另外，我手里有3456A的维修服务手册，包含电路图和调试说明，15M，好像是在Agilent网站上下的。

铜和芯片引脚之间的热电势动辄几uV，这个好象没那么大，选择合适的金属组合可以降低到每度微伏左右，然后再加上平衡和均温措施，就可以把热电动势减低到0.1uV级别，这对于8位半都不成问题，因为3458A分辨就是0.1uV的。对热电动势非常看中的，是纳伏表，因为分辨1nV、噪音nV级别则要求热电动势非常低。可惜我的34420A还在保修期内，我还不想马上拆开看内部。好象从输入到前置放大之间是最重要的，用了两层屏蔽/均温措施。

HP3458A 8 1/2位数字式万用表的A/D转换器，文章见附件。

看了这篇文章，感觉HP真是好啊，连这样的东西都会写出来，接近核心技术了吧？
不知道其他公司有没有类似的文章，比如FLUKE的余数再循环，(曾经的)Wavetek的多斜多周期。好像还有个叫Schlumberger(斯伦贝谢?)的脉宽调制，Solartron的也是这种吧。
看了一篇文章，《模拟变换和数字变换的高档DMM》，它里面有这么一句话：高分辨率以及大的动态范围和高的吞吐率，A/D转换器充分发挥数字电路的优点，与多次斜率变换法相比占有绝对优势。
它里面的用A/D转化器的指的是Keithley的2002，而多次斜率是Prema的6048（没听说过这个公司，老大讲讲它的历史吧，也是8位半）。听他的意思，难道2002里采用的转换器是sigma-dela A/D？
改天我也写个专题，就叫 高精度万用表的模拟数字转换器，把知道的万用表的转换技术统统写进去。

lymex

原帖由 weblyang 于 2007-11-8 20:30 发表
看了这篇文章，感觉HP真是好啊，连这样的东西都会写出来，接近核心技术了吧？
不知道其他公司有没有类似的文章，比如FLUKE的余数再循环，(曾经的)Wavetek的多斜多周期。好像还有个叫Schlumberger(斯伦贝谢?)的脉宽调制，Solartron ...

要写“高精度万用表的模拟数字转换器”？太好了，我对这方面知道甚少。
我贴过一个万用表转换速度的图，在这里再贴一次见后。
其中，Keithley 2002在8位半下速度最快，3458A紧随其后，再就是日本爱万得（Advantest）的R6581也很快。相比之下，8508A就慢多了。Fluke 8508A基本上是沿袭了英国Wavetek 1281的技术，其中的基准、A/D好象一点也没动。而Wavetek是收购英国Datron的，看样子就翻了牌子而已。

Solartron（输力强）是老牌英国公司，也产过8位半的7081，但后来与德国的Schlumberger（施伦伯杰）合并。因此Schlumberger的应该就是Solartron的技术。Solartron估计是世界上首个8位半的万用表。7081我以前差点花9.8k买个坏的。最近eBay有卖我没参加结果被人以$1725买走（图见后）。

Prema是德国公司，其8位半的6048的资料很少，只发现有以下网页有点介绍：
http://www.ohh.de/6048.htm
http://www.ohh.de/5610.htm#multramp

Prema德国普瑞玛,也是一家老牌的数表生产厂,其5000 , 6000,DMM,5017,天水长城电工仪器厂曾经组装生产过.在国内还有许多部门在用,外壳和内部用料非常扎实,大量使用自保持继电器和紧密的阻容器件,DC的稳定性好过其结束指标,在高位时,测量速度非常慢.等得有些不耐烦.
电流的指标感觉不怎样,后2位经常跳数,

zmwangping

三极管Q2的BE极是测温的（即连在8脚的三极管）！这个电路的Q2的VBE在0摄氏度时约为650mV,温度系数约为-2.3mV/摄氏度。最终的温度平衡在这个温度点上：这时Q2的BE极电压等于R4/R5分压后的电压！
我就不知道，是不是每个LTZ1000有Q2都是这个特性？
Q1（另一个三极管）的VBE是用来补偿齐纳管的正温度系数的吧。

lymex

分析正确。Q2就是测温的，温度是可以通过R4/R5的分压与Vbe相等来调节的。
每个LTZ1000特性都是如此，但Vbe2稍有差别，设置成相同的R4/R5分压比则温度有几度的差别。
另一个三极管正是做串联温补的，输出等于偿齐纳管压+Vbe，在两个箭头处引出。

zmwangping

我想请问2楼，表中的数据是实测还是计算的？如果是实测的，那与理论数据太吻合了！

[ 本帖最后由 zmwangping 于 2007-11-12 15:59 编辑 ]

lymex

原帖由 zmwangping 于 2007-11-12 15:37 发表
2楼基准电阻与温度的数据是计算的吧。
因为没有考虑到Q2有基极电流Ib的影响。按照典型的图，Ic约为100微安，Q2的直流放大倍数最小为80，最大为450，典型的为200（按照LTZ1000的典型数据），按200计算，则Ib为0.5 微安。在R4上会有约7 ...

2楼基准电阻与温度的数据的确是计算的，但其中的参数2.3mV/C是根据几个要素调整的，因此实际上考虑了放大倍数以及Ib的综合变化。这几个要素其中之一，是那个经典文章（7楼，有图），另外，也包含了实测数据，测量过几次，以下为某次结果，与计算值还是有少许误差。

zmwangping

好象没有考虑齐纳管的工作电流变化对Vz的影响。
按照厂家数据，工作电流1毫安变化到5毫安时，Vz可以有80-240毫伏的变化呢。其中80是典型的数据。
建议测一下在同一温度下齐纳管的电压与工作电流的关系，排除后计算齐纳管的温度系数！
如有资料，请上传！

zmwangping

在数据表中的“内部改温”代表什么？

lymex

原帖由 zmwangping 于 2007-11-12 18:21 发表
在数据表中的“内部改温”代表什么？

内部改温就是内部改正温度，绿色的部分都是手工输入的，其它部分是用公式计算的。
上表计算中的确没有考虑齐纳管的工作电流变化对Vz的影响，但这个表仅仅是计算上电阻（R4）与内部工作温度用的。
2楼的表也是同样作用，但综合考虑个各种影响，因此把本来比较大的温度系数改到了-2.3mV/C。
事实上，尽管改动R4后齐纳管的工作电流会变，但变化不大。实际工作中，只要各电阻阻值选定，那么齐纳管的工作电流也就固定了，齐纳管的斜率电阻对输出没有影响。

另外一个相关的稍微扩展的话题，就是这个基准电路如何去做才能做好？外围元件如何选择？做好其实主要有三点：
1、输出电压不随外界温度而变
2、输出电压不随供电电压而变
3、输出电压不随时间而变
以上1我测试统计过，几乎看不出来。以上2我测试过，电源电压变动3V（从12V变到15V），输出变化<0.1ppm可以忽略（而且与元件选择无关）。以上3是我测试的重点，大部分器件满足1ppm/年的指标。

也许，我们最关心的是，各外围电阻要是（由于老化或者温度）变化了，对输出到底有多大影响？
尽管Linear已经给出标称值，但仍然是我测试的重点，某次测试结果见后表，结果描述如下：
电流采样电阻，变化100ppm对输出有-0.14ppm的影响，比Linear给出的1ppm要小得多
分压电阻变化100ppm对输出有近1ppm的影响，与Linear给出的1ppm很吻合
R2（温补三极管用）变化100ppm对输出有0.4ppm的影响，比Linear估计的0.3ppm要大。
R3（测温三极管用）变化100ppm对输出有0.04ppm的影响，比Linear估计的0.2ppm要小很多。

以上测试实际上对不同电路在不同时间进行过多次，结果类似，改数据是我选择各电阻依据。

zmwangping

从数据看，采样电阻对输出的影响小，实际上也说明了齐纳管因工作电流的变化所引起的变化小。
你测试用的板子上的其它元件的参数是否与Linear一样？

lymex

我的关键元件（主要是几个电阻）都是定做的，并在安装前经过测试。
其它元件Linear也没有要求，当然也采用能买到的好器件，装前也测试。
与3458A内部的电路板比，Q1我采用小功率的因为加热电流最多几十mA。

zmwangping

我大致同意你的研究方法，即我们要保证基准的输出电压不变，首先要研究是什么使它变化！
你从这三个方面研究：1、输出电压随外界温度的变化情况；2、输出电压随供电电压的变化情况；3、输出电压随时间的变化情况。
除了第2点（即输出电压随供电电压的变化情况）外，其他两个可以归结为输出电压随几个电阻的变化（即R1-R5）的变化。
用实验的方法来研究，也是一种好的方法。
我想，如果我们能从理论上来说明几个电阻的变化是怎样使输出电压变化的，最起码要说明主要是通过什么渠道使输出电压变化的，则会使研究更深入一步。到现在为止，我们可以这么认为：
一、R1的变化，主要使齐纳管工作电流变化，从而引起输出电压的变化。
按照linear的数据，在工作电流为2.5mA-5mA内，齐纳管与Q1的Vbe联合作用，其动态电阻约4个欧姆（从图中测算）。按照这个数据，当R1从140欧变化到138.067欧时，输出电压应变化0.19mV（升高）(按Vbe1=474mV計算)，你实测的为.135mV。这可以这么解释：当输出电压升高后，LTZ1000的温度下降，使输出电压下降。但从总的输出电压上升了0.135mV来看，“R1的变化，使齐纳管工作电流变化，从而引起输出电压的变化”是主要因素！
二、R4/R5的变化，主要使LTZ1000的温度变化，从而使输出电压变化。这点不用多说明。
剩下的问题，是R2和R3的变化，是怎样使输出电压变化的呢？这点我正在研究。
我是纸上谈兵，因为我手中没有实验的条件。
有什么不对的，请指教。

lymex

有关最终的输出到底随什么变化的问题，与电阻的确相关，但与LTZ1000更有关系。看我45楼的表的“抑制倍”一列，表明电阻的不重要性到底是多少，是越大越好。当抑制倍为100的时候，电阻变化了100ppm才对输出有1ppm的贡献，但LTZ1000本身变化1ppm则输出变化就是1ppm。事实上，我们要是不牺成本选择好的电阻做到10ppm/年没有任何问题，此时对输出的贡献就可以小到0.1ppm/年。但根据LTZ1000的手册推算，其年不稳定度是0.83ppm，因此，还是LTZ1000本身对不确定度的贡献最大。
这个器件和电路之所以成功，就是因为对外界元件要求的比较松，松了100倍以上。

是的，电阻的变化对输出的变化，分析的没问题。至于R2和R3，是决定了Q1和Q2工作电流的，两个电阻的压降大约都是6.3V很稳定的，因此变化的R2、R3将引起工作电流变化，这就直接影响两个管子的Vbe，因此导致输出变化。R2直接影响补偿管因此影响大些。

zmwangping

对，当T=65摄氏度时，长期稳定性指标为2微伏/SQRT（kh）！据此可以推算年稳定性。不知降温之后这个指标改变多少？比如T=55摄氏度时。