电压基准的评测

作者：lymex

测试的内容及测试方法
1、老化，或时间变化
由于基准老化小，因此要能看出变化，尤其是定性分析、找出规律，需要长期测试。
测试7V可以采用转移对比测试，用2×2开关，交替测试4910AV主基准和被测基准，采样几小时，为一组。
每间隔一段时间，比如几天、几周，甚至几个月，重复上述测试。把所有这些测试进行对比计算，就可以看出电压的变化趋势，得到电压-时间曲线。

2、温度系数
由于基准体积大，业余条件下不适合恒温测试，因此参照采用变温法。
基准带电池放入冰箱冷藏12小时，取出后适当保温，接线测试电压值，同时温度自然逐渐升高。大约12小时后接近室温，再加温处理，继续测试12小时。这样测试得到24小时的电压采样，就可以求得温度特性。

3、噪音
---可以直接用高速、低噪的8位半例如3458A测试，然后计算方差。此法简单，由于基准的噪音一般比3458A来得更低，因此此法可以判断基准噪音是否正常，是否存在干扰
可以用噪音非常小，或者噪音很小并已知的基准做背靠背的基础，用3458A的0.1V档（噪音非常小），进行插值测试。
噪音非常小的基准，可以采用10个标准电池串联，或者用干电池，或者用4910AV，或者用多个10V基准并联。
作为插值基准，只要短稳好就行，慢速变化的信号，计算噪音可以采用阿伦方差方式。

4、掉电恢复特性
掉电恢复特性分短期、中期和长期三类，采用插值持续监测，配以内部温度测试。
测试内容，就是电压，看变化。
测试接法可以有三种：
---直接高位表测试，适合短期恢复
---与另外一个基准用2×2开关交替测试对比
---与另外一个基准背靠背测试

测试前先接好线，基准充分预热后，进行掉电前的测试。采集要自动进行。
然后掉电，等一定时间后再加电，看过程。
因此，掉电恢复过程，比开机过程多了一个环节而已。


5、负载特性
微小负载，1uA（10M电阻）
中级负载，0.1mA（100k电阻，常见于KVD）
重负载，1mA（10k电阻）和10mA（1k电阻）
电容负载，0.1uF和10uF


综合结果

731B的测试
Fluke在1974年就已经开始生产731B, 这可以认为是Fluke第一款固态基准了，尽管前面有730732A，但产量少无说明。
体积不大，非恒温设计，采用12节镍镉电池串联成14.4V做后备，至少可用30小时。
指标很一般，年老化30ppm，月老化15ppm，尽管有一说后来改为一半，但没见到文件。
温度系数<1ppm/C，低频噪音<1ppmVpp,相当于0.16ppm rms，输出阻抗<5mOhm。
掉电恢复特性，没有指标。非恒温的一般很小

耗电很小，实际测试交流变压器励磁电流只有大约2.2mA，三重屏蔽，发热极微。
变压器次级绕组电压余量比较大，整流滤波后17.5V（电源电压225V下）。
整流侧耗电大约8mA，因此若电池是300mAh的，可以用37小时。
电源的充电部分是很简单的二极管+电阻，防反+限流，没有恒压。看来是镍镉电池比较耐浮充。
电路看来是设计成带电池运行的，我的几个731B电池都没有了，造成输出电压纹波太大，因此把充电二极管开路。
另外，电池+运行表头也需要电池，并了一个电阻才指示正确。

某731B的测试：
这个测试，用了3458A通过2×2开关，交替测试4910AV和被测的731B。
深色曲线4910AV，系直接用加电不久的3458A测试，所以能看出逐渐的变化，属于3458A的变动。
粉色的731B曲线，已经用4910AV进行了改正，为真值，公式是：显示值=测量值+改正值。改正值为对应的10V-4910测试值。
最开始的时候，731B刚加电，第一个读数就在最终值的0.2ppm之内，因此可以看到，非恒温的731B几乎是不需要预热的。
仔细看，731B加电后，在几分钟之内电压下降了0.15ppm左右，以后虽然逐渐慢慢下降，但幅度很小了。
中间一段，故意加入了干扰，系笔记本电脑的充电电路所导致。干扰对731B影响很大，一个是读数下降了好几个ppm还是变化的，另一个也使得短期不稳定起来。

总之，这个图测试了731B的：
开机特性，非常好；
噪音/短稳特性，很不错，方差0.028ppm（4910的方差更好一些，为0.017ppm）；
受干扰特性，不好，与4910比相差甚远；
电压值，9.999975V，即负偏2.5ppm。考虑到此基准多年没检定，没调节，这个偏差相当不错。

测试环境温度24.5度，测试过程中几乎没变。

732A的测试

732A是Fluke从1983年就开始生产的一款非常成功的基准。
当时竞争者少，LTZ1000还没有出现，10V固态基准也很少被用做基准。Fluke在732A成功后，也为了表明态度，把自己的基准从饱和电池替换成了732A，当然这样也便于推销。
国外用量比较大，我国也进了不少732A，现在很多开始退役，二手市场能够见到。
内部采用经典的SZA263参考放大器作为核心，恒温、电阻+运放升压到10V。恒温槽比较大，因此后备电源用了4组6V铅酸电池，只能提供12小时的后备时间。
指标上看，年老化3ppm，90天1.0ppm，30天0.5ppm。
温度系数<0.05ppm/C，低频噪音<0.1ppm rms，输出阻抗<5mOhm。
掉电恢复特性，没有指标。据说0.3ppm。

先看一篇lgq找到的有关732A老化及预测的文章：http://www.imeko2009.it.pt/Papers/FP_670.pdf

描述的732A很不错，体现在：
1、老化很小，5598天变化了+2.4ppm，平均每年0.16ppm
2、变化规律性好，线性度好

其实，国内有732A单位很多，每年都做检定，都可以做出类似的图来。但好像很少有人利用检定数据。检定完成后回去一放，时间长了甚至都找不到了，反正有最后一个标定就好，即便全丢了，等下一年重新检定就都有了。殊不知，历史的数据很重要，可以找规律、做预测。

文章中的一张图：


局部放大解释

732B的测试

732B是Fluke的主力基准，也是目前使用的最广泛的一个固态基准，同时也是计量单位购买基准时的首选。
我国不少单位买了732B，用来做转移标准，替代原来老的732A。
732B是Fluke大约1990年开始生产的，体积小巧，性能指标也算不错的。
内部采用经典的SZA263或LTFLU-1参考放大器作为核心，恒温、电阻+运放升压到10V。后备电源用1节常见的12V7Ah铅酸电池，可提供72小时的后备时间。
指标上看，年老化2ppm，90天0.8ppm，30天0.3ppm。
温度系数<0.04ppm/C，低频噪音<0.06ppm rms，输出阻抗<1mOhm。
掉电恢复特性，10分钟以内<0.1ppm，10分钟以上24小时以内<0.25ppm。


老化测试
测试结果不算很好。4个连号的732B（装在一个机箱里，叫734A），有两个超过2ppm/a的指标。

温度系数测试

噪音测试

掉电恢复测试
掉电测试主要测试内部7V，这才是真正的基准。
测试10V以后在抽空去做，因为那样包含了2个升压电阻的特性。

短期掉电特性，主要测试因电冲击而引起的变化，此时由于掉电时间短，温度没有变化或变化很小。
短掉电在这组测试里进行了4次，第一次是非常短的几秒钟，恢复的很好。第2次大约20分钟，恢复的也很好，第3次掉电1小时，恢复的一般，最后一次掉电4小时，有点过恢复。


中期掉电特性，主要是掉电几小时后，让内部恒温槽的温度冷却下来，马上再加电，主要测试温度恢复特性。
测试期间从前一天晚间到第二天上午，21:47断电，第二天早晨8:00上电。
温度时间常数为1小时，10个多小时的时间内部温度已经降低到室温附近，重新加电后不到1小时温度恢复。
立即恢复特性：48.28-48.30=0.02ppm，非常好。
所谓立即恢复特性，就是取掉电刚恢复后的100个测量值平均，减去掉电前100个测量值的平均。


只看局部，就是上电特性。从曲线可以看出，Fluke做的很不错。一个是温控比较理想，速度比较快，在一个小时之内稳定，没有过冲或振荡。另一个是，电压曲线与温度曲线非常同步，没有滞后或波动。


看的宽一些，就是上电恢复特性。在11个小时的重新上电时间内，没有发现明显的波动。当然，由于内部7V直接引出，输出阻抗大，干扰也大一些。


长期掉电特性，主要测试因放置后的恢复。很多基准因为条件不具备（无人值守，电瓶无电），因此是不通电的，使用时先开机。校准的时候也是没有电池，校准后就下电，等运回后已经几天过去了。

先来一个30个小时掉电的，此时恒温槽完全冷却。
测试的是10V，加电后仍然不到1小时就恢复，恢复前有过冲。这个过充不是温度的，也不是内部7V的，而是10V的，也就是说是升压部分的。


在掉电前测试了电压值，与加电稳定后的测试数据放在一起比较



结论是：掉电特性良好，差异仅为0.033ppm，而且这还包括了各种测试的不确定性，例如732B本身的变化（即不掉电30小时后也完全可以变动这么多）、4910AV的变化、3458A的转移不确定度。

回复 1# 酱里个酱


    看的云里雾里的，就当科普下

回复  酱里个酱


    看的云里雾里的，就当科普下
leonzhao 发表于 2011-3-4 10:29

    的确，学习吧！

不错，值得学习一下。

恩 认真的看了一遍 还是值得肯定的 鼓励

学习当中。。。

好資料。認真看了一次。

这么老的帖子，我都忘记啥时写的了。

很好的资料，学习了。

值得学习                              
顶一个

学习了，难得的资料。

很好的资料，学习了

挺不错的，学习学习！

多谢楼主分享。