一、八位半万用表不寻常特性
八位半万用表是业界最高分辨的常用电磁计量仪器，基本档最高年稳定度在3ppm左右（Fluke 8508, 10V/20V档），差一些的有10ppm的（Keithley 2002, 10V/20V档），而且必须每年检定。这样的指标在很多场合下是不够的，不仅因为心理上的1ppm的不确定度上限，更主要是类似的仪器都具备类似的稳定度，互相不能测量。因此看来直接用八位半万用表来进行计量工作是无能为力了，也就是说，自己不能校准自己。然而，八位半万用表具备一些不寻常的指标超高的特性，而且不需要校准，可以在整个生命周期内由设计或由生产厂家保证，这些特性包括：
1、分辨力很高，与准确度比余量很大。
以最末位字数为单位，3位半到4位半万用表稳定度一般为几个字到十几个字，例如某万用表测量19.99V时，准确读为0.5%为0.1V，为10个字。对于6位半的，一般为几十个字，例如34401A，10V档年稳定度35ppm，分辨为1ppm，因此为35个字。而8位半的就非常高，比如3458A，10V档年稳定度8ppm，但分辨0.01ppm，因此为800个字。
2、线性度非常好
线性度是高位万用表追求的指标之一，一般其指标远远高于其年稳定度，比如3458A达到0.1ppm，是年稳定度的80倍。线性度好，类似一把尺子，不仅平直，而且刻度均匀（尽管每一个刻度绝对准确度不很高）。
3、噪音小
例如3458A，10V量程，当NPLC=100时（常用），RMS噪音达到了惊人的0.01ppm。
4、转移特性非常好，短期稳定性比较高。
转移特性即短期测量对比特性，能够在多大不确定程度上对比测量两个相似的量。这一方面要求噪音小、短期稳定性高，另一方面，也要求有足够高的线性度。例如3458A的10V转移特性为0.1ppm。
几种典型万用表不寻常特性对比表
（亦见后面图）
Fluke 189, HP/Aigilent 34401A，HP/Aigilent 3458A，Fluke 8508A
基本档（年）准确度（ppm），250，30，8，2.7。
最高分辨力（ppm），20，1，0.01，0.005。
分辨力超出倍数（ppm），12.5，30，800，540。
线性度（ppm），n/a，3，0.1，0.1（10V时0.2）。
噪音（ppm），n/a，1，0.01，n/a。
转移特性（ppm），n/a，7.5，0.1，0.22（10V时0.32）。
二、八位半万用表不寻常特性的验证
1、零点的稳定性
零点用短路环测量，实测变动特性不大于0.2μV，对于10V就是0.02ppm。
零点测量时往往有一个固定偏差，一般在0.2μV到0.5μV之间，可以自用校准消除，采用低热电动势测试线也可以减少测量的不确定度。这个零点即便不进行消除，也可以在随后的计算中减去，不影响线性度。
2、线性度
采用高稳定度固态电压基准Fluke 732B和线性度指标达到0.1ppm的KVD分压器Fluke 720A，做了多点对比，结果在0.1ppm范围内相符。
对比时注意，720A的输出电阻最大为66k，同时与其0.03ppm最大负载误差上限，要求负载不小于1E12Ω，万用表的输入电阻达不到这个要求，因此需要增加一级高输入阻抗、低失调的缓冲跟随器。
3、稳定性（可重复性）
我们知道，万用表读数的不稳定性不仅取决于信号源的不稳定性（A），而且取决于万用表自身的不稳定性（B），合成不稳定性的计算方法，是A和B取平方和，再开方，与合成不确定度的计算方法一样。因此，只要读数稳定，就证明信号源和万用表自身都稳定性。更具体的说，万用表自身的不稳定性不大于其（对任何信号源测量时）读数的不稳定性。
不稳定性一般用阿伦方差来表示，以一定间隔测量出一组数据，就可以计算出阿伦方差。
使用经过彻底预热的3458A，对高稳定度10V基准源（Fluke 732B）和高稳定度标准电阻（IET SRX-10k）进行采样测量，闸门周期2秒，采样周期4秒，结果是均为0.1ppm之内（有录像数据）。
稳定性（可重复性）的一个直观理解：
比如阿伦方差为1ppm，就是正态分布σ=1ppm，意味着读数有68%的概率落在中心±1ppm的范围内，或者有95%的概率落在中心±2ppm的范围内，或者有98.8%的概率落在中心±3ppm的范围内。
三、八位半万用表不寻常特性的应用
1、转移和传递
转移和传递就是对比传递两个很相近的量。计量中常用到10V电压基准和10kΩ电阻基准的对比，就可以利用八位半万用表不寻常特性来解决。
电压的对比。若被对比的电压是独立的，那么就可以采用直接比对的方法，即负极接到一起，正极用小范围量程的万用表来测量，这样分辨很高，对比准确度也高。但是，有的时候被对比的电压是不共地的，比如一个多段分压器，就需要在线分段测量。
电阻的对比。可采用四线法直接测量。与DCC和电桥对比法相比，此方法具有速度快和使用方便的特点。
2、同量程量的精确对比
比如一个10V和一个7V，需要准确知道其比例，就不能或不方便用别的方法来对比，而利用万用表10V档的超级线性度，就可以很方便的完成，对比的不确定度可以达到0.2ppm（两次转移不确定度）。
这样对比的一个实际应用，就是可以大大提高Fluke 732A/732B的稳定性。实际上Fluke 732A/B内部是采用7V基准，然后采用两只电阻分压/升压成10V，因此其稳定性取决于两个部分分别稳定性。事实上7V内部基准是非常稳定的，但分压电阻就很难稳定，比如标价3万多的Fluke标准电阻742A-10k，其年稳定性才4ppm，那么732A/B内部采用的电阻不太可能超过独立的电阻基准，或者说电阻器件稳定到4ppm已经接近极限。因此可以确定，732A/B不稳定指标中，大部分是分压/升压电阻的问题。只要我们精确的测定7V/10V比例，就知道了这两个电阻的分压值的变化，就可以进行自修正，从而大大提高732A/B的稳定性指标。
3、温度系数的测量
高稳定、低温飘的基准和仪器，其温度系数非常小，甚至有的远小于1ppm/℃。因此如果进行测量，需要很高的分辨，这样八位半万用表就有了用武之地。
4、老化的测量
老化就是电压、电阻等参数随时间长期的变化，一般常用90天、半年、1年作为时间测量单位。高稳定度的基准和仪器，其稳定度一般很高，有的每年变化不了几个ppm，要在短时间内进行测量，则变化更小，更需要高分辨的测量。另外，要想进行老化测量，必需具备比被测物更稳定的基准做对比。因为八位半万用表本身的稳定性并不好，不能以其直接测量的结果为依据，而是利用其线性度好、转移特性高的特点来测量。如果不具备这样的基准，那么就很难测量，或者需要非常长的时间累计才能得到结果。
举个例子，一个10kΩ标准电阻，第一次测量值是10,000.123Ω，第2次间隔90天后再次测量为10,000.130Ω，即增大了0.7ppm，这就是90天的稳定性。假设用直线外延，那么1年的稳定性就是0.7*4=2.8ppm/年。由此可以看到，进行老化测量时其测量值变化特别小，因此对读数的不确定度要求就更高。
再举个具体的例子，我的一个国产标准电阻BZ3C/8-10k，稳定度指标为20ppm/年，出厂检验日期为2001年3月。但是，根据生产技术人员介绍，他们不对稳定度进行测量，原因是没有相应的测量手段。因此，这20ppm是指标值。实际上，电阻出厂时有在20℃的准确测量值10000.19Ω，现在再次测量，阻值（折算成20度）为10000.20Ω。因此，只变化了2ppm，老化仅为0.3ppm/年。由此看来，这样的电阻老化很小。事实上，该电阻生产规格比较高，填充与金属密封效果很好，因此老化才比较好。另外，也正因为老化小，因此很难在短时间内测量出老化结果。要不是利用了出厂准确值以及出厂后经历了多年，该电阻的老化结果也不可能知道。
四、结束语
以上这些八位半万用表不寻常的特性，主要不寻常在某些参数的高性能，比稳定度指标高出很多。另外，这些指标不需要检定和校准，因为：
A、是厂家保证的，很难出问题；
B、出了问题就属于大问题，即损坏，应修理；
C、检定项目不包含；
D、不能通过校准程序来改善。
理解了万用表的这些不寻常的特性指标，就可以更好的发挥其作用。
[ 本帖最后由 lymex 于 2007-5-27 19:46 编辑 ] |
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