解剖分析Fluke固态电压基准732B

lymex

一、前言
固态电压基准与传统的饱和电池比，具有坚固易搬运、温度系数低、电压高且标准等特点，尽管目前国家电压标准为约瑟夫森阵列，但由于投资大、使用不便，固态基准仍然是计量部门电压传递、检定的主力。

固态电压基准的早期阶段，有很多厂家与品牌，比如Datron的4910/4912，valhalla的，Fluke的732A。不过到了目前，这些品牌消失的消失，合并的合并，目前只剩下Fluke一家了。
当Wavetek把Datron买下后，并没有延用其4912系列，而是开发了基于LTZ1000的7000系列；Fluke收购Wavetek后，沿用了7000系列，但同时仍然主推自己的732B/734A。

所有这些厂家的固态基准，输出均为10V，但其心脏都是一个6.5V-7.2V之间的深埋型稳压管，然后通过某种办法把电压升到10V。

固态基准最重要的指标，就是年稳定性，以ppm/a来表示（每年变化百万分只几）。

lymex

二、Datron的固态基准
Datron是英国老牌公司，擅长生产高准确度计量仪器，其4910系列固态基准和1281八位半万用表为其代表作。
Datron的老基准4910系列采用了4组电气独立但机械不独立的单元，内部采用LTZ1000做为核心元件，稳定度达到1ppm/a。另外一个达到或超过这个1ppm/a的是7000系统。
内部从7V升到10v是采用PWM（脉宽调制）升压法，尽管可能存在滤波和噪音问题，但这种方法的升压比例很有保证，而且不会随时间而变。其实，Fluke早期在其5440A/B电压校准器上也采用了PWM技术。
Datron被Wavetek收购后，仅仅是加了一个名字而已。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-5-20 23:51 编辑 ]

lymex

三、Wavetek的固态基准
Wavetek的7000系列，做到了机械和电器独立，单个指标为1.8ppm/a，10个指标达到0.8ppm/a。
具备内部软件系统和扫描器，功能非常强大，
内部采用统计电阻法来完成7V到10V的转换，这个转换步骤可以达到0.02ppm/℃以下的温度系数以及0.2ppm/a以下的漂移。
另外，Fluke所谓“消磁”训练技术（以在开关机冷启动时维持电压不变）都是从Wavetek买来的。见最后Wavetek的文章。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-6-7 14:14 编辑 ]

lymex

四、Fluke的固态基准
Fluke最早的固态基准，是体积很大的732A（1983年开始），采用Motorola的参考基准SZA 263，升压部分用的是两只分压电阻。制造初期指标为6ppm/a，后来提高到3ppm/a. 这个基准当时由于生产时间较早，没有什么竞争的,因此卖出很多。现在陆续被淘汰，因此二手市场上能见到，包括国内的二手。
电路上，U2是基准，R7（6.2k）、R8（11.42k）是分压电阻，U1是运放。关键电路采用恒温槽。

[ 本帖最后由 lymex 于 2009-2-27 09:41 编辑 ]

lymex

后来大约是1990年，Fluke对732A进行了改进，生产了732B。最显著的变化就是体积。
关键电路采用了贴片，显著缩小了体积与功耗，电池从原来的24V大体积12小时时间变成单个通用（12V 7Ah那种）且能连续使用72小时。
另外，可以把4个732A放到一个壳子里形成734A（但仅仅是放到一起而已）。

lymex

解剖开始

树林

FLUKE　732B使用了参考放大器，参考放大器是732B稳定的10V输出的参考电压。该10V的稳定度决定于参考放大器的稳定度和决定放大器增益（从而决定输出电压）的线绕电阻器R1，R2的比例稳定度。这个电路提供了低阻抗的通路，可以给出很大的的输出电流而不会给参考电压引入误差。由于设计周到，732B的反馈稳定的10V输出电压的稳定度几乎达到了参考放大器参考电压的稳定度。

lymex

继续解剖。。。。。。。。。。。。

[ 本帖最后由 lymex 于 2008-5-20 23:49 编辑 ]

lymex

电路与分析。
732A还提供电路图，但732B的关键部分就没有详细的电路图了，只有这个内部电路框图。
U4就是稳压管，R401（6.2k固定）和R402（标称14.1k）就是分压电阻，其10V输出的公式是：

V = Vref * (1 + R401/R402)

经过简单的计算可知，假设Vref变动了1ppm，最整体的变动也是1ppm；而R401或者R402任何一个变化了1ppm，对整体的影响是0.3ppm。
那么，这两个分压电阻到底能有多稳定呢？
从我的“有关金属壳密封线绕电阻 ”一文（http://www.gfjl.org/viewthread.php?tid=7587）可以看出，这样的电阻大部分具有8ppm/a的稳定性。Fluke自己最好的电阻基准742A-10k，售价3万多，也只能保证4ppm/a。这里的电阻因此可以设想，也就是5ppm/a的水平，对最后的输出的分量就是1.7ppm/a。因此可以看到，732B的最大的不稳定因素就是分压电阻。电阻分压是个传统的方法、老方法、简单的方法，Fluke能成功的利用在世界销量最大的固态基准上也不容易，但是，的确是落后了。

lymex

五、没有结束的结束语
未来固态基准要如何发展？恐怕很难了，因为Fluke老大已经垄断了，别人进不来了。
Fluke自己能生产第3代固态基准吗？恐怕有也难，因为7000系列有很多优势，也卖的不好。
那么要求更高的场合下将如何办？有瑟夫森阵列呢。现在两极分化很厉害，高的非常高，低的计量部门5700就够了。
看来要想得到更好的基准，只有靠自己了。DIY基准的部分将在时机成熟的时候另开贴描述。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-6-7 15:44 编辑 ]

lymex

更正一下#4的贴，Fluke 在732A里面用的不是自己的稳压基准，而是Motorola的。这个基准就是Fluke称呼的RefAmp（参考放大器）。

事实上，通过解剖了解到，732A用的是Motorola的SZA 263，这与Fluke 5440B里面的完全一样。Fluke在早期732B上也是用的Motorola的（型号没有看清，估计也应该是SZA 263），但到了后期，采用了Linear公司的LTFLU-1，这与Fluke 5720A里面也是一样的（仅后缀有差别）。

因此，Fluke应该没有自己的“参考放大器”。

[ 本帖最后由 lymex 于 2007-8-27 11:52 编辑 ]

LTFLU-1和SZA 263的性能与LTZ1000ACH孰优孰劣呢？
您有关于它们的资料吗？

byang1997

好东西，长了知识了
谢谢！！

lymex

原帖由 weblyang 于 2007-9-7 11:20 发表
LTFLU-1和SZA 263的性能与LTZ1000ACH孰优孰劣呢？
您有关于它们的资料吗？

LTZ1000ACH的资料在网上非常多（搜一下LTZ1000ACH pdf），是内部（可调）恒温的，老化特性是1ppm每年（1σ）。
SZA 263和LTFLU-1从功能上是完全一样的，从Fluke的设备采用情况看，LTFLU-1是后期产品，指标应该比SZA 263更高一些。但是，这两个RefAmp（参考放大器）估计是产量非常少，甚至仅仅是定制的，因此找不到任何资料。
LTZ1000ACH，直接输出的是7V，电路相对简单，但以后若要得到标准的10V还要升压，而且割据手段不同也将在很大程度上影响最终10V。升10V可以用普通分压、统计电阻和PWM三种方法，7001用的是统计电阻（效果很不错），4910用的是PWM（效果最好但也最复杂）。
RefAmp外电路比较复杂因为要涉及恒温，不太好搞。而且这电路必须在内部一次完成升压，输出直接就是10V的，因此那对分压电阻就成了关键。从我对5个Fluke 732B的测试情况看，这个分压/升压的效果很难说，好的可以满足指标（2ppm/年），差的就比较差（超过10ppm/年），这主要是分压电阻老化严重所导致。而Fluke对于高稳定的电阻也根本没什么好办法，他们卖到3万多的标准电阻，指标也就4ppm/年。

我前几天得到一个Fluke早期的校准仪5100B的基准板，里面也用的是SZA 263。我马上要到货一个Datron 4910，被认为是有史以来最稳定的固态电压基准（之一），内部基准到底是什么将很快揭晓。

lymex

Datron 4910固态电压基准，内部用的是LTZ1000CH。与LTZ1000ACH比，内部没有加绝热，这样灵活性增大，适合更专业的场合。
这个基准板，和Datron/Wavetek 1281内部基准，和Fluke 8508A内基准板是一样的。因此，目前主流八位半万用表内部都是采用的LTZ1000做基准。

xuanmic

经典好贴！昨晚拆开8840a看到里面的基准也是ltflu-1ach。

刘国琨

文中所说的参考放大器实际是指稳压管。直接应用是不能得到高指标的。需要筛选。最好的用于732B，其次用于5720、5730....   内部的分压电阻不能直接使用，要挑选配对，还要控温。有对基准电压感兴趣的可以咨询中国计量院张秀增主任，他对稳压管的研究是目前世界一流水平，而且还有实际的应用技术。

fs3357

固态基准指标，稳定性

chenboyou

是一份好资料

河东居士

lymex 发表于 2007-9-7 14:25
LTZ1000ACH的资料在网上非常多（搜一下LTZ1000ACH pdf），是内部（可调）恒温的，老化特性是1ppm每年（1σ ...

LTFLU-1应该是Fluke从linear买的，非常便宜，Fluke对它进行了老化筛选，最高的用于732B，其次用于8508（和732B的差别非常小），一些5位半表也用它，足见该器件有多便宜，Fluke能从这种器件中筛选出最高标准的电压基准，确实牛逼，顺便说一句，LTZ1000和732B上用的LTFLU-1比，差不少，也就是说Fluke的筛选方法linear可能也不掌握。

Tekasen

很好，很专业。

hupeizhong

牛人，就是牛啊。

lymex

河东居士 发表于 2015-1-1 00:17
LTFLU-1应该是Fluke从linear买的，非常便宜，Fluke对它进行了老化筛选，最高的用于732B，其次用于8508（ ...

8508A的基准开始沿用1281的设计，即采用LTZ1000，即便从2008年以后Fluke更改了设计，改成用LTZ1000A，但仍然不是LTFLU-1。
LT是器件生产厂家，不会对基准的老化和筛选有什么研究，但Fluke当然不同。
LTFLU-1和LTZ1000都是LT生产的，而且其核心稳压管部分出自一人之手，是完全相同的设计。
参考这里：
http://www.eevblog.com/forum/pro ... erence-ltz1000/630/

译文，来自：http://bbs.38hot.net/thread-105042-2-1.html
删去了一些与38hot无关的或者坛友们不关心的东西,只保留了有用信息.翻译如下,请大家斧正.

筒子们大家好,
我刚和Bob通完电话,他时间比较紧,所以我没法问完我们的全部问题.我得到答案的问题有以下几个:
1>[供大家参考]LTZ1000数据表里面的那个电路及LTZ的其他应用笔记都是Bob写的,不是Williams.
2>LTZ1000的稳压调整与其说是控制电压还不如说是控制功率.如果你很好的控制功率的话,那么电压稳定性自然而然也就达到了.
3>LTZ1000A和LTZ1000的晶片与封装的连接方式不同,但是他们都和外部的管脚应力很好的隔离开来.管脚机械应力对两个器件都有影响,但是A版本所受的影响要小得多.这种影响主要表现为随大气压变化而引起的输出电压漂移.
4>已经过去了20年,所以他不记得具体的数字了,但是Q1的额定集电极电流只有几百微安.Q2的额定集电极电流有一个毫安左右,齐纳的额定电流还能再多点.
5>他们(本)可以为这个器件制作一个LTspice模型,但是温度变化的影响极难模拟,而且这个产品的市场太小,不足以支撑这个模型的研发.他说最好的办法是把这个电路做出来然后实验决定它的性能.
6>我告诉他我想要一个电压传递基准,他说更好的方法是用至少6个LM399并连起来.他说加速老化的方法就是把这些LM399放在一个125度的烘箱里面工作2周,这相当于1000小时的正常工作时间.(在这个过程中)任何漂移较大的LM399都可以筛掉. LM399比LTZ对PCB机械应力要敏感的多,所以LM399在安装时应该离开PCB的表面一些距离. LM399的长期稳定性直接取决于用在加热器上的能量多少--这可以使用热绝缘得到最小化--热绝缘越好,那么耗费在加热上的能量就越少,长稳就越好. LM399被关闭时不老化,而且也没有回滞,所以在不用这个基准的时候应该把它关掉,在你使用或者校准的时候再提前几个钟头开启.这是保证长期漂移最小化的办法.
7>需要注意的是,对于LM399的设计,在PCB上面开槽和加热绝缘材料是有用的.加热器的功率越小,那么输出电压就越稳定.所以,在这种状况下,开槽和热绝缘是对电压稳定性是有帮助的.哦,他还提到LM399的齐纳电流在1mA是稳定性最好的. 齐纳电流的稳定性越好,输出电压的稳定性越高.他说齐纳电流每变化1uA,输出电压就变化1uV.
8>对于所有的基准而言,他们在高温的老化速度确实较快.所以,因为LTZ1000能比LTZ1000A的工作温度低10度,所以长期漂移在其他外部条件相同的状况下会小一半.但是,A版本有其他的优点,比如大气压对它的影响较小等.
9>对于LM399和LTZ,他说一个较好的加速老化措施是使他们在一个125度的烘箱中工作2周.然后,你可以在正常工作温度下反复开关10-15次电源,这样的话应该会让他们稳定下来.这个过程应该能除去绝大部分的初始漂移.
10>如果很好地绝缘的话,LM339的温飘在0.1ppm/度到0.2ppm/度之间--数据表是非常保守的.注意那些数字表的制造商并没有增加额外的热绝缘措施,当然在上下加上这些材料会更好.
11>他们在准备发布更多的LS8(8脚陶瓷封装)的器件,他们应该今年年底能出来.有一些器件LS8装不下,所以他们会用一个更大的LCC封装,他说1021系列在准备发布的LS8封装的器件之列.
12>LCC封装的引出仍然使用了可伐合金,因此热电势的问题仍然存在.这些器件在安装到板上之后应该隔绝空气流动(就像TO封装的一样).
13>LTZ并不需要像LM399一样在安装时离开PCB板一定距离,因为在这个封装内部有独一无二的抗应力设计.
14>他们不会为LTZ做一个参考设计--这是一个不值得花时间去开发的小众产品.
15>TO封装的内部是干空气(甚至不是氮气).因此可能会导致一些性能退化,但是目前为止还没有任何器件因此退化.
16>LTZ1000比LTZ1000A的功率大得多,所以对于电池供电的设计来说,最好是用LTZ1000A,并且对它进行热绝缘以节省能源.
17>想要在LTZ上得到0温度系数是很可能无法实现的.你需要让Q1工作在1uA,这是不现实的.
18>他说不必要用LTC2057,因为齐纳管的噪声和漂移贡献比LT1013大得多.Bob说你几乎可以用任何运放,而且漂移不会因为使用了精度差的运放而受很大影响.(但是我仍然要用LTC2057,因为他们像爆米花一样便宜,而且噪声很低.在后级电路中我的确需要一个零飘的放大器,因此保持BOM上的元件数量尽量少是更经济的).
19>LTFLU-1和LTZ1000内部的齐纳管是完全相同的.他说即便和Fluke的销售合同之中的排他性部分已经失效了,他们也不会公开销售这个器件,因为他们不想惹毛那个从他们这里每年购买数百万美元的其他器件的客户(暗指Fluke).即便他们真的要卖这个LTFLU-1,这个器件也没有表征数据,而且也没有数据表--仅仅做这些东西就要花很多时间. 总而言之是不会卖的.

祝好,
Ken

zhangbin01a

老大原来在这边都要帖子啊，学习了