Agilent 3458A 八位半万用表基准的改动与校准

原著:张利民

Agilent/HP 3458A是经典的8位半万用表,很多指标超高,比如无与伦比的转移特性和线性度(0.1ppm),前所未有的噪音特性(0.01ppm)。但也有不满意的地方,比如中长期的稳定性不太好,90天10V电压稳定性指标达到了4ppm,其典型的漂移曲线见图(出自Agilent 3458A校准手册)。从这个曲线也可以看出,基准LTZ1000A具有随时间下降的趋势。这个趋势无论在这里,还是在使用该基准的Wavetek 7000基准的说明中都有体现。反映在万用表中,这个趋势所引起的后果就是读数逐渐偏高。基准偏低1ppm,万用表的读数就偏高1ppm。

通过半年多的测试,也发现自己新出厂的3458A的基准大概变化了5ppm(读数偏大5ppm)。尽管1年的指标为8ppm,但其它一些8位半的万用表做的更好,比如Fluke 8508A和Wavetek 1281,为4ppm/年。
按照3458A内部采用的LTZ1000A基准的老化情况看,典型指标为1ppm/年,怎么就出现这么大的差距呢?

Wavetek对7000系列的指标,预测漂移也是负的。这里,0.8+0.7=1.5ppm就是稳定度,

经过剖析基准电路和所采用的元件参数,发现了原因所在。原来是3458A在设计时为了能工作与恶劣环境,把内部基准的恒温温度设置的非常高,达到了90℃!
从3458A的使用手册可以看到,3458A可以工作在55℃的环境温度下。再加上机器内部的温升(13℃)、LTZ1000A的温升(10℃)和一定的余量,选择90℃就不足为奇了。
然而,从P.J. Spreadbury的文章和后来Wavetek等公司对LTZ1000A的测试表明,温度每增高10℃,长期漂移变大一倍!
因此,若能把温度降低30℃,那么稳定性就可以提高到8倍了(即长期漂移为原来的1/8)。
这样也很方便的解释了,为什么特性非常好的LTZ1000(年漂移<3ppm, 3σ),到了Agilent的手上,为什么变成了8ppm的年漂移了。
因此,只要把恒温温度降低到60℃,理论上就能够达到年漂移1ppm之内。另外,从LTZ1000A的手册上也可以看出,1ppm/a的指标漂移,是在65℃的温度之下得到的,也证实了这一论断。

另外,Fluke 8508A的长期漂移指标做的比较好,是因为用了Datron的原封不动的基准,不仅因为最高工作温度低(40℃,比3458A降低15℃),而且还因为基准是用的LTZ1000CH而不是LTZ1000ACH。这两个基准的差别是ACH的内部有绝热,因此温升有额外的10℃。这样算下来,8508A的内部基准就至少比3458A的降低25℃,因此老化指标能够降低过半也是可以理解的了。尽管3458A也有4ppm/年的高稳定基准选件,但那是经过长期的预先老化和筛选作为代价的。
上电阻与温度的关系

P.J. Spreadbury的测试分析

Wavetek的分析

那么如何把温度从90℃降低到60℃以下呢?就是要调整基准电路的上温度分压电阻。通过计算得知,当把原来的15k改变到12.5k,就可以把温度降低到57℃,可以允许万用表适应于最高33℃的环境温度。
33℃够了吗?对于我来说是的。今年最热的天气已经过去,室内最高温度(不开空调)还没有超过30℃的时候。
那么如何让分压电阻从15k变到12.5k呢,并联一个75k的电阻就正好。我选择了德国品牌的Vitrohm 75k 0.1%电阻进行了并联(图),该电阻指标温度系数25ppm/℃,实际测试<10ppm/℃。
并联的过程很简单。原基准板有预留孔看来就是给并联用的,电阻名字是R412。用吸锡器抽干孔内的焊锡把电阻焊上即可。
有人会问,并联后,由于这个电阻的稳定性和温度系数会不会对基准的输出产生影响?当然会的,但经过评估(过程略,但可以补充),这个电阻在温度正负10℃的变化以及200ppm/年的老化的情况下,对基准的影响均小于0.5ppm。

并联电阻参数

并联前基准照片

并联后基准照片

对基准更改后,其电压也自然要发生改变,实测从原来的7066.10mV变为7056.75mV,变动了-0.132%。测量#105号732B基准,读数从改动前的10.000093V变成了10.013278V。因此,必须在充分预热的基础上进行校准。

好在3458A的校准过程非常简单,只需要一个4线短路环(自制)、10V电压基准(已有)和10kΩ电阻基准(已有)。校准于8月5日星期天进行。
首先校准0点,接上4线短路环,执行CAL 0,校准进行了8分钟。
其次校准电压,接上#105号732B,按照其具体偏离执行CAL 10,校准了大约4分钟。
最后,打算也校准电阻,但发现改动前后对相同的标准电阻的测量值变化很小,不到2ppm,而且是向误差小的方向变化,因此电阻档没有进行校准。

那么,基准改动后效果到底如何?由于改动后测试的时间比较短,因此还不能下最后的结论,但可以分项看一下:
1、长期老化无从测试。必须要等几个月至少半年最好一年才能得到比较理想的得到数据。改动后很可能老化大大的降低,给老化测量带来更大的困难。
2、中短期漂移有较大的提高。以前每天开机5个小时预热后,对电压基准的读数差别比较大,最大达到2ppm以上。但改动后已经10天,这个变动不到0.5ppm,因此有很大的改善。
3、预热时间缩短。由于最终温度的降低,基准达到额定误差之内输出时间也自然缩短
4、低频噪音有所降低。通过连续测量一个稳定的基准,得到一个系列,简单的计算就可以得到标准方差。改动后这个方差有大约25%的下降,表现在两次相邻的读数变动变小。

总之,改动后效果明显,达到了预期目标。尽管这样的改动是以牺牲最高允许工作温度为代价的,但一般实验室条件下使用没有任何问题。

改动前后每天一次对电压基准的测量

开机预热特性

补充资料1,Linear给出的LTZ1000A的典型电路。其中R4=13k就是上温度设置电阻。这个电阻若变化100ppm,对输出的影响是1ppm。因此若在原来15k上并联75k,那么75k变化100ppm,对这个并联电阻的变化就是20ppm,因此对整体变化的影响就是0.2ppm。

补充资料2,剑桥大学P.J. Spreadbury对LTZ1000A的测试文章及某测试曲线。通过这个曲线得到了温度每上升10℃老化加倍的结论。

补充资料3,Wavetek公司J.R. Pickering和P. Roberts的文章:Setting new standards for DC Voltage Maintenance Systems。
该文章描述了其创新的7000系列电压基准的所采用的技术,这个基准的核心正是LTZ1000A。
由于Wavetek被Fluke收购,因此这套系统就摇身一变成为Fluke 7000系列。尽管价格比732B便宜且指标更高,但好象不是Fluke的主推产品。
该文章目前也在官方网站上找不到了,是以前在Wavetek的网站上下载的。

文章中提到了其首创的“消磁”重入技术、“统计电阻法”升压电路,同时也给出一个温度如何影响年稳的测试实例。从这个实例可以看出,一个组的年平均漂移,在80℃的工作温度时为-1.2ppm,但在45℃下为-0.06ppm,低温对降低漂移作用明显。当然,这两个绝对值都非常小,应该是Wavetek把这组基准做了预先老化并剔除了老化过大的单元。

补充材料4,自己的有关电压基准的测试曲线。
除了注明以外,粗实线为10V基准与平均值差值对比的结果,相同颜色的细实线为10V基准直接测量结果,点线为对应内部7V直接测量结果。
其中红色的就是3458A的变化(楼上#5已有),可以看到3458A在改动之前变动相对还是很大的。
橙色粗线为温度(被减去29.5),与下面的一组自制的10V基准(蓝绿色)有着某种互补的相似性,说明这个DIY-10V大约有-0.7ppm/C的温度系数,大概归结为其中的7V-10V升压电阻的问题。
最下面的黄色点线是自己DIY的7V组,可以看出相对很稳定。
天蓝色的这组732B-10V稳定性不太好,22天就下降了近1ppm。最上边的深红色10V也上升了大约0.5ppm。但由于对应的7V基本没有变化,说明732B的不稳定的瓶颈在于7V-10V升压环节,即分压电阻存在问题。这应验了我的猜测,因为Fluke最好的卖到3W多的标准电阻指标才4ppm/年,因此我才把所有的基准的内部7V引出进行测量。换句话说,如果你只有一个10V基准,把7V引出后,若此7V和10V的比例发生了变化,那么应该相信7V,毕竟7V是基础,10V是派生的。
最后,8月3日的测试看来存在尖峰问题。

发表评论