DIY高准确度电压基准 [复制链接]

第一部分，概述
电子电路的电压基准最早是用稳压二极管，利用了二极管反向击穿后的非常陡的雪崩电压特性来进行电压稳定，比如国产的2cw14。这类稳压管小电压的具有比较大的负温度特性，高电压的具有较大的正温度特性，稳定度和噪音也比较差。但由于结构简单、非常便宜，目前还广泛用于要求不高的场合。
后来国内高精度的场合大量使用补偿的稳压二极管，用正偏二极管的负向温度系数抵消稳压二极管的正温度系数，2dw7c（后来改型为2dw232）是最典型的高精度的，温度系数小到0.005%/c，即50ppm/c。总体精度为0.1%级别的。
再后来，能带隙（bandgap）集成电路大量出现，比如最常用的lm385-1.2（温漂30ppm/c，电流范围大）、tl431（并联稳压），广泛用于各种电源和电子电路中。另外，伴随着方便且价廉的三端稳压器的大量使用（比如7805，温飘不到1mv/c，噪音大约80uv），使得电源供电水平大大提高。

图1、2，一些常见的稳压管和基准（图上自左向右与表中从上到下对应）
图3，hp3456a 六位半万用表内基准板，用的就是lm399类型的基准（lt1826-1249-5）。据说hp3457a（6 3/4位万用表并可扩充到7又3/4位）内部基准与这个完全一样。
图4，从我的hp 34401a（6位半万用表）的维修手册中可以看到，电路图明确标明基准u403是lm399，而元件列表中的生产部件号正是1826-1249。

第二部分，高精度电压基准器件
但是，作为电压基准，是需要精确保存并复现电压值的，因此要求更高一些，比如：
1、温度漂移要很低，比如10ppm/c以下，甚至1ppm/c
温度是电压变化的大敌，为了对付温飘一般采用两种方法：
a、补偿。有的用电路来补偿，高端的用数字方法，把器件的温度特性记录下来，然后烧到rom里用d/a输出相反的信号来补偿，可以做到1ppm/c
b、恒温。这是比较彻底的解决办法，大部分用片内恒温，也有的是片内提供加热和感温器件需要外部电路配合。也有的干脆做恒温器。

2、长时间漂移（老化）要小，比如每年不变化不超过100ppm，甚至20ppm以下。而对于普通的稳压器件往往不规定老化指标
解决老化的方法，主要是器件的制作工艺，比如深埋。另外，还要进行老化、筛选和选择适当的电路。

3、噪音要低。高准确的电压设备（比如高精度万用表）分辨力高，如果噪音大，那么后几位将总在变动。这就象测量河水的水位，但水位一会儿高、一会儿低，就很难测准。

目前用的比较多的高精密的基准大多都是深埋型恒温的，比如：
a、lm399，这个是恒温和稳压一体的，4脚to46小金属封装，但外边套上一个白色塑料保温罩，比3dg12还要大一些。
lm399广泛用于要求比较高的校准器、电压源和高档万用表里做基准，温度系数不大于2ppm/c（典型0.3ppm/c），稳定度大约每年20ppm（厂家指标每1000小时20ppm），噪音7uvp-p。hp广泛使用的6位半万用表，里面用的就是lm399。
lm399的问题就是工作温度太高而且不可改变。由于外界温度接近恒温温度后恒温将失去作用，而为了抗恶劣环境，因此lm399把恒温温度设置到85c-90c。这样不仅功耗大，更重要的是老化严重，噪音也高。温度高带来的热电动势也高。
当然，lm399也是不同的，有不同的厂家在生产，也有lm299、lm199，还有经过老化或筛选的lm299-20（表示1000小时老化不超过20ppm）等，特性也不太一样。

b、ltz1000，这个是目前最好的器件，是线性公司开发的高准确度基准，采用深埋技术达到高稳定度，同时片内集成了温度传感器和加热器，温度系数达到0.05ppm/c，而且由于控制部分在片外，因此恒温温度可以随意调节。稳定度每年3ppm（3σ），噪音1.2uvp-p，这个指标可以认为比lm399高了一个数量级，因此主要用于高准确度的标准发生器、电压基准和8位半万用表中。但是，好的器件还要求好的电路和好的使用环境。在hp/agilent 3458a万用表中，由于出于工作环境的考虑，把工作温度设置为90度，因此特性受到影响，比如老化、噪音、开机重复性等指标都不是太好，以至于本来3ppm/年的基准器件，在万用表的电压稳定度指标上却是8ppm/年！
数据手册：
http://www.linear.com/pc/downloaddocument.do?navid=h0,c1,c1154,c1002,c1223,p1205,d3044

c、其它基准
---我的fluke 335d（10ppm准确度），里面用了德州仪器（taxas）的一个黑色的体积比较大的恒温基准，没找到资料。
---datron公司生产的zn21，电压9.8v，稳定度5ppm/年，国内有人在用。

图1、lm399，早期用4个lm399（其实有两只lm299）组装的电压基准。这个是1997年年初做的，一直是我最好的标准，当时独出心裁想弄4个搞并联，增进稳定并减少噪音。后来在2000年到2003年，国内杂志上发现有用lm399和类似基准4只进行并联的报道。

图2、早期做的“冷”基准。分别用lm329ah、lh0070-1和lm369dn，为了减少温度漂移，采用微功耗设计。电源变压器的空载电流只有5ma。这个基准的最大优势就是不用预热，开机就可以用，并且由于发热非常小，使用很长时间也不漂移，并可以互相参照。

图3、fluke 335d内部基准

图4、ltz1000，等待使用。

图5、hp/agilent 3458a八位半万用表内部基准板，也是采用ltz1000

第三部分，计量部门用的最高级的固态电压基准
电压基准最早用硫化镉（饱和）标准电池，标称电压1.018v，稳定度普通好一些的10ppm/年，更好的1ppm/年，而最好的控温标准（10只组）可以达到0.1ppm/年。标准电池的弱点是对温度变化敏感，不仅温度系数大（40ppm/c），而且一旦温度变化后，电压的变化有滞后且很难恢复，因此需要长期的高稳定度、高准确度的恒温。另外，标准电池不可倒置，怕晃动，因此不便于携带运输。1v左右的电压也有些低，使得接触热电动势的误差不容易克服。

国际上80年代、国内90年代开始大量采用固体（半导体）标准，具有体积小，电压高（10v），携带运输方便等特点，准确度达到1ppm之内，好的（久经考验的、多组的）可以达到0.1ppm之内，短期特性更好，因此广泛做为地区标准和传递标准使用。之所以采用10v电压为基准，是因为10v附近的电压的质量最好，也容易测量，同时也是10的整数次幂，与常见的校准器、万用表的基本量程接近。

90年代后国际上电压基准采用了约色夫森结（jvs），这是一种低温量子效应的自然基准，只要有条件就可以独立复现，电压开始是10mv，然后很快增加到1v，最后固定在10v。准确度达到0.01ppm甚至更高。由于价格昂贵、运行费用高，因此一个国家也没有几套，主要做原始基准来校验各种次级标准。正因为jvs的出现，标准电池作为保持电压的基准的作用大大削弱，而固态基准的短期稳定性好，便于运输传递，因此标准电池日见淘汰。

目前计量单位广泛采用的固态基准有：
（这些基准都是10v为主，尽管有1v或1.018v，但为分压输出，指标差）
a、英国datron公司的4910/4911/4912，1-2ppm/年。4910是4个独立的基准放到一个机壳内，内部基准采用了linear的ltz1000ch，7v到10v升压采用了先进但复杂的pwm方式，生产于80年代到90年代，二手市场偶见。我目前（2007年9月）进了一台。

b、美国fluke公司从1983年开始生产的第一代老基准，732a，稳定性6ppm/年，后来新的732a有所改进指标提高到3ppm/年。（其实，fluke还有更老的比如730a、731a，但性能一般，很少见）。我国曾进口很多，作为国家、各大区级别的电压基准，目前很多单位仍然在用。国际上用的也很多，但现在逐步被更好的基准淘汰，因此二手市场常见。fluke公司自己的电压标准就从1984年从几十只饱和电池切换到4只732a保存（后来有更新）。我自己一直想进个二手的，毕竟这个是最流行的最经典固态基准，但一直头痛其巨大的体积（深度650mm！重量12.3kg），直到后来添置了仪器柜子后才买了一个。732a内部基准用的是motorola的参考放大器sza 263。

c、fluke公司的第二代基准，723b，1992年发表，稳定性为2ppm/年，现在仍然在生产，报价7万多，体积比732a小了不少（深度406mm，重量5.9kg），而且可以4只成组，年稳定性可达1.2ppm，国内也进口了不少组。
无论是732a还是732b，其基准元件都是采用了深埋补偿型稳压管，通过内部的恒温槽来保证所需要的运行条件。并把其它关键器件（参考放大器、分压器）也密封在恒温槽里，这样的系统对温度变化尽管不敏感，但需要长时间通电保持（否则，断电恢复差异可达到0.5ppm之多），因为其基准器件也工作于高温，经受不起冷热的变化，使用条件比较严格。早期的732b仍然沿用sza 263，但后期的改成了linear公司的ltflu-1作为基准。

d、fluke的第三代基准7000系列，最早是wavetek公司收购datron后利用其491x系列的技术于1998年开发7000系统，根据所配的数量（单：7000m，四个：7004n，十个：7010n）指标为1ppm-1.8ppm/年不等。这系统采用的核心基准器件就是ltz1000，而且工作在相对低的温度：45度，所以对掉电不太敏感，而且采用所谓“退磁”技术，能够大部分恢复掉电前的状态。
2000年wavetek被fluke收购，这个基准就带了过来成为fluke的了，而且基本没有改动。这个系统体积比较小（深度290mm、重量2.1kg）。同时带过来的还有其8位半的1281万用表，这个本来我看好了深圳一家二手的，但找人去买的时候发现是坏的！fluke在英国把1281改造成了目前世界顶级的8位半：8508a。以前fluke还真的没有自己的8位半万用表。
图1、datron 4910，被认为是最稳定的固态基准（之一）。
图2、fluke早期的732a，在其基准实验室，估计是在做基准、做测试、做老化、做样子。
图3、二手市场上的732a。价格一般700usd左右
图4、fluke后期的732b，4个松散组合成734a，报价27万到35万。
图5、6，fluke最新的7000系统，单个价格5万多，最多可以10个组成一套系统（紧密组合）

图6、fluke近期的电压基准实验室。前景稍微模糊的大罐子是约色夫森结基准，架子上还有10多个732a，而右下角部分已经被更小的732b替代了不少。
架子上边有一套7000系统，右上角是低热电动势多路开关。

图7，10v固态电压标准比较表。
（后面给出ltz1000的典型/理想值，以及我自己的目标）

第四部分，我自己的计划

a、以ltz1000为核心，至少做10块相同的独立的电路（板），每块实现ltz1000的最佳表现，组合起来达到更高的要求。按照统计原理，4个组合可以把稳定度和噪音指标提高1倍，9个组合可以成3倍。

b、采用低温恒温，35度到40度之间，因此老化更小、噪音比指标还要好、掉电特性良好。
（甚至可以采取常温恒温，即恒温在25度c，用半导体制冷/加热一体，以便取得更好的性能）
温度漂移：0.05ppm/c（厂家指标）
老化2μv/sqrt(kh)（厂家指标）（折算后为1.0ppm/年以下，9个组合后0.5ppm/年左右）
噪音1.2μvp-p（厂家指标）（组合后0.4μvp-p，如果再加上降噪电路可进一步减少）。

c、用photomos做一组开关，利用计算机 + usb-gpib接口 + 3458a + 自编软件，进行自动参数测试
photomos是一种性能优良的光电器件，类似光偶，有人叫光继电器。一边输入一个很小的直流电后，点亮了内部的led，另一边有串联成组的光电池，把光转变成电压，驱动双向vmos管，则电路导通。vmos管具有开路漏电低（典型不到10pa）、开启后成阻性而无残压、导通电阻比较低的特点。有一款aqy212比较适合，导通电阻0.83欧。


图解过程。
鼻祖文章片段，1990年出自剑桥大学，ltz1000出来不久后的测试结论。可以看到，温度越低则稳定性越好。更主要的是，这个器件在相对低的温度下不怕频繁启停，而且老化也非常低，大多在1ppm/年之内。这篇文章还包含了比较系统的测试方法。

原始电路图（关键元件要求）
这个电路来自ltz1000的数据表，电路并不太复杂，很多元件都是ltz1000内部的，关键元件为r1到r5，其中r1和r4/r5最关键，每100ppm的变化会导致输出1ppm的变化，而r2和r3就不那么严重。实际上，通过我的测试（附图补充中文部分），r1变化对系统影响不大（只有原说明的1/7），r3的变化也非常小（1/7），但r2的变化影响就超出原来的说明。因此，3458a万用表的基准，r2采用了普通电阻属于失策。没想到厂家的数据不仅没有任何余量，而且实际情况还要糟糕很多！
而我在实际应用中，很关键元件选用rj711，关键与比较关键的选线绕，不关键的r3我也选了线绕（实际完全可以选0.1%金属膜的）。

步骤1，面包实验板电路，验证用，已经完成使命。
通过实际装配和测试，得到了核心器件的随各种外界条件（环境温度、恒温温度、电源电压、绝热情况）稳定性等关键指标，也通过改变外围器件，确定了这些器件到底在什么程度上影响总稳定度。

这个电路由于受接触电阻、接触电动势、元件选择的影响，一个月来稳定度大约是10ppm。

补充表格：输出电压最大和最小的差别为0.11mv，为15ppm，但那是发生在初期，大概是测试条件不是很理想（比如3458a的预热时间不够），到后来也很稳定了，每日变化大约1ppm，10天的变化3ppm。
再补充表格：各电参数变化后对输出的影响。有些如厂家所言，但还有一些与厂家数据出入较大。

步骤2，万能板焊接，指标测试用。
面包板的接触并不可靠，而且具有接触电动势，也不能模拟最终焊接时的实际情况，因此，这一步是必需的。通过测试，发现热噪音还是稍大，主要还是绝热不好，同时焊锡的热电动势大。因此，改造了布局，同时找到了低热电动势的焊锡的配方并制作完毕。通过对元器件的进一不测试，发现与手册上给的有较大出入，这个通过在面包板上的电路的复试也得到了确认，以次指导关键元件的定做，而不关键的地方则可以采取普通元件。

这个电路由于受到焊接电动势、个别元件选择以及没有绝热的影响，半个月来稳定度大约是3ppm。


补充表格，看电压变化。第一部分为稍微高温的，因此总电流20ma左右，10天变化正负2.5ppm。第二部分是降低了温度，因此电流也减半，5天稳定度正负2ppm。
应该注意，这个2ppm是基准与万用表的相对差异，因此也包含了3458a的变动或不确定度，而且大部分测量时，万用表并没有进行自动校准（acal，做一次需要18分钟）。

再补充三张图，增加了10v输出（电路板、读数、电路图）。
运放采用op27ez，其中e是最高等级的，失调电压典型10uv，最大25uv，变化不超过每月0.2uv，温飘典型为0.2uv/c（即0.03ppm/c，相对于7v而言）。
分压电阻串，上面采用10k两只（0.01%）并联成5k，下面为10k（0.01%）、2k（0.01%）、15欧+15欧（0.1%）串联，其中一个15欧并联了可调部分（200欧并500欧后，串联500欧可调）。其中4只0.01%电阻的温度系数是筛选匹配的（到0.1ppm/c）。
假设对10k要求是1ppm，那么对2k要求就降低为5ppm，对15欧的要求仅为700ppm，对可调电阻的要求就是7000ppm=0.7%了。

步骤3，制板并定做。用protel se99画的电路板，一共做了30块板，花了140元（其中开板费60元，加工费80元），比我想象的便宜，10天后到货。想想看，这板子的制作工艺还是很复杂的，钻不同位置、各种尺寸的孔，腐蚀，做金属化的透孔，上漆，印刷字母，等等。即便是数控床子，这些过程总要有的。可以看出，电路还是让我改了不少。比如电源电压从15v降低到9v（实际测试，9v时表现完全一样，因为只有运放和三极管直接用电，由于采用低温，则加热器也不需要那么高的电压了），增加了c6滤波，增加了一个补偿输出，r2和r3也采用定制的高稳定线绕电阻（75k），电路板打圈孔以便均温等。

元件的老化和筛选。
元器件都是在生产出来开始使用时老化最厉害，越用老化就越小。因此，有意的提前老化就可以解决以后漂移大的问题。加温和冷冻循环是最常用的老化方法，实效法（就是长时间放置）也很有效但太费时了。以前参观过慈喜的陵墓，说是所用木料都是xxx木，而且都要存放数年以上，这样的建筑才不会变形。老化前先做记号，通过老化后改变很大的可以剔除掉，老化后特性还是不太好的也进行剔除。但核心器件ltz1000就只能先老化，其特性的变化太小了，只能先装上电路，再慢慢测量了。
以下是定做的部分电阻。其中最贵的是黑色的方型的0.5w的rj711，26元/只，温度系数<5ppm/c。而那两只白字的稍小的是vishay的样品，大约150元/只。
其它都是线绕电阻，温度系数都要求是<10ppm的，有好几个类型温漂不满足都退了货。
最下面的一管就是photomos继电器，开路漏电实测<5pa，导通电阻<1欧（驱动电流1.2ma时）。

第2张图为xxx书中对rj711的描述，第3张为rj711实物，第4张为两只vishay的10k和两只rj711的10k的对比（l=0.01%）。
最后一张为vishay的电阻结构图，前半部分电阻体是白色的隔离空间是黑色的，可见右边的调整区（从最大的19%到最小的0.0005%）。后半部分电阻体是黑色的隔离空间是白色的。这种调整方法干脆（要么通要么断），不会像砂轮割槽那样会产生变化。
rj711的定购厂家为济宁正和：
http://www.zhengheele.com/cp_1.htm

参考，3458a内部基准另一个方向，可以看到采用了三个高稳定度、低温飘（<2ppm/c）的vishay电阻。可惜的是，70k的r2和r3是普通电阻，而且这里其中一个可以采用普通电阻。vishay这类电阻非常厉害，最好的达到0.05ppm/c，最差的也是保证2ppm/c。我曾经想买一些，寻过价，最少定50只，每只41美金。

2006-11-30补充图3、图4，拆了一个rj711，在显微镜下看看内部。
可以看到光刻排列，黑色的是电阻体，棕色的是露出的基体（不导电部分）。
可以看出，下面一个大环实际上与上面对应部分并联，把这个大环刻掉，就只有单个电阻了因此增大了总电阻。大图中可以看到8个环，其中三个被刻掉。
表面特性不好，是因为上面有一层防水胶。其实再上面还有一层软硅胶已经剥离（左下还留有部分）。

2006-11-17进度。
今天板子到了，下班后取了回来，晚间做装了10块板，全部一次通电合格。
1、30块板，是鞍山一家做的，一共140元
2、元件准备。其中高精度的几只电阻需要测试温度系数并配对。
3、成品板
4、成品板
5、成品板放大图。其中一个电阻需要精细调整后确定（自己用线绕），不想焊接再拆，因此用线暂时短路。

做这样一个基准得多少钱呀?

强贴留名~~~哈哈

'

做这样一个基准得多少钱呀?

'
我这个基准是10块板的，外加12路电源电路、平均电路、升10v电路、扫描电路、恒温电路、机壳等。
单从1块板讲，元器件价格（30板批量单价）：
ltz1000基准38元（拆机件）
pcb板5元
两只高精度电阻50元
三只次高精度线绕电阻30元
lt1013高精度双运放15元（后来发现有卖拆机的，大约3元）
特殊焊锡4元（ http://www.hellocq.net/forum/showthread.php?t=135958 ）
其它元器件3元
合计145元，还算不错啦。

学习了............

国内某计量部门的电压部门，选自《计量》pp89，老了一些，肯定是上个世纪的。
其中：
fluke 752a是参考分压器，自校准，提供准确的1:10和1:100（0.2ppm和0.5ppm）。
datron 1071是英国的7位半万用表
fluke 845ar是null detector
solartron 7081是英国的8位半万用表。南京有一家有卖二手的，是坏的。
fluke 5440b是多功能校准器。

这个是203所的电压基准（国家副基准）
右边就是1v/10v jvs（约色夫森结电压基准，需要用液氦才能工作）
中间的柜子从上到下是：
hp/agilent 3458a八位半万用表
fluke (?)
fluke 7000系列电压基准
tek2225示波器
guildline（加拿大高联）低热电动势多路扫描开关（32路）
fluke 734a电压基准（四个732b）

在高准确度的电源中，噪音是不可忽略的一项指标。
噪音有的用某频段（常用0.1hz--10hz）的峰峰值来表示，单位是uvp-p。也有用噪音功率密度来表示的，单位是nv/sqrt(hz) 或者nv/(hz)^(1/2)。
噪音大的，在高准确度的万用表上，可以看到末尾几位数总是不稳定。
下面是一组测量结果，可以看到，几个电源基本上是10倍、10倍的差别。

ss-330w，daiwa开关电源，4-15v、30a，10000ppm级别（1%）
vc3050dw，胜利实验电源，0-30v、0-5a，1000ppm级别（0.1%）
zzdm，东明电子邮购稳压电路板，15v输入二次稳压，100ppm级别（0.01%）
it6122，itech 高稳定度电源，0-32v、0-3a，10ppm级别
ltz1000，自装电压基准，0.5ppm级别

不稳定的原因可能多种，比如电源电压变动、电路、干扰和噪音、基准不稳定、负载变化、热+温度变化等。这里的不稳定估计主要是电源电压的变动。到了最厉害的ltz1000级别，因素就是基准和噪音了。

我的一些高准确度电阻。
图1、左边的是vishay的rck02系列，具有0.6ppm/c典型温度系数，0.01%容差，稳定度25ppm最大每年。
右上是拆板电阻，0.005%，实测温度系数均在1ppm/c以下。
右上也是从fluke仪器里面拆的，0.005%，实测温度系数均在2ppm/c以下。其中n1.0就是-1ppm/c的意思，而p1.0是+1ppm/c的意思。这是fluke的标准（这个在fluke 335d和fluke 720a里面都是类似的），用于配对。比如这两只电阻要是并联（再串联一个小ww可调），就可以得到非常稳定的10k电阻（<0.25ppm/c）
这些电阻将用于以后的10v产生电路中。

图2、3458a里面唯一用到的vishay vhp101电阻，年老化达到惊人的2ppm！要知道，国内能买到的实验室电阻基准还是20ppm每年呢。说明：
http://www.vishay.com/docs/63003/vhp100.pdf

图3、正因为有了这个电阻，其1ua电流档的温度系数是其它档的1/5。