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DIY高准确度电压基准 [复制链接]

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离线bg2raq
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3944
只看该作者 60楼 发表于: 2006-11-20
vo想问一个问题 作为测试的仪器的3458的不稳定性能有多大的影响
再做一个阵列 和原阵列做对比校验 性能还能提高多少
就图上的一个阵列 性能能国家技术局的标准源能差多少
离线BG2VO
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5764
只看该作者 61楼 发表于: 2006-11-20
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vo想问一个问题 作为测试的仪器的3458的不稳定性能有多大的影响
再做一个阵列 和原阵列做对比校验 性能还能提高多少
就图上的一个阵列 性能能国家技术局的标准源能差多少
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短回答:
3458a的年稳定性是8ppm,但多年以后就不知道漂移到哪里去了。趁3458a还新鲜、年轻,做个好基准把这电压给传递下来。个人条件有限不可能总去校准,当然我会在我的基准稳定后,找机会去好的计量部门标定一次。
一个阵列从准确度、稳定性上就足够了,可以是1ppm/年。再做一个阵列主要是互相做证,也给自己增进信心。否则你说你准,别人不相信。国际质量单位千克原器,就是一个主基准加上6个做证基准组成。
这个阵列与国家标准局的固态基准比,一点也不差,只不过暂时没有人会承认。我主要用于给自己校准,同时友情免费为别人进行非官方的无证书的“黑”校准。



长回答:
3458a准还是不准,要从时间上分:
1、短期稳定性,比如半分钟测量一次,这个指标上没有说明,我刚才还在测,为0.05ppm级别,主要制约是噪音。
2、短期转移特性,10分钟的稳定性/一致性,为0.1ppm
3、中长期稳定性,3458a,90天指标为4ppm,1年为8ppm。制约因素主要就是老化,而3458a由于基准采用高温,因此老化比较严重,两年就只保证14ppm,再长时间就没有指标了。

我这套东西,设计是基于3458a同样的基准器件和同样的电路(不同之处是主动的改动),而且
a、在选材上进行特别的考虑、筛选和手工测试
b、温度选得很低(40度-42度),因此老化小、开关机冲击非常小(但只能在实验室中使用,适用于18度-28度)
c、采用10只并联,因此各项性能均再提高3倍(比如稳定性好3倍、噪音降低到1/3等)。

简单说,这个东西做好后,各项指标理论上可以是3458a的3倍。但有些东西受限于外界条件,比如热电动势,人家已经是0.05ppm,非常低,基本上到极限了,你也不可能比这再低多少。但我很有信心的把年稳定性(这个指标我认为是最重要的)做到1ppm之内。从最近几天的测试看,这个阵列表现非常好,变动在0.5ppm之内(而且这个变动85%的可能性是3458a的)。再做一个阵列,主要是做验证用,两组一样就说明都准,因为错误的东西很难错到一起去。如果两组稍有差别,那就需要第三个阵列来评价了。不过,一个阵列如果不准,必定内部有个别板有问题。我这个设计要做成扫描记录的(而只测量几mv的压差,因此甚至一个4位半的记录万用表就可以胜任),个别单元出了问题可以很容易判断出来并加以剔除,这就是阵列的好处。

国家标准局主要采用三类电压基准:
1、饱和电池,现在基本被淘汰。我国最好的标准电池就是国家副基准(一组10只),文献中说漂移为0.08ppm/年,这个指标很了不起,但维护起来太难,用了很大的控温的油槽,温度要时刻保持在0.001度的精度,电压低、非标准、不能放电、不能动地方,因此维护和使用极其不便。
2、超导(jvs)标准,这个任何时候复现精度都在0.01ppm甚至更好,没有老化。这样一套设备要200多万,使用维护费用昂贵,一年开不了几次机。开机的目的就是对饱和电池和固态标准校准,做回归或寻找漂移规律。
3、固态标准。现在最常用的是fluke的734a(一组4只的732b),价格每只大约5000美元。人家是老牌子,有口碑,稳定性有保障,因此国内进了不少,单只是2ppm/年,4只可以做到1ppm/年,但也要常年加电。
另外就是fluke 7000系统,这个小巧,16年前就做出来了。10只组可以做到1ppm/年(估计数字偏保守),不必要常年加电。

我这组与7000系列采用相同的器件,相同的办法,恒温温度还要低几度(7000系列是45度),功耗在1/4以下(因此发热小、热电动势小),因此基准本身可以做到0.5ppm/c之内没有任何问题。我的弱项是10v产生。人家可以恒温(成本、体积、耗电都很大),或者可以采用统计电阻(这个找不到),而我只能用高稳定度的电阻筛选配对调节了。

由于个人使用,因此不会像人家有条件可以每隔几个月校准一次,因此希望有机会校准一次可以用10年,这样的话1ppm/年才有意义,否则3458a过了几年就不知道偏到哪里去了。

图1、3458a开机特性。可见,不同时间进行测试读数是不同的。按照说明书,预热要4小时才能达到计量水平,温度系数是0.5ppm/c。
图2、ltz1000的数据表首页。可以看到2uv/开方(kh),这个就是说1000小时变动2uv(0.28ppm),4000小时0.56ppm,一年(8766小时)0.83ppm。
图3、固态基准比较表(增加了功耗)
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离线BG2VO
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5764
只看该作者 62楼 发表于: 2006-11-21
令人失望的运放!
今天定的10只lt1012c高精度运放到了,这个是用来做7.1v缓冲放大和10v产生用的。
本来定lt1012a,后缀不一样,因此只拿了5片回来测试,结果发现只有1片指标符合、1片指标超标1倍,另外三片是坏的!
赶快把我前几天买的拆机的op27/op37拿出来测试,发现op37全都是假的!offset居然都是很多毫伏(应该是最多几十微伏)。

上次10v产生用了ib很小的op27,还算走运。但op27的偏流比较大,难于保证<10na,因此在2k电阻上的压降可能会超过20uv,变化10%就是2uv=0.3ppm了。

经过测试看,前几天买的op177其指标很不错,是目前首选了。

fluke在732a里面用的居然是lm308a,偏流1.5na应合适,offset=2mv偏大,温飘6uv/c也不小但人家用恒温没问题,但没有长期漂移指标。
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离线yyaimin
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25268
只看该作者 63楼 发表于: 2006-11-21
越看越晕,这么高基准干嘛使?
离线BG2VO
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5764
只看该作者 64楼 发表于: 2006-11-21
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越看越晕,这么高基准干嘛使?
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一个字:玩。两个字:爱好。五个字:吃饱了撑的
离线BG6AGB
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915
只看该作者 65楼 发表于: 2006-11-21
呵呵,手上最好的运放也只是op297,肯定是不入lz的法眼啊
离线BG2VO
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5764
只看该作者 66楼 发表于: 2006-11-21
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呵呵,手上最好的运放也只是op297,肯定是不入lz的法眼啊
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op297的offset稍微大了些,但偏流很小,尤其是offset的长期漂移指标非常好,达到0.1uv/月,而其它非自动稳零的运放最好的也就0.2uv/月。这个别说,用在我这里还是很合适,不知道是在哪里买到的?当然,要是a/e后缀就最好,g后缀的要差一倍。
离线bg2raq
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3944
只看该作者 67楼 发表于: 2006-11-22
温度对这个基准阵列有影响吗 影响大吗?
离线BG2VO
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5764
只看该作者 68楼 发表于: 2006-11-22
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温度对这个基准阵列有影响吗 影响大吗?
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首先,这个影响一定有,但非常小,我目前还没测量出来,或者说还没有测量条件。
根据前几天的一些测量数据做成图表见后,横轴是电压(mv,总长为8uv为1.14ppm),纵轴是温度c,经过回归,系数是0.6ppm/c。但这个温度系数大部分应该是3458a万用表的(指标0.5ppm/c),而且更重要的是,这样的整体测量误差也比较大(24小时不确定度为0.5ppm),因此此结果还不能做定量用。

根据指标,ltz1000的温度系数是0.05ppm,外围关键器件的温度系数是<5ppm/c,但影响程度是1%,因此也是0.05ppm/c级别,总体温度系数是0.1ppm/c级别的。我现在还没给这套东西穿任何衣服,将来装到盒子里可以大大减少外界的影响。

要想测量温度系数,需要有两个基准阵列,一个阵列放到恒温箱里面进行温度变化,而另一个阵列与3458a一起保持恒温,然后只测量两个阵列的电压差,这样对万用表的要求就大大降低,6位半的就完全胜任。

图2,由于发现平均电路电阻选择偏小,可能有0.2ppm的影响,因此昨天新做了平均电路背板,把平均电阻加大为5倍(上平均100-->500,下平均4-->20),这样平均电路的影响就减小到0.05ppm之内(当然平均后的内阻也从10.4欧上升到了52欧,但对于200pa的负载影响<0.02ppm可忽略)。改后在12小时内测量了5次(第2图左上角,t1为环境温度,t2为万用表内部温度),看不出来多少规律,最多在0.2ppm/c,而且大于万用表的系数。
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离线bg2raq
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3944
只看该作者 69楼 发表于: 2006-11-22
vo 把泡泡棉拆掉放进防水袋 挤掉空气扔水缸 或者是没有电加热的鱼缸里 可以保证1小时内不用考虑温度的问题
离线BG2VO
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5764
只看该作者 70楼 发表于: 2006-11-22
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vo 把泡泡棉拆掉放进防水袋 挤掉空气扔水缸 或者是没有电加热的鱼缸里 可以保证1小时内不用考虑温度的问题
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是的。我现在的问题并非是怕温度变,而是不想用恒温。很多国内外的基准都用恒温,而且还要持续通电,费电不说,关键是使用不方便,万一掉电还麻烦。这样的非恒温基准,就对温度系数要求相对高了。我希望这个阵列将来用的时候(无论是校准别人还是被校准),加上电经过短时间预热就可以使用。目前的对付温飘的解决办法:
1、找出温度变化的原因加以改正
2、利用回归找规律,手动补偿
3、添加自动温度补偿

我的目标是整体7v基准温飘不超过1ppm。如果能达到0.2ppm/c(现在看很有可能),那么变化5度都没问题,可以适合18度到28度的正常温度。但是,最大的温飘还在后边:10v的产生。弄不好要超过0.5ppm/c。
离线bg2ihr
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572
只看该作者 71楼 发表于: 2006-11-22
burster 6705 里面运放用的是op177f和op77f。
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离线BG2VO
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5764
只看该作者 72楼 发表于: 2006-11-22
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burster 6705 里面运放用的是op177f和op77f。
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哇,校准器都开盖了,布线很有意思,不求最直,但求最短。里面那些圆柱是啥?

现在看,op77/op177是我能找到的最好的运放了。其它的要么偏流太大,要么偏压太大。而这两个都小的(比如稳0放大器7650,cmos运放lmc6001),噪音又太大了。

噪音(0.1hz--10hz),vp-p:
op07/op77/op177:0.35uv,凑合了。
op27/op37:0.08uv,非常理想,但偏流大。
lt1012:0.5uv,稍大,尽管偏压、偏流都可以
7650s/ltc1050:2uv,太大了,尽管偏压、偏流都非常理想。

ltz1000的噪音为1.2uv,平均后为0.4uv,运放的噪音应该低于这个数值。
fluke的732b,噪音指标是0.06ppm/10v,其实就是0.6uv。

网上有一篇文章,是个在国外很有名的人(ron mancini)写的,国内还做了转载(见图1),但他是不适当的引用别人的文章,原文是解决1mhz的噪音的,根本解决不了0.1hz--10hz的噪音。

mancini的不恰当、无用的文章:
http://www.edn.com/article/ca480491.html
(pdf格式: http://www.edn.com/contents/images/480491.pdf

图2:mancini所用的图

最早的文章(解决1mhz噪音问题):
http://focus.ti.com/lit/an/sbva010/sbva010.pdf
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离线BG2VO
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5764
只看该作者 73楼 发表于: 2006-11-22
国内的这文章就是edn翻译的,是我10-1期间在一个付费网站下的(10-1期间花了600元下了百十来篇文章),两次上全。

图2中uf的u没印出来,差100万倍!要是真用上法拉级的电容也真能解决1hz附近的噪音,因为这个与1mhz比也正好是100万倍。
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离线bg2ihr
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572
只看该作者 74楼 发表于: 2006-11-23
圆柱是burster精密电阻。
离线BG6AGB
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915
只看该作者 75楼 发表于: 2006-11-24
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op297的offset稍微大了些,但偏流很小,尤其是offset的长期漂移指标非常好,达到0.1uv/月,而其它非自动稳零的运放最好的也就0.2uv/月。这个别说,用在我这里还是很合适,不知道是在哪里买到的?当然,要是a/e后缀就最好,g后缀的要差一倍。
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前两天出门了,没看论坛.
我的op297是去年夏天在南京买到的,后缀是f,dip8封装,忘了当时买的多少钱了,反正不用我出,不过挺贵的就是了~~~
离线bg2ihr
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572
只看该作者 76楼 发表于: 2006-12-02
最近进展怎么样了?ac-dc电源做好了吗?
离线BG2VO
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5764
只看该作者 77楼 发表于: 2006-12-02
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最近进展怎么样了?ac-dc电源做好了吗?
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前几天出差深圳,刚回来两天还没做呢。
在这之前做了开关扫描板,布线很丑没有办法,用了两个cd4017管脚输出没规律。
扫描板高密度的装到平均板的下面,并找到了正合适的盒子(还没有屏蔽和固定)。这样,试验起来就从外边按按钮就可以测试所有的,包括平均值、内部温度。目前缺10v板了,要装在下面。
有关电源,目前我就用这个单电源9v了,需要再增加一个独立的12v,我想用dc-dc解决。原来是打算用11路独立,那样必须自己做。现在看太麻烦了。具体打算是:
1、买成品220v-->15v、5w变压器
2、整流滤波稳压限流(250ma)成16.8v给li电池充电(在线ups类型)同时供电。
3、一路经7809作为主电源(150ma),
4、另一路经dc-dc生成15v,再用78l12转换成独立的12v、10ma。

尽管大的变压器隔离度不太好,但里面有电池可以用12小时,因此可以做到城市之间携带不断电,而且在校准的时候不用220v电源,这样就没有交流电隔离的问题了。
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离线BG2VO
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5764
只看该作者 78楼 发表于: 2006-12-02
对了ihr,我答应给你弄一个,现在有两个选择。
一个是图中上半部分,就是我原来用万能板焊的,不太规矩,但性能上没有任何问题,而且10v部分也是现成的,并有铝壳,可以直接给你邮寄过去,用一个12v的电源就可以工作。

另一个就是图中下半部分,还没弄呢,要装上变压器和相应的整流稳压、标准板(现成成品),还有10v电路,但缺壳。
那个变压器质量还是很不错的,我初步测量一下,初级次级绝缘电阻在1t欧(1e12欧)以上,因此作为单个基准板是够用了影响不超过1ppm。
不知道长春那边能找到1ppm级别的10v校准吗?我现在的3458a万用表只有4ppm。
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离线bg4agr
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1544
只看该作者 79楼 发表于: 2006-12-03
lz是不是可以利用下这个公司的产品。
http://www.mbridgetech.com/
应该可以进一步提高稳定度