2VO：Agilent 3458A 八位半万用表基准的改动与校准

本系列文章由BG2VO多年前所著，目前仍未被超越，帖到KC供大家参考。


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。