经典贴文之：DIY高准确度电压基准

11年0个月前 IP:未同步

操作

本帖最后由虎哥于 2014-2-18 00:59 编辑

原著：BG2VO

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：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/cp_XXXXm

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。

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。
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXXt/forum/att ... 4/4/XXXXXXXXXtach?0[/img]

下图是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。