高等级的精密分压器 Voltage Dividers / Reference Dividers简介

原创：张利民？/俞含利？

分压器，顾名思义，就是把高压（通过电阻的方法）改变成低压

目的在于计量、比较、传递。例如要把10V传递到100V，就需要一个精密的10:1分压，把100V分成10V，与基准10V做背靠背的比较，只要10:1分压准确，那么100V就可以很准确。

分压器的参数：
1、最高输入电压
最高输入电压不仅取决于耐压，还取决于最大承受功率。这里只讨论1000V或1100V的最高输入电压的分压器。

2、分压不确定度
分压不确定度有两种表示方法，一种是以输入电压为准，另一种是以输出电压为准，二者可能差别很大
分压不确定度的单位一般是1E-6，即ppm

3、输入电阻
输入电阻就是输入端的电阻。输入电阻低则适合测试低压，因为电压高了功率就大了，发热将引起分压比的变化，同时也对电源是负担。输入电阻高比较适合测试高压，但输出电阻也高了，抗干扰能力下降，泄露电阻可能会对分压比有影响。因此，实际上1000V的分压器的输入电阻都做成100k到4M之间。

4、温度系数
即分压比的温度系数，用ppm/C来表示

5、功率系数/电压系数
即某输入电压下，因电阻发热而引起的变化

6、分压比的老化
这是由于分压电阻老化大小不一样而引起的。以ppm/月或ppm/年表示

7、其它
分压器的类型，分为KVD、Hamon、级联 三种。
是否可以自校准。

  

Fluke 720A

这个是Fluke从60年代定型生产的高精密分压器，到现在仍然在生产，而且没见改型改造。


形式为KVD--Kelvin Varley Voltage Divider, 这是一种巧妙的设计方法，使得后一级的分压电阻成为前一级的一部分，这样在改变后级分压系数的时候前级的输入电阻不受影响，而且越往后级，对分压电阻的要求也越低。
最末位开关，由于是单开关，所以有10档，多了个X=10；中间的开关，由于都是双刀的，因此最大只能到9；第一个其实也只能到9，实际上的确有个10档，但那是给1.1输入用的，特殊需要。平常如果用1.0输入，那么打到10就不对了。
例如，在通常1.0输入的情况下，如果要10%的分压，就打到1 0 0 0 0 0 0，如果要20%的分压，就打到2 0 0 0 0 0 0，，，要90%的分压，就打到9 0 0 0 0 0 0，如果要100%的分压，就不能打到X 0 0 0 0 0 0，而是要打到9 9 9 9 9 9 X。


KVD的一大特点是分压比可以任意改变，最适合在10%到100%之间进行分压。分压比的改变靠7个10进旋钮，最小步进为0.1ppm。这样，这个KVD也可以认为是一个手动的数模转换，而且很长时间以来一直是世界上最精确的DAC。


分压不确定度达到0.1ppm输入值，一度成为计量界的最高标准。
当然，这个0.1ppm是针对输入而言的，也就是说，当输入100V分压成10V的时候，不确定度是100V的0.1ppm也就是10uV，这样对于输出的10V，就是1ppm了。


输入电阻100k/110k，最高输入电压1000V/1100V，这样承受功率就是10W/11W，很大。这得益于内部的一个大油槽，里面封了若干个10k电阻，并且经过严格挑选、配对，使得在这样大的功率下仍然有良好的散热和很小的温度系数。


0.1ppm是自校准后的不确定度。如果不进行校准，1年可以保证1ppm。
自校准是个很好的功能，通过内部自带的电桥可以随时把分压比校准到最佳值。但是，据我所知，校准手续还是比较烦琐，因此大部分人懒得去翻说明书。Fluke的校准说明是英文的，写的不好，因此也恶化了校准过程。我是利用IET的KVD的说明书（写的较好）来校准的，其KVD-700与Fluke 720A几乎完全一样。


以下这4个开关，左边的是巨大的功能选择开关。内部采用多组触点，接触电阻非常小，达到<1毫欧。由于力量很大，绝缘部分容易损坏。第二个是第一级开关，控制油罐电阻。油罐主电阻是12个10k串联的，但每一个内部都是4只2.474k串联，用于匹配和抵消。



第2级是用多只Fluke塑封线绕组成的， 每只名义10k实际9.892k - 0.02%，串联几只小电阻可以调节到正好10k
第3级是用多只Fluke塑封线绕组成的， 每只4k - 0.01%
这两级开关都是镀金的，而且是6组并联！



第4、5、6、7级要求不高，采用非密封线绕，开关也从6组并联减少到4组并联甚至双组  


总之，对这几级的要求逐渐降低，从0.1ppm一直到10%（点击图片可见大图）


能够自校准是720A的一大特色。自校准就是利用内部电桥，把各分压电阻调节到与第一电阻一样，这样分压比自然就正确了。
因此，需要附加的开关和内部电桥。
其实，校准主开关已经表示（最左下），这个是第3级的校准开关。



为了能够校准，必须让各级电阻都作成是可以微调的。  
微调不能简单的串联一个可调电阻进行，否则接触电阻的不确定性就太大了。
例如对于第一级的10k，内部主电阻做成接近10k的9.896k（R305），先串联串联一个小电阻100欧（R1019），然后再在这个100欧上并联阻值教大的（5k）可调电阻（R1017）。而为了调节平滑，不让在调节到0时短路，还要串联一个8.45k的电阻（R1018）。R1020是补充主电阻的误差的。



第2级的调节部分类似，只不过个别电阻不一样



第3级类似，但由于不太重要，也不需要经常调节，电阻比较小



第4级以后不需要调节

720A的补充部分





Fluke 752A

这是Fluke从80年代开始生产的专用参考分压器，目前仍在生产，同样没有替代产品。



与720A不同，这个是个简单的电阻分压器，也可以认为是Hamon分压器，只有10:1和100:1两个分压档，可调的部分和开关与720A比大大减少；同时，分压电阻总值为4M而不是100k，这样就使得开关的接触电阻的影响非常小，分压电阻的发热也小，采用了高等级的金封线绕以及其它相关措施，因此分压不确定度做到了非常高的指标，10:1的不确定度达到0.2ppm输出值，而100:1的为0.5ppm输出值。
相比之下，720A适合10%到100%的任意分压，最好是电压接近的，例如把10V分压成7.056789V，这样误差才与0.1ppm相差不大，在1到0.5的分压比之内，720A的性能优于0.2ppm（输出）。用720A进行10:1分压已经是用到极限了，此时输出的不确定度为1ppm比较大了。720A也更不适合100:1的分压的场合。
然而，752A是非常适合10:1和100:1的分压，而且就是这样设计的。



由于生产年代比较晚，因此采用的设计理念和所用的元件有所突破：
1、三重屏蔽/隔离（外壳：地，内壳：Guard，最内均压屏蔽），这样就使得温度均匀，少受外界暂时气流等变化影响


2、分压保护。采用了额外的保护分压，让这分压的个节点直接接到主分压的外壳上，这样电位一致，达到等电位屏蔽的目的，减少泄露


3、采用了Fluke最高等级的金封线绕电阻，温度系数测试到0.1ppm，实际温度系数大多<1ppm，配对到0.1ppm，等价计算分压系数0.01ppm，可见Fluke是下了本钱的


4、采用“统计”方法分压，全部电阻均采用120k。主分压器是3600k+400k实现10:1分压，其中3600k是30只120k串联的。另外，400k是360k+40k，而360k是用12只120k串并联实现的，40k是3只120k并联的。本来采用相同阻值、相同特性的电阻进行分压就能有良好一致的分压比，再加上多个串并联，就更能使得个体差异进一步减少，才能取得10:1下0.2ppm输出的优异特性。



同样，752A是自校准的。
校准仍然是电桥法，等臂，其中半桥是2只同样的120k电阻。利用开关互换的办法，可以非常精确的把这2个臂调节到一样。


对于10:1校准，左下臂就是下分压的40k，而左上臂是三串三并的上分压电阻360k。换句话说，把这360k拆成3个120k并联，就成为40k，这样可以利用电桥调节成一样，使用时串联起来，就是精确的10:1分压了。



类似，对于100:1档的校准， 是利用了已经校准了的10:1分压的400k作为左下臂（=360k+40k），上分压电阻（3600k）的3组1200k并联也成为400k ，校准成相同，使用时就能保证100:1的分压了。



笔者购买752A，开始是喜欢好奇，但后来发现内部电阻优异，因此又陆续买了3个。
其中一个某开关不太好，而另一个开关朋友想要（他的752A开关坏了），因此我就拆了一个752A，把其中的大部分电阻重新编排，仍然用“统计”方法，做了几个标准电阻。

应该说，用这些电阻做的标准电阻，特性优异，温度系数几乎看不出来，老化也非常小（<1ppm/a）。有关这些电阻已有/将要有详细描述，这里只给出几张照片。







752A的补充


典型单元，用10个120k的电阻串联。每个752A有3块这样的单元，串联成为3600k作为100:1的上分压电阻。这30个120k中，其中一个实际为119.8k再串联了三个小阻值的线绕电阻。


750A

750A是一个早期产品，主要是以标准电池为基础向上传递电压的。与其说成是个分压器，实际上是个电位差计。其功能不仅可以实现从标准电池的1.0186V到常用电压的发生和校准，而且提供了多个常用电压之间的对比。

750A的指标如下：
输入电压（V）：1.1、5、10、50、100、500、1000、1100
输出电压（V）：0.1、0.5、1、1.1、5、10、50、100、500、1000、1100
标准电池电压（V）：1.017000到1.019999，1uV步进
准确度：10ppm/年
可调节度：全可调
分压电流：1mA
温度系数：1ppm/C




对比一下，国内的电位差计都是低压的，比如UJ25尽管说是高压的，实际只能到2V而已，不能利用饱和电池做高压校准。UJ42也一样。
另外UJ25是100ppm的，UJ42是1ppm的，国产的还真没发现中间的10ppm的，而750A正好填充了空白。
750A内部装有电池，提供过压保护功能。

750A的原理

原理图比较大，分成上下2个部分描述。

上部分，包括过压保护（略）

另外就是从1100V开始的分压，属于简单分压，每V是1k，因此电流是1mA，每个节点都可调节，以便校准（不能自校）。



下半部分的左边，延续下来，为10V以下，仍然是简单的分压。
但是，右边是给标准电池用的，分压调节比较精细，因此采用了KVD分压，这一点设计的比较巧妙。



从使用方法上也很简单。比如标准电池为1.01815V，那么就把750A的标准电池端调节到这个电压，二者接上指零仪。
外部某个输入给上电压，比如100V端输入可调节的100V（一般可用Fluke 335D），调节这个100V，让指零仪指零，这样就调节完毕，此时主分压器的电流就是标称的1mA了。因此，各输出都是标称值，例如10V输出、1V输出、50V输出都是很准确的，也包括100V也都是准确的，可以用来校准。

750A的内部 最上部为电池盒，里面的电池很奇怪，是两只6.75V的比较大的水银电池。保护用的。 再往下，是调节部分 中间部分，就是关键的主分压电阻，放在油槽里，抽头非常多。 左边是过压保护电路，下面是开关。开关上的电阻都是绿色的塑封线绕。 750A的补充 Datron 4902S分压器 这个分压器被认为是计量界最高等级的分压器，经常在国际对比中使用（例如IEN CCEM-K8 和 EUROMET.EM-K8），据说在中国只有不超过3个，因此很难见到其真实面目。 我们都知道，分压器有三种结构：KVD、Hamon和级联。Fluke 720A是KVD，Fluke 752A是Hamon，而4902S属于级联分压器，一共有100段，每段用了2个20k进行温度系数和老化匹配。 至于分压准确度，是比较高的，24小时0.2ppm，这与752A的10:1是一样的，但比752A的100:1要好不少。 最高输入为1000V，输出可以是900V、800V、700V、、、、100V、90V、80V、70V、、、、10V。 体积并不大，为132x433x327 mm，重量也只有5kg 外观图，找到了一张4902S的照片，来自计量院：XXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/nim/prof/dc/XXXXXXXXml 上面就是4902S，中间的就是文中谈到的校准装置，下面的是Datron 4700/4800校准器。 下图来自用户手册： 下图来自Fluke 8508的广告：“Migrating from dc voltage dividers to modern reference multimeters”，最下面的就是4902S 内部图。每只电阻都是Vishay 金封金属箔电阻VH202，用了200只！ 每节是10k，为两只20k并联，再并联一个红色的15M电阻，这样可以让阻值稍微小于10k，因此可以串联一个电阻进行调节。 另外，每一个接点都采用了等电位保护屏蔽，可以有效的防止电路板表面的泄露。 下面是两张其它照片，好象是仿造4902S的 其它分压器 JRL很著名，Julie Research Laboratories，有一款7旋钮的VDR 106/7看来很不错，从x100k到x0.1 全文完