本帖最后由 虎哥 于 2014-2-18 00:37 编辑

本系列经典的文章由BG2VO多年前所著，目前从未被超越，帖到KC供大家参考。


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：
XXXXXXXXXXXXXXXXXXXXX/pc/XXXXXXXXXXXXXXXXXXX?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）