8位半萬用表大比拼

1、8位半萬用表大比拼 2008-06-14 17:34 要了解8位半這種目前精度最高的數(shù)字萬用表，就不能不了解8位半萬用表的歷史，但限于個人認(rèn)知，很多歷史背景并不了解，所以錯誤在所難免，如果您知道事實，敬請指正。雖然我可能不是最適合寫這篇文章的人，但我仍然愿意拋磚引玉，吸引更多大牛參與進來，相互學(xué)習(xí)。1. 歷史第一臺8位半萬用表相信是英國Solarton生產(chǎn)的7081，采用多斜積分轉(zhuǎn)換技術(shù)。Solartron的萬用表部門后被Schlumberger收購。下圖即為Solartron/Schlumberger推出的7081。但現(xiàn)在schlumberger的網(wǎng)頁上已查不到7081，市面上只有二手流通。

2、要了解Schlumberger,就不得不提及Willtek，且看下面的介紹。威爾泰克通訊技術(shù)有限公司的發(fā)展軌跡可以追溯到1957年，當(dāng)時由一群工程師在慕尼黑南部創(chuàng)辦了最初的公司。幾年后該公司被Schlumberger收購，并管理公司達36年之久。1994年Schlumberger把公司賣給了Wavetek公司，同時將美國印第安那州的團隊并入。1998年，Wavetek公司與德國的Wandel&Goltermann公司合并成立WWG公司。兩年后美國Dynatech公司買下了WWG公司，并將它與其子公司TTC合并。Acterna公司由此誕生，該公司在世界各地擁有員工4800名。其無線網(wǎng)絡(luò)部

3、的一個分部無線電儀器部2001年接管了英國的Chase通訊公司以及它的無線空中接口業(yè)務(wù)。在2002年，Acterna公司管理層通過MBO，剝離了它的無線儀器部門。2003年3月，Investcorp公司購得其多數(shù)股權(quán)，為Willtek公司融資，用于開拓公司的新產(chǎn)品和新市場。Willtek 于2005年7月成為Wireless Telecom Group, Inc. 的全資子公司。圖1，Solartron/Schlumberger 7081英國的Datron是第二個推出8位半萬用表的廠商，最早型號是1271,同樣采用了多斜積分技術(shù)。Datron在92年被wavetek收購，推出了共有品牌的128

4、1。2000年Fluke又收購了wavetek，在1281的基礎(chǔ)上，進行了改進，于2002年推出了自有品牌的8位半萬用表8508A，號稱要與Agilent的3458A火拼。這款儀表的命名也是以考級數(shù)字多用表命名，瞄準(zhǔn)的目標(biāo)用戶是校準(zhǔn)實驗室。圖2 Datron 1271圖3 Datron 1281圖4 Wavetek 1281圖5 Fluke 8508A德國Prema也推出過8位半萬用表6048。關(guān)于prema 我知之甚少，只了解到它是一家老牌的精密數(shù)字儀表生產(chǎn)廠家，代表產(chǎn)品為萬用表。天水長城電工儀器廠曾組裝生產(chǎn)過其5000，6000系列5位半，6位半，以及5017 7位半萬用表。由于引進的早現(xiàn)

5、國內(nèi)仍有使用。網(wǎng)上關(guān)于Prema 6048的介紹很少，以下鏈接有比較詳細的介紹。http:/www.ohh.de/6048.htmhttp:/www.ohh.de/5610.htm不過可惜的是，prema目前已退出測試測量市場，關(guān)注于模擬IC和混合信號ASIC和ASSP市場，網(wǎng)站。也就是說目前市場上流通的prema萬用表均為二手。圖6 Prema 6408Agilent在很早之前就推出了8位半萬用表3458A，一推出就以其無與倫比的穩(wěn)定性和高速測量成為實驗室的傳遞標(biāo)準(zhǔn)，這個情況一直持續(xù)到2002年Fluke推出8508A。但其0.1ppm的積分線性、0.01ppm的微分線性（類似No miss

6、ing code）指標(biāo)，目前還是無人能比。圖7 Agilent 3458AKeithely后來也推出了8位半萬用表2002，這款儀表的突出優(yōu)勢在于直流電壓檔跟它的很多納伏表一樣具有1nV的靈敏度，電阻檔具有100nOhm的靈敏度，以及-200-1820溫度測量范圍，并在整個范圍內(nèi)都保持了最小0.001分辨率，保持了8位半模式下最快的測量速度。圖8 Keithley 2002日本的Advantest也推出了自己的8位半萬用表 R6581，大體參數(shù)和Agilent的3458A差不多，最有特色的是其電流檔，直流電流有最高靈敏度100fA,但交流電流檔的頻響卻只有5kHz,比其它表差了很多。目前的最新

7、型號R6581D，去掉了R6581的所有交流測量能力，只支持直流和電阻檔位。http:/www.adc-tech.co.jp/techinfo/product/end_of_sale/R6581D/co_R6581D.html圖9 Advantest R6581所以現(xiàn)在市面上能見到的在產(chǎn)的8位半萬用表就只有4種：R6581,2002,3458A,8508A2. 對比常規(guī)參數(shù)這里只對比共同特性，對某一型號特有的功能不做比較。Advantest R6581最大顯示1,199,999,999, 可測試DC/ACV，DC/ACI，R，F(xiàn)，T。性能參數(shù)大體和Agilent3458A相當(dāng)。Keithley

8、 2002最大顯示210,000,000，可測試DC/ACV,DC/ACI，R，F(xiàn)，T。溫度測試支持RTD，熱電偶兩種傳感器，而且在-2001820測量范圍內(nèi)都保持了最小0.001分辨率。但據(jù)說其電流檔不怎么樣。Fluke 8508A最大顯示199,999,999,可測試DC/ACV,DC/ACI，R,T,不支持頻率周期測量。定位為實驗室參考級別的8508A的確有最寬的測量范圍和最高準(zhǔn)確度，尤其是電阻和電流檔。電阻最高支持到20G，電流檔不需要分流器就能支持到20A。但其的缺點是測量速度慢，在8位半模式下需要6秒才能得到一個讀數(shù)。Agilent 3458A最大顯示120,000,000，DC/

9、ACV，DC/ACI，R，F(xiàn)，可以通過數(shù)學(xué)運算測量溫度，支持熱敏電阻和RTD。3458A可謂是經(jīng)久不衰，在所有8位半萬用表里有最快的反應(yīng)速度。在長期穩(wěn)定性上比8508A稍差，但在短期穩(wěn)定性，線性度，噪音以及轉(zhuǎn)移特性方面都有最好表現(xiàn)，并提供了極其豐富的數(shù)學(xué)功能。表1，基本規(guī)格對比表2，特性對比表3，測量速度對比附：八位半萬用表不尋常特性極其應(yīng)用 作者：lymex/thread-7870-1-1.html一、八位半萬用表不尋常特性八位半萬用表是業(yè)界最高分辨的常用電磁計量儀器，基本檔最高年穩(wěn)定度在3ppm左右（Fluke 8508, 10V/20V檔），差一些的有

10、10ppm的（Keithley 2002, 10V/20V檔），而且必須每年檢定。這樣的指標(biāo)在很多場合下是不夠的，不僅因為心理上的1ppm的不確定度上限，更主要是類似的儀器都具備類似的穩(wěn)定度，互相不能測量。因此看來直接用八位半萬用表來進行計量工作是無能為力了，也就是說，自己不能校準(zhǔn)自己。然而，八位半萬用表具備一些不尋常的指標(biāo)超高的特性，而且不需要校準(zhǔn)，可以在整個生命周期內(nèi)由設(shè)計或由生產(chǎn)廠家保證，這些特性包括：1、分辨力很高，與準(zhǔn)確度比余量很大。以最末位字?jǐn)?shù)為單位，3位半到4位半萬用表穩(wěn)定度一般為幾個字到十幾個字，例如某萬用表測量19.99V時，準(zhǔn)確讀為0.5%為0.1V，為10個字。對于6位半

11、的，一般為幾十個字，例如34401A，10V檔年穩(wěn)定度35ppm，分辨為1ppm，因此為35個字。而8位半的就非常高，比如3458A，10V檔年穩(wěn)定度8ppm，但分辨0.01ppm，因此為800個字。2、線性度非常好線性度是高位萬用表追求的指標(biāo)之一，一般其指標(biāo)遠遠高于其年穩(wěn)定度，比如3458A達到0.1ppm，是年穩(wěn)定度的80倍。線性度好，類似一把尺子，不僅平直，而且刻度均勻（盡管每一個刻度絕對準(zhǔn)確度不很高）。3、噪音小例如3458A，10V量程，當(dāng)NPLC=100時（常用），RMS噪音達到了驚人的0.01ppm。4、轉(zhuǎn)移特性非常好，短期穩(wěn)定性比較高。轉(zhuǎn)移特性即短期測量對比特性，能夠在多大不確

12、定程度上對比測量兩個相似的量。這一方面要求噪音小、短期穩(wěn)定性高，另一方面，也要求有足夠高的線性度。例如3458A的10V轉(zhuǎn)移特性為0.1ppm。幾種典型萬用表不尋常特性對比表二、八位半萬用表不尋常特性的驗證1、零點的穩(wěn)定性零點用短路環(huán)測量，實測變動特性不大于0.2V，對于10V就是0.02ppm。零點測量時往往有一個固定偏差，一般在0.2V到0.5V之間，可以自用校準(zhǔn)消除，采用低熱電動勢測試線也可以減少測量的不確定度。這個零點即便不進行消除，也可以在隨后的計算中減去，不影響線性度。2、線性度采用高穩(wěn)定度固態(tài)電壓基準(zhǔn)Fluke 732B和線性度指標(biāo)達到0.1ppm的KVD分壓器Fluke 720

13、A，做了多點對比，結(jié)果在0.1ppm范圍內(nèi)相符。對比時注意，720A的輸出電阻最大為66k，同時與其0.03ppm最大負載誤差上限，要求負載不小于1E12，萬用表的輸入電阻達不到這個要求，因此需要增加一級高輸入阻抗、低失調(diào)的緩沖跟隨器。3、穩(wěn)定性（可重復(fù)性）我們知道，萬用表讀數(shù)的不穩(wěn)定性不僅取決于信號源的不穩(wěn)定性（A），而且取決于萬用表自身的不穩(wěn)定性（B），合成不穩(wěn)定性的計算方法，是A和B取平方和，再開方，與合成不確定度的計算方法一樣。因此，只要讀數(shù)穩(wěn)定，就證明信號源和萬用表自身都穩(wěn)定性。更具體的說，萬用表自身的不穩(wěn)定性不大于其（對任何信號源測量時）讀數(shù)的不穩(wěn)定性。不穩(wěn)定性一般用阿倫方差來表示

14、，以一定間隔測量出一組數(shù)據(jù)，就可以計算出阿倫方差。使用經(jīng)過徹底預(yù)熱的3458A，對高穩(wěn)定度10V基準(zhǔn)源（Fluke 732B）和高穩(wěn)定度標(biāo)準(zhǔn)電阻（IET SRX-10k）進行采樣測量，閘門周期2秒，采樣周期4秒，結(jié)果是均為0.1ppm之內(nèi)（有錄像數(shù)據(jù)）。穩(wěn)定性（可重復(fù)性）的一個直觀理解：比如阿倫方差為1ppm，就是正態(tài)分布=1ppm，意味著讀數(shù)有68%的概率落在中心±1ppm的范圍內(nèi)，或者有95%的概率落在中心±2ppm的范圍內(nèi)，或者有98.8%的概率落在中心±3ppm的范圍內(nèi)。三、八位半萬用表不尋常特性的應(yīng)用1、轉(zhuǎn)移和傳遞轉(zhuǎn)移和傳遞就是對比傳遞兩個很相近的量。計

15、量中常用到10V電壓基準(zhǔn)和10k電阻基準(zhǔn)的對比，就可以利用八位半萬用表不尋常特性來解決。電壓的對比。若被對比的電壓是獨立的，那么就可以采用直接比對的方法，即負極接到一起，正極用小范圍量程的萬用表來測量，這樣分辨很高，對比準(zhǔn)確度也高。但是，有的時候被對比的電壓是不共地的，比如一個多段分壓器，就需要在線分段測量。電阻的對比?？刹捎盟木€法直接測量。與DCC和電橋?qū)Ρ确ㄏ啾?，此方法具有速度快和使用方便的特點。2、同量程量的精確對比比如一個10V和一個7V，需要準(zhǔn)確知道其比例，就不能或不方便用別的方法來對比，而利用萬用表10V檔的超級線性度，就可以很方便的完成，對比的不確定度可以達到0.2ppm（兩次轉(zhuǎn)

16、移不確定度）。這樣對比的一個實際應(yīng)用，就是可以大大提高Fluke 732A/732B的穩(wěn)定性。實際上Fluke 732A/B內(nèi)部是采用7V基準(zhǔn)，然后采用兩只電阻分壓/升壓成10V，因此其穩(wěn)定性取決于兩個部分分別穩(wěn)定性。事實上7V內(nèi)部基準(zhǔn)是非常穩(wěn)定的，但分壓電阻就很難穩(wěn)定，比如標(biāo)價3萬多的Fluke標(biāo)準(zhǔn)電阻742A-10k，其年穩(wěn)定性才4ppm，那么732A/B內(nèi)部采用的電阻不太可能超過獨立的電阻基準(zhǔn)，或者說電阻器件穩(wěn)定到4ppm已經(jīng)接近極限。因此可以確定，732A/B不穩(wěn)定指標(biāo)中，大部分是分壓/升壓電阻的問題。只要我們精確的測定7V/10V比例，就知道了這兩個電阻的分壓值的變化，就可以進行自修

17、正，從而大大提高732A/B的穩(wěn)定性指標(biāo)。3、溫度系數(shù)的測量高穩(wěn)定、低溫飄的基準(zhǔn)和儀器，其溫度系數(shù)非常小，甚至有的遠小于1ppm/。因此如果進行測量，需要很高的分辨，這樣八位半萬用表就有了用武之地。4、老化的測量老化就是電壓、電阻等參數(shù)隨時間長期的變化，一般常用90天、半年、1年作為時間測量單位。高穩(wěn)定度的基準(zhǔn)和儀器，其穩(wěn)定度一般很高，有的每年變化不了幾個ppm，要在短時間內(nèi)進行測量，則變化更小，更需要高分辨的測量。另外，要想進行老化測量，必需具備比被測物更穩(wěn)定的基準(zhǔn)做對比。因為八位半萬用表本身的穩(wěn)定性并不好，不能以其直接測量的結(jié)果為依據(jù)，而是利用其線性度好、轉(zhuǎn)移特性高的特點來測量。如果不具備

18、這樣的基準(zhǔn)，那么就很難測量，或者需要非常長的時間累計才能得到結(jié)果。舉個例子，一個10k標(biāo)準(zhǔn)電阻，第一次測量值是10,000.123，第2次間隔90天后再次測量為10,000.130，即增大了0.7ppm，這就是90天的穩(wěn)定性。假設(shè)用直線外延，那么1年的穩(wěn)定性就是0.7*4=2.8ppm/年。由此可以看到，進行老化測量時其測量值變化特別小，因此對讀數(shù)的不確定度要求就更高。再舉個具體的例子，我的一個國產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)電阻BZ3C/8-10k，穩(wěn)定度指標(biāo)為20ppm/年，出廠檢驗日期為2001年3月。但是，根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)人員介紹，他們不對穩(wěn)定度進行測量，原因是沒有相應(yīng)的測量手段。因此，這20ppm是指標(biāo)值。實際上，電阻出廠時有在20的準(zhǔn)確測量值10000.19，現(xiàn)在再次測量，阻值（折算成20度）為10000.20。因此，只變化了2ppm