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固态电压基准 Solid-state Voltage Reference

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发表于 2009-1-10 09:18:02 | 显示全部楼层 |阅读模式
一、前言

固态电压基准,顾名思义,其内部采用不可流动的半导体齐纳管作为基准原件的。与传统的液态饱和电池比,具有坚固易搬运、温度系数低、输出电压高且标准等特点。尽管目前国家电压标准为约瑟夫森阵列,但由于投资大、使用不便、成本很高,固态基准仍然是计量部门电压保持、传递的主力。

固态电压基准的早期阶段,有很多厂家与品牌,比如HP的735A、valhalla的2734A,Datron的4910/4911/4912,Guildline的4400/4410, Fluke的731B/732A/732B,Wavetek的7000系列。当然到了目前,这些品牌消失的消失,合并的合并,目前还在生产固态电压基准的,几乎只剩下Fluke一家了,悲哀。

HP是仪器老大,而且网上资料很全,可以查到其735A早在1965年就开始生产了。尽管当时还叫transfer standard,只有1V和1.018V,但毕竟是固态基准,况且是恒温的。但遗憾的是,HP没有继续在固态电压基准领域有继续的投入和产品。

Fluke自从70年代初生产731以来,对固态基准业作出了很大贡献。731B是最早生产的成熟、销量很大的固态基准之一。到了80年代中期,高指标的732A几乎成为固态基准的代名词,我国也曾经大量进口。

不过,Fluke采用的是Motorola的SZA263补偿齐纳,电压为6.5V到7V,必须用2只电阻分压升压到10V,而Fluke本身一开始就采用稳定性有限的金封线绕一直延用到现在,始终没有找到更好的方法。继732A后生产的732B,尽管指标为2ppm/a,但超指标的很多,用料和实际表现反而赶不上732A。

自从Linear公司1986年左右期研发了LTZ1000基准后,其超强稳定性、超低噪音、超小的温度系数,很快被英国人发现并加以细致的研究,指标得到证实,成为名副其实的超级基准。英国的Datron进行了测试研发,并以此作为自己的主基准,推出了一系列顶尖产品,比如4910/4911、1281/1271、4700/4800,造就了一代英名。这些基准设备即便从现在的眼光看,仍然是顶级的、无可替代的。

然而Datron好景不长,不知何种原因,到了80年代末,Datron被Wavetek收购。当然,Wavetek并没改造原本Datron很成熟的产品,只是加上了自己的名字延续生产。到了1999年年初,在我定的期刊《国外电子测量技术》的第一期第12页上发现了一则消息:英国韦夫特公司研发了7000固态标准,每年只变化0.5ppm,而且可以断电!后来查询Wavetek的网站,下载了当时指标还没有完整的7000系列的彩页(没有三围和重量指标)
7001.gif

从这DS上看,Wavetek仍然采用了LTZ1000超级基准,但新增了几项创新技术,比如统计电阻分压、“消磁”法断电恢复、PhotoMos开关、5号电池备份等反传统概念。这样看来,7000系列给业界一个良好的开端,让固态基准在功能上、性能上得以继续提升。但殊不知,Wavetek此时正与Fluke洽谈被收购事宜。到了2000年1月,Fluke公布以4000万美元收购了Wavetek的精密测试部(也就是原来的Datron)。由于原7000系列与Fluke自己的732B一直是竞争产品,而且7000系列技术新、指标高,但没有Fluke自己的732B市场占有率那么高。Fluke通过收购,消除了竞争对手,使得目前基准市场几乎是一花独秀了。



回过头来看,所有这些厂家的固态基准,输出均带有10V,但其心脏都是一个6.5V-7.2V之间的深埋型稳压管,然后通过某种办法把电压升到10V。

固态基准最重要的指标,就是年稳定性,以ppm/a来表示(每年变化百万分只几)。其次的指标包括温度系数、噪音等。 固态发展.gif


相关文章:
80年代英国人Spreadbury对超级基准的鼻祖级系统测试   mtv1i8p687.pdf (327 KB, 下载次数: 216)
ownV.jpg
 楼主| 发表于 2009-1-10 09:19:04 | 显示全部楼层
二、Datron的固态基准

Datron是英国老牌基准公司,擅长生产高准确度计量仪器,其4910系列固态基准和1281八位半万用表为其著名代表作。
4910系列是80年代末设计生产的,采用了4组电气独立但机械不独立的单元,内部采用LTZ1000CH做为核心元件,稳定度达到惊人的1ppm/a,这在当时是绝无仅有的。大概1987年Linear推出LTZ1000,而在两年多的时间内Datron就能做出空前绝后的4910,实属童话。另外,温度系数0.05ppm/C,低频噪音指标为0.02ppm,这些指标从目前的眼光看也是非常的小。
内部从7V升到10v是采用PWM(脉宽调制)升压法,尽管可能存在滤波和噪音问题,但这种方法的升压比例很有保证,而且不会随时间而变。其实,Fluke早期在其5440A/B电压校准器上也采用了PWM技术,但Datron采用了7阶滤波、两段PWM,使得噪音、可调性和老化得到充分保证。
Datron被Wavetek收购后,在英国的Norwich继续生产4910系列,仅仅是加了一个名字而已。
国内网友个人已经拥有了四套4910,经过对比测试分析,1ppm/年的指标还有很大的余量。
1281-4910p.jpg
own.jpg
spec.gif
int1.jpg
int2.jpg
int3.jpg


网上其它介绍4910的图片不多,以下一个德国的链接很早就有,而且有内部大图:http://www.amplifier.cd/Test_Equipment/other/Datron_4910.html

从维护手册上看,其PWM含7 pole filter的电路图


4910,这里有讨论:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=300

4910的电源原理与锂电替换: http://bbs.38hot.net/read.php?tid=1023

4910的一个维修案例:http://bbs.38hot.net/read.php?tid=6851
 楼主| 发表于 2009-1-10 09:23:11 | 显示全部楼层
三、Wavetek的固态基准

Wavetek在1999年发表了7000系列,实际上就是原来收购的Datron部门开发的。7000系列做到了机械和电器独立,单个指标为1.8ppm/a,4个并联的7004N为1.2ppm/a,10个的7010N指标达到1.0ppm/a。
7001.jpg

内部采用统计电阻法来完成7V到10V的转换,这个转换步骤可以达到0.02ppm/℃以下的温度系数以及0.2ppm/a以下的漂移。另外,Fluke所谓“消磁”训练技术(以在开关机冷启动时维持电压不变)都是从Wavetek买来的。见最后Wavetek的文章。
无论是7004N还是7010N,均带有一个Nano Scanner,具备内部软件系统和扫描器,功能非常强大,

别看上面标签是Fluke,实际是帖牌而已

别看上面标签是Fluke,实际是帖牌而已

Wavetek7000s.jpg
Wavetek7000s3.jpg

10组系统,达到0.8ppm/a

10组系统,达到0.8ppm/a

7010L.jpg

Wavetek7000s4.jpg

基准,LTZ1000

基准,LTZ1000


10V升压技术,统计电阻详见下面文章

10V升压技术,统计电阻详见下面文章
     

---- P1120358s.jpg
P1120346s.jpg
P1120360s.jpg


7转10统计电阻用的是
氮化钽
材料(
tantalum nitride )(TaN)  http://www.evaluationengineering.com/index.php/solutions/instrumentation/qabout-a-voltq-isnt-good-enough.html

John Pickering对7000系列实现技术的描述文章:
DCRefStandards.pdf (82 KB, 下载次数: 224)
 楼主| 发表于 2009-1-10 09:27:24 | 显示全部楼层
  四、Fluke的固态基准

Fluke的固态基准,传统上是基于所谓参考放大器(Reference Amplifier,简称Refamp)的。

Fluke最早使用参考放大器,见于其70年代初的731A,型号是DH80417B,为4脚金封,找不到厂家和资料。

1972年生产的335D电压校准器里,用的是TI德州仪器的恒温参考放大器,内部为摩托罗拉的SZA263。从此,SZA263作为核心器件广泛应用在Fluke的各种基准里。有关Fluke采用元件的历史和方法,参考这里:
http://bbs.38hot.net/read.php?tid=177

Fluke能找到的最早的固态基准,是体积比较大的730A,是4个独立的基准放在一起,具有10V输出,但名字为转移标准,转移参数为2ppm,不具备老化参数。
730A.jpg

后来大约是70年的731A,就把730A拆分了,独立的10V还有更低的电压,也叫转移标准,参数应该一样:
731A-bd.jpg

从外观上看明显的模仿了60年代的HP735A。
731A-1.jpg
   hp735am.jpg

有关731A,几乎没有任何资料,与HP735A比,731A/B增加了10V。从外观上看,与后续的731B很类似。而且,731A非常少见,也许是Fluke在生产A的时候发现了一些问题,很快停产,被后续的731B替代。现在看,731A是大约从1970年开始生产的。到1974年开始生产731B,则731A就停产了。731A没有内壳,更没有恒温,升压电阻用的是裸线绕:
P1050481w.jpg   

731A的短稳和噪音指标也不太好。测试表明,Vpp达到1ppm,而对比的731B就只有1/5左右。
对比e.jpg

随后大约1974年,Fluke生产改进型的731B,改进的内容包括:
名称从Transfer Standard改成了Reference Standard,也具备了30ppm/年的老化指标。
开关带锁,不容易误触发
内部带有内壳
正式采用SZA263作为核心器件
关键的升压电阻采用金封线绕
电路采用了输出缓冲和限流、允许短路。

这些改进,尤其是最后四项,奠定了一个成功的固态基准的必要基础。知道后续的732A和732B,这些改变仍然保留,甚至电路原理都没有什么变化。731B还是非常成功的,体积小,非恒温,耗电少,预热快,性能优异,作为替代标准电池的转移标准,卖出很多,二手市场常见。
尽管指标年稳30ppm,但实际小得多。我手里有3个731B,没有调整过,几十年累计变化都不超过10ppm;指标温度系数1ppm/K,实际也都在0.3ppm/K,
731b-M.jpg
001.jpg
002.jpg
003.jpg
004.jpg
005.jpg     

以下是731B的原理图。由于非常经典,广泛被采用,因此有必要简单介绍一下原理:
Schsp.gif
TP2是10V输出,经过R7(6k2)、R8(11k42)等分压后,再通过U2反馈放大后,由U1进行对比。
CR2是一个电平移位稳压管,使得U1可以在12V供电下输出较低的电压驱动较高电平的Q1;CR1是恒流管,使得电源电压宽范围变化下几乎对输出没有影响;Q1就是一个简单的射随,因此并不产生电压增益,使得整体电路比较稳定。但Q1的射极接了个电流检测电阻R2B,当驱动电流达到大约10mA的时候让Q2导通,拉下Q1基极电位,限制输出,这样就达到了限流目的,不怕输出短路。
以前的731A是直接用运放输出,这样有危险。尽管运放有短路保护,但电流偏大(25mA)、短路电流不能控制,短路后运放发热特性改变,恢复时间慢。
U2的基极是基准的检测点,但内部的三极管有较大的电压放大倍数,反应在集电极的输出上已经放大很多倍,这样对运放U1就要求比较低了,对这对比运放的基准电压(R5、R6与R3对10V的分压而来)也要求下降,因此U2才称为参考放大器。

后来在1983年,Fluke研制了体积很大的732A,电路其实与731A一样,只不过采用了更好的元件,关键部分做了恒温。制造初期指标为6ppm/a,后来提高到3ppm/a。有了732A后,Fluke把自己的电压基准从标准电池转换了过来。同时,这个基准当时由于生产时间较早,没有什么竞争的,因此卖出很多,我国也买了不少。现在国外的开始有陆续被淘汰的,因此二手市场上能见到,包括国内的二手。
732A是第一款能够作为参考基准使用的固态基准,除了采用成熟的电路和恒温技术外,主要是与关键元件的筛选和测试分不开的。
732A2.jpg
001.jpg
002.jpg
1refamp.jpg

后来在1992年,Fluke对732A进行了改进/改造,生产了732B(和734A,为四个732B合在一起)。最显著的变化就是体积。左边实际上是752A,但与732A是完全一样的大小,右边的732B小了很多。
comp.jpg

关键电路采用了贴片,显著缩小了体积与功耗,电池从原来的24V大体积12小时时间变成单个通用(12V 7Ah那种)且能连续使用72小时。另外,可以把4个732A放到一个壳子里形成734A(但仅仅是放到一起而已)。指标从3ppm/a修改到了2ppm,这个有点勉强了。
DSC_6168mss.jpg
03.JPG
02.jpg
11.jpg
16.jpg
19nar.jpg
20a.jpg       

从732A到732B,尽管有很多改进,但也不足:
关键元件有所退步。732A大量采用金封,而732B用了很多薄膜电阻。更关键的是仍然采用几十年前的金封线绕,而且除了732B外别的Fluke仪器已经不再使用了,造成Fluke曾经自豪的金封线绕产量骤减、材料供应和测试等相关岗位得不到足够的重视,使得后期阶段的金封线绕质量下降。我有5只732B,经过测试,其中3只年稳超标。由于同时测试了内部的7V没有问题,因此超标的原因就在于升压电阻。另外,这5只中的3只,后端曾经无端冒烟被烧毁,经过检查是内部的瑞士产滤波器故障(内部电容短路),成为732B的通病:http://www.gfjl.org/viewthread.php?tid=64579
302.jpg
这也说明这个时期的Fluke,产品质量不如以前了。
 楼主| 发表于 2009-1-10 09:35:20 | 显示全部楼层
五、其它基准

Guildline 4400
高联的4400,具有4组10V,每组10V采用8个LM329AH并联,然后再用电阻法升压到10V。
Specifications :
Outputs: Four at 10V, four at 1.018V,
Influence of Battery Voltage Limit (between the limits of 11.6V and 14V): below noise level,
Noise (0.3 to 10Hz bandwidth): less than 0.1ppm RMS,
Annual drift (each of the eight outputs): First year- less than -3 +/- 2 ppm, Second year- less than -2 +/- 2 ppm,
Temperature Coefficient: less than +/- 0.04ppm/deg C,

001.jpg
002.jpg
003.jpg
004.jpg
005.jpg
07.jpg


Transmille 3000ZR
英国一个相对较小、较新的公司Transmille ,2007年生产的,15V供电,指标2ppm/a。
这款基准厂家介绍的信息非常有限,例如温度系数、工作环境温度等都没有给出: http://www.transmille.co.uk/3000zr.htm
由说法" integrated temperature controlled environments ",猜测是采用LTZ1000的。另外,根据厂家电阻基准的用料表,这电压基准很有可能是用Vishay的金封金属箔电阻进行升压的,然后再分压成1.018V。电池只提供4小时的后备时间,因此容量比较小。RS232端口只用来输入安全码开启基准的。另外,这款基准是唯一一个缺少Guard端子的商品基准。
3000ZR Precision Voltage Standard.jpg
3000ZR Precision Voltage Standard-b.jpg
3000ZR Precision Voltage Standard-L.jpg


对比表格
固态对比表.gif

【全文完】
发表于 2009-1-10 10:50:29 | 显示全部楼层
不错挺好
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发表于 2009-1-10 13:58:55 | 显示全部楼层
进来流下口水
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发表于 2009-12-3 00:16:59 | 显示全部楼层
以前怎么没有注意到这个帖子?
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发表于 2009-12-3 00:33:55 | 显示全部楼层
4910太猛了
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发表于 2009-12-3 10:29:03 | 显示全部楼层
学习学习
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