搜索
查看: 24403|回复: 47

高联9975 DCC 电阻电桥

[复制链接]
发表于 2010-9-9 19:41:30 | 显示全部楼层 |阅读模式
目录(贴,名称)
0,谁是高联?
0,DCC 电阻桥?
0,DCC电阻桥,有啥特点和用途?
1,高联9975 DCC的历史和现状
2,9975的指标参数和用途
3,9975的原理
4,9975的外部照片
5,9975的内部照片
6,9975的照片3
7,9975的使用
8,9975的测试
9,9975的改造/改动
A,参考资料


谁是高联?
高联(Guildline)是计量界有名的设备生产厂家,总部在加拿大,主要产品是顶级的计量设备,要求比Fluke的计量设备高得多。
高联的英文(计量)主页:http://www.guildline.com/metrology.php
从这个网页可以看到,他们主要生产电阻基准、电阻测量设备、交直流电流产品、温度测量和控制产品
这个网页的右上角,是高联值得骄傲的最新产品,6622A DCC电阻测量桥
6622A-X.jpg
从这个照片可以看出,测试的电阻显示出9位半数据!因此,也可以认为这是个9位半表。
事实上,6622A的分辨高达0.001ppm,线性高达0.01ppm,基本精度0.02ppm,比最好的8位半高出一个数量级,因此算9位半轻松自然。


DCC 电阻桥?
DCC 电阻桥就是Direct Current Comparator Resistance Bridge的意思,中文翻译成(直流)电流比较仪式电阻桥。
这个“直流”往往被省略。电流比较仪最开始是用于交流的,而后来才发展成可以对比直流,而现在对比精度最好、计量界用的最广的比较仪也是直流的。

DCC自从发明之日开始,到现在的近半个世纪以来、一直是最好的电流对比方法,而DCC电阻桥也就一直是顶级电阻测试、对比设备。DCC和DCC电阻桥是两回事,但有的时候为了简单,称呼DCC电阻桥为DCC。
0原理cn.gif
DCC的基本原理基是变压器磁芯的安匝平衡,与补偿法直流电流钳表或隔离传感器的原理有类似之处。
在一个超高导磁率、低漏磁的环形铁心上以相反的极性绕制主绕组Np和副绕组Ns,主绕组通以直流恒流电Ip,副绕组通以另一个恒流Is,在安匝相等的情况下,达到平衡:
Np*Ip=Ns*Is,即Is/Ip = Np/Ns
铁心上同时绕有一个检测绕组,用方波激励,通过探测2次谐波可以得知安匝是否平衡,如果没有平衡,则自动改变副绕组的跟踪电流源使得安匝达到平衡。
对比电阻Rd(有时也叫Rs)被串联到副绕组的电流途径,而被对比电阻Rx被串联到主绕组的电流途径,两个标准电阻的地端电压端子接到一起,而高位端的两个电压端子接到灵敏检零计上做比较。调节主绕组的匝数,让检零计读数为零,达到电压平衡,这样就有
电阻电压 = Is*Rs = Ip * Rx
所以有Rx= Rs * Is/Ip = Rs * Np/Ns
也就是:
Rx/Rs = Np/Ns
这就是说,电阻值比等于匝数之比。由于匝数可以精确得到、终生不变,因此Rx和Rs的比例也可以精确测定。


DCC电阻桥,有啥特点和用途?
简单说,是超高精度测试电阻用的。
复杂一点说,是进行标准电阻的对比、传递、检定、测量所必备的高精度设备。
DCC电阻桥具有分辨高、线性度好、指标永久的特点。在DCC桥出现之前,电阻的对比都采用各种开尔文电桥(双桥)进行的,例如esi 242D,但这种传统的电桥最适合的测试电阻范围是200欧到1M,对比的不确定度达到0.2ppm。但是,对于小阻值的,例如1欧的对比,就只有2ppm,这就严重限制了从最高级的各国国家标准(1欧)到其他电阻之间的传递。

对于DCC电阻桥,最拿手的范围是小阻值的测试对比,最好的几个量程包括Rs为1欧、10欧、100欧和1000欧,而且,Rx值满度为Rs的11倍,这就允许1:10的直接对比,实现不同10进之间标准电阻传递。

另外,DCC桥可以测试任意阻值,而比率真实可靠不会改变(没听说变压器的匝数会因为时间而变化),同时可以至少进行1:10的直接传递对比(现代DCC桥甚至可以直接进行1:100的直接对比),这就奠定了DCC桥的顶级地位。由于温度的计量和标定往往需要精确的测试任意值小阻值,因此DCC桥自然很快在这个领域大显神通。当电阻标准进入量子霍尔电阻(QHR)时代后,DCC桥的这种特性很快的被用于从霍尔电阻到常规电阻的过渡传递上。当然,后来出现的CCC(低温超导电流比较仪)以非常优异的性能把DCC抛在后面,成为当前顶级的电阻对比手段。不过,毕竟CCC不是一般单位能用得起的,DCC桥这些年来也一直在发展,例如自动化、量程扩展、精度提高、大电流应用等,在高端电阻计量上拥有无可动摇的地位。
 楼主| 发表于 2010-9-9 19:41:41 | 显示全部楼层
高联9975 DCC的历史和现状
1964年,加拿大人N.L. Kusters的电流比较仪获得美国专利 http://www.freepatentsonline.com/3153758.pdf
首次提出用变压器铁心磁平衡原理精确对比两个交流电流的概念。

同年,他在“Comminications and Electronics”杂志上发表文章“A Current Comparator for the Precision Measurement of D.C. Ratios”,把电流比较器推广到直流电流上。

1966年,由S.K. Basu and N.L. Kusters在IEEE上发表DCC测量电阻原理的文章,“A Direct Current Comparator Ratio Bridge for Four Terminal Resistance Measurements,” IEEE Trans. I&M, Vol. IM-15, pp. 212-220, Dec. 1966.
此时,第一代DCC桥已经做了出来,以下就是文章中引用的照片:
第一代DCCRB.jpg
这实际上是开创了电阻计量的新时代,也奠定了现代DCC的基础。当时Kusters在加拿大的国家研究院(National Research Council),也是IEEE的 fellow。

看一下这文章的插图/原理图,并与实物做个对比。这个电阻桥,没表明型号,不妨暂时叫做9910:
9910.gif
9910f.gif
可以看到,这高3位、低3位一共6位,最高分辩1ppm(不是很高,9975多了两个,最高0.01ppm)。同时,接标准电阻的副绕组也可以微调(可调范围是1%,应该是-0.5%~+0.5%),这样可以设置标准电阻阻值,就可以在旋钮上直接读出被测电阻值了。尽管没有见到9920的照片,但估计也沿袭相同的做法,因为国产的QJ55也同样有两排设置旋钮。当然,后面可以看到,9975把第一排旋钮取消了(QJ58也取消了)。
另外也可以看出,这电桥提供了100T(1A)、10T(10A)甚至是1T(100A)的绕组,可以方便扩展。这一点貌似其他的桥都没有考虑。这些绕组的接法,难道是直接把整数的高位替换?那样的话,电源要外接了。


1970年,N.L. Kusters的DCC电阻桥获得美国专利 http://www.freepatentsonline.com/3490038.pdf
事实上,这个专利是1967年申请的。以下这个专利里的原理图,与上述文章中的原理图类似,后续所有有关DCC的原理介绍,几乎都与这框图相同
US3490038.gif

在9975背面的铭牌上,刻印着这个专利以及其它诸多相关专利
pat.jpg

高联在1966年推出全球首个商品化DCC电阻桥9920
9920p.jpg

下图是与9920相似的9930 DCC电位差计
image016s.jpg

Advantest的实验室也有9930
advantest0.jpg

我国也曾经进口过9930
DSCN9847s.jpg


1970年(也有一说是1968年),高联推出9975
G9975.jpg

9975是一款非常成功的DCC电阻桥,在世界各地销售很多,例如Fluke在一次国际计量会议上的论文,首先就提到9975
Fluke.gif

我国也进口过9975,在1988年的《直流电阻箱检定规程》提到用9920和9975检定电阻箱的原理
直流电阻箱检定规程1988.gif

北京航天计量测试技术研究所在2006年仍然在使用9975
北京.gif

甚至,能找到9975的翻译手册,尽管很蹩脚
手册.jpg

高联在其主页的历史描述中也提到9975。
about.gif

两个顶级电磁学计量仪器的生产厂家高联和MI都在加拿大,看来与这段历史有关。

目前,作为手动的9975早已被自动的DCC替代,因此在美国经常能看到二手的9975:http://www.avalontest.net/guildl ... sistance-bridge.htm

Fluke也在上述文章中提到,9975精度很高,但存在手动操作复杂、测试大于100k的高阻表现不佳。事实上,DCC都不适合测试高阻,9975的高阻指标算很好了,其它的DCC甚至只能测试到10k多点。但是,作为一代知名经典,9975仍然具有非常高的收藏、研究和实用价值:
----研究。这是款经典的DCC,采用常规分立元件,可以找到使用手册和维护手册,内部结构合理。
----实用。DCC的特点决定了其不变性,老的设备仍然可以达到出厂指标,而其0.2ppm的基本对比精度到现在也令人生畏。
----收藏。这个不必多说。


我国的上海电表厂1978年研制出QJ55,适合1mΩ到1kΩ的对比,精度最高也为1ppm。但这个与9975比,从外观上有较大差异。
QJ55.jpg


这个是QJ58测温桥,从面板上看与9975几乎完全一样,指标1ppm
QJ58s.jpg



这个是UJ42,的确很像9930
UJ42.jpg


总之,高联9975属于一代经典,40年了,其0.02ppm的线性和0.2ppm的精度,也不比现代的落后多少(高联最新的6622,线性0.01ppm、精度0.1ppm)

高联DCC电阻桥的发展:
9910--->9920--->9975---->6675---->6622A
1ppm->0.5ppm->0.2ppm->0.1ppm->0.05ppm(扩展) ->0.02ppm(扩展)
回复 支持 1 反对 0

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2010-9-9 19:41:48 | 显示全部楼层
9975的指标参数和用途

首先,把9975与目前在产的、最好的DCC电阻桥做一个对比。
厂家型号,  测量对比范围,  最小分辨, 线性指标, 对比精度
高联9975,  0.01Ω-10MΩ, 0.01ppm,0.02ppm,0.2ppm ------1968年或1970年首次发表,现已停产
高联6622A,  0.001Ω-100kΩ,0.001ppm,0.01ppm,0.1ppm -------目前最新产品
高联6622A扩展,0.001Ω-100kΩ,0.001ppm,0.01ppm,0.02ppm -------目前最新产品
MI AccuBridge, 01.Ω-140kΩ,0.001ppm,0.005ppm,0.02ppm -------目前最新产品

然后,以下是9975的指标、参数
9975spec.gif

上面原版的不是很好看,我通过实际操作,重新整理了一下
9975-op.gif

一方面根据实际情况增加了一些中间值,另外也是对测试下限做了扩展,例如Rs=1欧时无需扩展直接可以测试0.1欧,甚至0.01欧。同样,Rs=10欧时也可以直接测试1欧,这样就可以在Rs=10欧不变的情况下,通过测试1欧和100欧,就完成了1欧到100欧的间接对比。别看Rs=10欧下测试Rx=1欧的分辨只有1ppm,但重复性很好、噪音很低、稳定性特佳,最后1ppm盘只要动一格,读数就有可观的变化,这就像用1mm刻度/分辨的尺,只要刻度细,可以很容易的估读到0.2mm一样。所以,我在表里把“精度”估算到0.7ppm。实际仍然保留余量。

噪声电压:1nV 或 1nV/标准电阻的电压
噪声电流:0.3uA或 0.3mA/标准电阻的电流
测试电流:1uA、3uA、10uA、30uA、100uA、300uA、1mA、3mA、10mA、30mA、100mA
所有电流都可以放大1.414倍(双电源),精度1.5%,稳定度0.5%
提供了接20V端钮(外接电源)
电流换向:手动/自动开关可选择4秒、8秒、16秒
备有把电流换向信号加到程序外部电源上的端钮
探测器时间常数:0.3秒、1秒、3秒可选
记录输出:0~10V(1mA时最大)
线路输入:115V/60Hz或230V/50Hz,最大100W
尺寸:宽410mm、高380mm、深500mm
重量:43kg(95磅)
标价:List Price:  $54,000.00

由于9975可以在1:1到1:10的量程内高精度的传递,因此最原始的用途就是在较大范标定和对比标准电阻,包括1:10直接传递。尤其是对比的比例的任意性、高线性,使得可以高精度的对比非整数的电阻,例如温度测量和标定。
另外,DCC天生适合低阻,而原来的主标准都是1欧的,因此9975就成为各国基准实验室的主力。

现在9975的使用价值,仍然在于小电阻和任意电阻的高精密测量。尽管现代高位表发展迅速,在方便性和快速性上无可比拟,但一到小阻值领域就一筹莫展,即便是Agilent 34420和Fluke 3458A,测试1欧附近的小阻值也都有10ppm左右的误差。由于9975具备0.2ppm的传递指标,因此除了更好的DCC或CCC外,还没有别的方式能够替代。
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2010-9-9 19:41:54 | 显示全部楼层
9975的原理

高精度的测试电阻,其实就是对比。
对比两个电阻的方法,可以分成全值对比差值对比两大类。
前者要测试整个的对比电阻,给出一个值,然后测试另一个电阻,再得到一个值,这两个值相减,得到偏差。这样,就要求仪器本深具有足够的分辨和良好的线性。现在最好的常规设备当属3458A,对比10V的时候可达0.05ppm+0.05ppm,但对于电阻的对比指标差得多。
后者就是直接测试差值。例如电压的背靠背方法,把两个电压的负接到一起,测试两个电压的正端,就可以直接得到差值。这种做法的优势,就是差值可以很小,对仪器的分辨要求下降很多,相应的大大的提高了灵敏度。

然而,电阻要想进行差值对比,就不像电压那样容易。
同阻值电阻的对比,可以是串联起来,这样其电流就可以保证一样,然后分别测试这两个电阻的压降,这就是全值对比,对表的要求非常高,另外的缺点是在测试的转换过程中有可能电流变化了。
要想差值对比两个电阻,必须先把两个电阻接成共地,通已相同的电流(或者通以固定比率的电流),让两个电阻的的电压相近,然后测试这个电压差。完成这一方法主要靠各种电桥,其弱点是两个提供电流的电阻难于做到一致,尤其不适合小电阻的对比(电流大、功率大发热)。

DCC的发明改变了这一概念,可以提供一对互相绝缘的、大小几乎完全一样的(或者比例系数固定的)电流源,这样就把两个电阻转变成了两个独立的、代表各自电阻的两个电压源。
然后就可以把两个电阻的某两个电压端接到一起,类似电压背靠背的方法,进行差值测试了。


9975Princ.gif

在一个超强导磁率的环形铁心上绕有3个线圈(实际上是4个,另有一个10圈的辅助平衡线圈)。
主电流源流过10000圈(可调节)的原边Nx,同时流过被测电阻Rx。
辅电流源流过1000圈(固定)的副边Ns,同时流过标准电阻Rs。
理想状况下,当两个安匝方向相反,大小相等,达到平衡,铁心磁通为零。但是,实际上是否完全平衡,可以在AMPERE TURN BALANCE表上有指示。
达到平衡的方法是让辅电流自动跟踪主电流,但在大范围跟踪是不现实的,因此提供了Tracking办法,即用开关+电阻把Nx、Rx的设置值得到,直接对辅电流进行粗设置(开环设置)。当跟踪不足的地方,通过二次调制解调,得到差异信号,再对辅电流进行控制(闭环)。这两个过程后仍然有不平衡的,就要手动调节电位器来达到最终补偿。
为了克服热电动势的影响,测试的时候要持续不断的换向,即流过Rx和Rs的电流不停的反转,这样热电动势就可以被抵消。电流换向可以自动进行,周期可选为4秒、8秒和16秒,也可以手动控制。

调节原边的圈数Nx借此调节Rs中的电流,两个标准电阻的电压达到相等。到底是否相等、相差多少,是靠检零计来实现的。检零计首先是光电的,灯泡LAMP的光在反射悬镜上反射后,到达一个对位置很敏感的一对接收光电池,代表不平衡的位置信号被Nanovolt Detec上tor放大后,先与磁通不平衡信号混合后得到D1,然后再解调平滑后得到D2。这两个信号都可以作为面板指针指零仪显示表的输入,但只有D2可以作为记录输出。其中D1可以认为是交变信号,但带有直流成分,比较综合。其直流分量和交流分量都可以认为是偏差,但代表的意义不同,通过两个电位器来调零;而D2信号只有直流分量,代表Rx/Rs的偏离,因此可以被记录输出,当然,面板的表头也可以接到D2来观察。
D1-D2.jpg


检查原理图的时候,发现了高联一个错误。
首先,电流的设置是按照根号10的步进(也就是3.162)来增加的,同时有个根号2加力档(也就是1.4142)。
Er1.jpg

实现这种1、3.162、10的几何增长,用了1k、2.162k、6.838k串联,其中3.162是根号10,也就是1个10的几何平均。
Er2.jpg

而实现根号2的增加(目的是功率加倍),是在15k电阻上并联一个36.37k
Er3.gif

但计算了一下,恒压下15k并联36.21k时,电流才变为根号2倍,要是并联36.37k,那么电流变为1.4124倍
应该并联:15 /(根号2 - 1) = 15 /(1.4142 - 1) = 15 / 0.4142 = 36.21k
如果并联了36.37k,那么电流就变为1+15/36.37 = 1.4124倍
换句话说,15 / (1.4124 - 1) = 36.37k
显然,高联把1.4142笔误成1.4124了。图纸和实际采用的元件都是36.37k,不是采购错误,也不是焊接错误。
补救的办法,是在这个电阻再并联一个8.4M的电阻
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2010-9-9 19:42:00 | 显示全部楼层
9975的外部照片

拆箱照
e1.jpg

正面
e2.jpg

右侧面(挡板取下)
e3.jpg

右侧面接线板局部
e4.jpg

左侧面
l.jpg

左侧面(挡板取下,可见检零计)
l2.jpg

上面
e5.jpg

后面
e7.jpg

底面
e6.jpg

底下有个洞,可见底板厚度3.08mm
e8.jpg
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2010-9-9 19:42:12 | 显示全部楼层
9975的内部照片

打开后盖。B是检零计,B1是检零计的灯泡罩。F是电源变压器。上面有一排电插槽式路板
i01.jpg


电路板的近拍图
i02.jpg
i04.jpg


从左后侧看进去,其中A是主磁芯
   i09.jpg


近看变压器,同时把检零计灯泡罩子取下
i12.jpg


右面板的均温铝板,10mm厚度
i13.jpg


左侧面板拆下
i15.jpg


拆掉一颗螺丝,这个检零计可以抽出。引线很长,可以保持与主机85cm哦距离
   i14.jpg


检零计内部。这是一个光电放大检零计,输入让悬镜偏转,把光反射到光电接收关再转换成电信号输出。
i16.jpg
i17.jpg   


拆掉前面板,向里面看进去
i21.jpg

前面板上的开关、元件
   i31.jpg

Rx/Rs开关,左边4位是高位,选择11111匝,右边选择0.1111匝 。其中有一层是BCD开关从后面输出
i32.jpg
i33.jpg


右侧开关板内侧
i34.jpg


中间接线部分
i35.jpg

DCC电阻桥最核心的部分:“变压器”
it2.jpg
it3.jpg   

以下是IEEE文章中对此铁心的介绍,可以看到铁心并不大,而是绕线多,最后没有留下多少空间。
铁心是HyMu 80,一种高导磁率的坡莫合金,而黑色的屏蔽是Mumetal,与铷模块用的磁屏蔽材料一样。
it9.jpg


电源模块,可以看到6个变压器
i41.jpg
i42.jpg
其中上面的板上,是两组双电源,变压器的次级都是2×30V,滤波用150uF63V电解,稳压用LM304和LM305,2N4920扩流,输出±31.5V(实测)。这也许就是两个电流源所用的电源。

在仪器的上部靠右,还有两组双电源,与上述类似但参数有别,滤波用470uF电解,稳压也用LM304和LM305,2N4920扩流,输出大约是±12V。估计这两组电源是给所有的放大器用的,主回路和辅回路各一组。
i44.jpg
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2010-9-9 19:42:20 | 显示全部楼层
9975的照片3

外接档位插头,共有两个插头,4端:
it61.jpg
it62.jpg
it63.jpg
it64.jpg
it65.jpg
it66.jpg
Rs>=10k
pin pin, resistor
2 11, 1M55||220k
2 13, short
3  4, short
5  7, short
6  9, 82k
7  9, short
9 13, 3k3
10 12, short
13 14, 2R2
16 17, short
19 20, short



it67.jpg
Range 1M
pin pin, resistor
2 11, 220k
2 13, short
5  7, short
7  9, short
9 13, 3k3
10 12, short
13 14, 2R2
16 17, short
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2010-9-9 19:42:43 | 显示全部楼层
9975的使用
标准电阻测试电流的选择
标准电阻在最严格的场合下,测试电流按照10mW原则进行。
这是一个老原则,因为一般的标准电阻热阻在每瓦1度左右,采用锰铜材料,温度系数最大可以达到10ppm/C,因此,10mW只让内部温度上升0.01度,也就是最多能够带来0.1ppm的偏差。在我国JJG 166-1993 直流电阻器检定规程里,最高的等级的检定功率也是10mW
Power2.gif

美国NIST在其直流标准电阻服务手册里(TN1458),也都以10mW为标准
Power3.gif

从高联的运行参数看,电阻的测试功率也是最大为10mW。
然而,这是一个老标准了,对于温度系数非常小的现代空气电阻,即便精密测试,也可以提高功率。例如很多电阻的温度系数是0.1ppm/C以下的,这样自热效应就比以前的标准好了100倍,即便不提高功率100倍,但提高10倍是没有任何问题的,100mW对于一个大电阻,远没达到过流、过功率、过热会造成微小永久性变化的可能。

9975的使用还是很复杂的,全手工操作。主要的目的是调节各种开关和旋钮,让各种电路达到平衡。
首先要对指零仪进行机械调零,使得反射光线居中,处于最灵敏的位置。
其次要对指零仪进行零点调零,让读数居中
第三要进行安匝平衡调节,在右边的小表显示
再就是要在电流换向的时候进行热电动势补偿调节,让指零仪左右摆动幅度一样。
在以上这些调零过程中,还涉及诸多开关转换、旋钮切换。
测量的时候,调节8个Rx/Rs比例旋钮(实际上要预先测试好、预置好,调节时只改动最后1、2个旋钮),让指零仪在电流换向时左右摆动幅度最小。而且,要调节过渡压制钮让电流换向的时候指针摆幅最小,还要经常性的调节另外一个指零仪平衡让指针平均值居中,也要让随时改变的安匝平衡左右一样。当指零仪偏转变小后,还要提高灵敏度并重复上述过程。

当然,当整体调节接近平衡后,Rx/Rs的最末位旋钮只要动作1个,就会观察到很大的区别,因此可以轻松的读到0.1ppm。根据在平衡点出旋钮变动0.1ppm时指针的动作幅度,甚至可以估计出0.05ppm甚至0.03ppm的细分来。另外,尽管需要调整的平衡钮很多,但发现即便电桥不完全平衡甚至不太平衡,也对最终的结果没有什么影响。因此可以根据经验,通过直观判断来无需完全调节平衡,这样可以快速的得到最后的结果。
DSCN0088s.jpg
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2010-9-9 19:42:51 | 显示全部楼层
9975的测试

首先用特富龙4芯屏蔽线做了两个专用的测试线
DSCN0018s.jpg
DSCN0019s.jpg
DSCN0020s.jpg


然后请出三个托马斯电阻(1欧)
P1050283s.jpg
DSCN0024sp.jpg


两两互换对比了4次,测试温度24.5度。
第一对,以L&N4210-B为Rs,Rx/Rs之比,正的为0.9999993欧,交换后的为Rs/Rx=1.0000004欧。按照说明,两次测试的准确度为二者插值的一半,即+0.15ppm,这也是第一次测试的改正值,因此准确的Rx/Rs为Rx/Rs=0.99999945(也就是二次测试的平均值)。

第二对,仍然L&N4210-B为Rs,Rx/Rs之比,正的为0.9999985欧,交换后的为Rs/Rx=1.0000013欧。
这样,测试的准确度为0.10ppm,准确的Rx/Rs为Rx/Rs=0.9999986

换句话说,以Rs=4210B为基准,另外两个4210的差异分别是-0.55ppm和-1.4ppm。
考虑到这些电阻已经有30年左右的历史,至今仍然能保持着惊人的一致性,因此不得不认为这是历史上最好的电阻之一。美国国家标准局和我国的实物电阻基准,也都采用托马斯电阻。

经过一段时间的测试,发现9975的测试范围比指标的要宽,而且在很多场合下附加误差也很小。
附加误差=电流噪音+电压噪音+ATB不平衡误差+估读误差
范围与误差.gif
回复 支持 反对

使用道具 举报

 楼主| 发表于 2010-9-9 19:42:58 | 显示全部楼层
9975的改造/改动

1、换电源线
原来9975的开关是接面板的,电源进线在最后面,开关开启后这两条很长的带有220V电压的交流电没有屏蔽的与所有的面板信号线捆在一起。要知道,面板的那些线经常流过uA级别的电流(主电流设置通路开关、变压器的弱电流引线等)看起来非常不爽
POW01.jpg

在最初的进线接线处,这两根线是用F4屏蔽线接的,但到了插接件处,再转过去就不是屏蔽线了,不知道原因
POW02.jpg

改造很简单,用一根F4双芯屏蔽线,给换下来。新线的屏蔽接到老线的屏蔽上,老线芯线套上管子不再使用
POW03.jpg

开关处也类似处理,这样感觉好多了。尽管两个指示灯的线(绿色)仍然捆在一起,但那是地线了。
POW04.jpg
其中的细绿线可以看到下面要谈到的电容和电动零点。


2、换 换向瞬态压抑电容
换向瞬态压抑,就是在电流换向时,减少指零仪的瞬时摆动。由于需要一个较大的隔离电容,而且极性在变化,因此用了两个电解反向串联
RevC1.gif
RevC2.jpg

显然,当时若采用薄膜电容体积大价格贵。控制时间常数的那个地方用了1.5uF和6.8uF,不得不用薄膜的,体积都很大了
RevC2.gif
RevC3.jpg

但现在很容易了,找了个22uF的换上
RevC3.jpg


3、纳伏放大器换运放
纳伏放大器很重要的地方了吧?用了两个老式的741。
Nano1.gif

当然,9975大量采用741,除了感觉指标够用了外,也算一致、低成本。也许当时741已经算不错的运放了,或者当时价格也很高。现在对比看,换成OP07很合适,在失调电压、偏置电流、稳定性、噪音等指标上,都是大约10被的提升。尽管换了运放可能不会给精度提高多少,但至少可以增进稳定性,观察起来容易,也不用经常调节了。
Nano2.jpg


4、增加×2电流
高位表电阻档的电流,一般是按照10进制设置的,例如0.1mA、1mA、10mA等。貌似比较理想,但实际上对于10进的标准电阻,很多测试仍然非常尴尬,例如10k可以用1mA则正好10mW,但1k用1mA才1mW,用10mA就是100mW了,要想让1k电阻耗散10mW,必须是3.16mA(根号10),这就是高位表的缺陷。
9975通过把电流细分,让步进为0.316mA、1mA、3.16mA、10mA等等,成功的解决了这个问题。不仅如此,9975还具有任意档的没有10mW这种电流设置是按照根号10的步进增大的,同时有根号2加力档。把所有这些档位组合后,一个10进制里有1mA、1.4mA、3mA、4.5mA、10mA,可以解决大部分问题
I21.gif

然而,画出图来,明显看出有断档现象,一个10进里面缺了两个,看起来很不顺畅,用起来也不方便 。如果再增加×2档(实际×2.1),那么就流畅多了
I22.gif


事实上,这样的电流设置,每一个10进制里有如下电流:1mA、1.4mA、2.1mA、3.2mA、4.5mA、6.6mA、10mA,可以满足任意电阻都能达到功率在4-10mW之间,
增加的时候,把2×2开关改成3掷的,同时使用时注意,100mA档不宜使用×2,以免电流过大。
改动原理。要把原来开关的Com和3位互换,然后在5位接电阻。6作为支架。
Er3.gif
I2.jpg

原来的开关很不错,是2刀6掷的,可以方便的用定位柱扩展。其中位置2、4没有使用,是因为这开关是MBB(Make Before Break)方式,中间空闲后就成为BBM(Break Before Make)
I3.jpg

找到一个Vishay塑料块15k,测试精度达到0.01%以上,比原来的要其高很多。
I4.jpg

安装完毕实际测试,×2电流很准确,达到0.1%之内。在Rs=1、Rx=0.1、100mA下×2也就是200mA时试验测试了一段时间,发热比100mA时严重,关机后马上拆出主电流板,散热器温度大约有70度(室温24度)。不过,短时间貌似没问题,毕竟这电流源是设计成在141mA下可以连续工作的。

5、给9975装电动零点调节

由于要装柜子,而装了柜子后原来的调零是机械的,在仪器右边,装进去就够不到了,所以一直想做个远控的,曾经想到用收音机的拉线
01.jpg

翻箱倒柜找拉线、滑轮的时候找到了一个小减速电机,试验了一下减速比很大(里面有蜗杆蜗轮,另外还有两级齿轮减速)。把旋钮拆下来对比一下
02.jpg

感觉合适,于是开始采用电动方案。在旋钮端部钻了个孔,电机减速后的齿轮有一个突起,对接后正好能嵌进去。
03.jpg

驱动想用锂电。由于用的很少,每次测试断续用几秒就够了,因此电池会很省电,算下来几年都不用充电。找来一节手机锂电。这个锂电很厉害,买来已经有7年了,也没充过电,现在还有3.8V
04.jpg

把电池焊出引线,绝缘好,最后用热缩管套上
05.jpg
06.jpg

再找来一个双刀三位开关,实现反转、停止、正转功能。电的部分焊接完毕后
07.jpg

关键是这个机械部分比较麻烦。用铝型材截下一段L型的支撑,钻眼攻丝装到底板上,减速电机装在L板上,位置通过把孔钻的稍微大一些来移动微调。装好后,试验运行很顺畅
08.jpg
09.jpg

面板找个位置钻Φ6孔,装上开关,大功告成。
原本的调节旋钮本身就是蜗杆蜗轮的,可以转很多圈。另外,使用的过程中是一边观察指针、一边向相反的方向调节,达到接近平衡就停止调节,不会出现过度调节的现象。况且,这个属于粗调,稍微有点偏差也不要紧。面板上还有另外的多圈调零旋钮,进行细调。
10.jpg

面板内部。电池放在下面,用双面胶粘在底板上。电池若充电也很简单,插头从电机上拔下,接上维修电源即可。毕竟充电很不经常,几年都不用充电一次。
11.jpg

6、安装一个电流正向LED
由于ATB和Gal需要经常调零,而调零的方向取决于电流的正反向,所以要一边观察电流表的正反,一边观察被调零表再调节,否则调节的方向反了就越调越大。为了能够简化操作,需要有一个快捷的获得电流方向的途径,可以是:
-------声音提示,正向有一声。但是,声音有干扰,而且不能在正向的时候持续发声,有可能会被忘记
-------LED显示,正向显示红色,负向可以不显示或者显示绿色
用单红色的LED最方便,从时间模块里引出
LED.gif

但是,按照上述方式接上LED做实验,发现有1秒滞后。原来真正的电流反向驱动还有个1秒延时。找到对应的板,发现还没有直接输出,其中OA就是上面的接法,需要接OB才可以。
LED1.gif

拆下这板,正好有个空脚,把R11的高端引出
LED2.jpg

用一根屏蔽线,串联了两个20k的电阻,LED的电流为0.3mA很小,但由于用了超高亮的LED(实际用了绿色的),仍然非常醒目。
0A.jpg
0B.jpg


7、改变某些旋钮位置
前面板其实很空,可以把侧面板的某些操作移动到前面。已经把COMB BAL移到前面(上图),这其实就是调节ATB左右平衡的,放在这个表的下面非常方便。


8、记录输出的数字显示
9975有两个零输出,一个是零平衡(D2),另一个是正反热电动势(D1),用一个指零仪切换观察,不方便。在前面板上装个4.5位的数字表头,就可以显示+-20.000V,分辨到1mV也够用了。已经钻了孔、引了线(上图),等弄来表头一焊接、一粘就好。


9、制作延长板
9975后面有一排小电路板,规格一样,但都是插入方式的,测试、维护、调节都不方便。做一个延长板,就可以把任意一个小板延长出来,元件和各引线就全部暴露,测试与校准所必需。
ext1.jpg
ext2.jpg
回复 支持 反对

使用道具 举报

您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

关于我们|Archiver|手机版|38度发烧友 ( 粤ICP备14041877号-2 )

Powered by Discuz! X3.4 © 2001-2012 Comsenz Inc. Designed by 999test.cn

声明:论坛所有内容均由网友个人自主发表,并不代表本站立场。相关内容仅供参考,由此造成的人身伤害或财产损失均需自行承担。

GMT+8, 2021-9-27 05:09 , Processed in 0.777295 second(s), 22 queries , Gzip On.

快速回复 返回顶部 返回列表