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[台式] 安捷伦34410A改基准为LTZ1000 前期实施与可行性论证

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发表于 2014-1-14 13:46:43 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 y_u_a_n_l_a_i 于 2014-1-14 14:17 编辑

本人出于兴趣爱好在1212月和133月先后购入两台全新的安捷伦34410A台表,经过1年左右的使用,感到这表在使用上的确方便,尤其是数据采集使用的LAN口,让我无须买昂贵的GPIB线束和卡,两根3元钱的网线与家里本就有的4口路由器即可开展两个表同时由上位机采集数据的工作,相对于34401A,无疑34410A操作优点是显著的。但是在做基准的这一年时间里我也发现这两台出厂编码仅仅相差1600多,分别于1291日与121119日校准出厂的机器一些性能上的差异,于是感叹安捷伦测试部的确不是以前的惠普测试部了,它们的确有必要改个名字好好做下去(最近改为了‘是德科技’Keysight Technologies)发扬惠普精神。

下面说到正题,以上提到个体间性能差异的一个重要表现就是开机稳定时间的严重差别。下面两幅图,是我在13417 18日用一个已经输出稳定的LM399电路板对两台机器同时做的上电稳定时间曲线采集。这个板上的LM399是插在插座上的,不用的时候,会把LM399拔下来,用的时候再插上,所以两天的测试值略有不同。

01改动前双表上电.jpg

02改动前双表上电.jpg

通过两次测试可以看出图中的‘下表’(12年12月买的)上电稳定时间大概为1500秒左右(1个测试点为5秒,是100PLC下测的,开了AZ),而‘上表’(13年3月买的)上电稳定时间则为3000~7000秒之间,注意当时室温为26~27℃。后来我的一些测试数据表明,在冬季,成都10℃的情况下,后买的这台表从上电到6位半数据基本稳定,需要差不多3个小时,而最早的那台仅仅需要45分钟左右!过长的稳定时间可能预示着此电压表一些温度特性上的不足。

同时,细心的朋友也可以由第一幅图中看出,在1600~1700点间,紫红色(下表)曲线有一个大概5uV的降落往复过程,然而蓝黑色(上表)曲线相应点却没有。由于测试条件是两个表同时测量一个稳定的LM399基准板,并且是一起开始,100PLC的采样时间,理论上两个表稳定后的数据趋势应该大体一致,那么这段长达35秒(7个数据)的4~5uV数据跌降应该算得上令人吃惊。如果我只有一个表,没有对比参照,我会把这个跌落算在待测源上,但这却不是真实的待测源情况。

后来我做了LTZ1000的基准板,就更不满足于34410A的表现了,在论坛上我时常看到坛友有这样的议论:如果将某某表的LM399基准改为LTZ1000是不是会怎么怎么样呢?但是我从来没有在坛上见到相应的帖子改装介绍与结果描述,估计实施者少之又少,甚至于可能一个没有。于是前几天,我大胆的实施一次,准备将34410A的基准更换为LTZ1000!我期望通过改造能让34410A的噪声小点,测试数据复现度高,温度系数更好,长稳更好,下面就是这个工作的前期实施与可行性论证。

为了让更多的坛友看到此贴,我依然采用了 文档关键部分 隐藏,请各位看官顶个贴,贴不沉,后来者才能看到!觉得好,你加个分,说句赞,在此我感谢你对我的肯定与支持!
官方没有对34410A的电路图进行公布,要想知道能不能改基准那只有开盖。唯有将参考电压电路大概摸透与机械干涉满足改装电路板空间要求才能进行改装工作,二者缺一不可,否则都无法进行改装,只能进行简单的摩机。
第一步:开盖子,揭屏蔽
11拆下了34410A的壳.jpg
这里给广大坛友一个忠告:不要随意拆卸你机器电路板上的那个屏蔽槽,电路板上屏蔽槽的螺丝拆卸与扭紧力度会改变拆卸前原有电路板的机械应力,影响精密贴片器件的参数,致使高精度万用表测试值发生改变,要达到足够的测试精度就需要重新校准了。安捷伦的厂规校准官方报价需要1300元左右(34401A,34410A,34420A),3458A则需要3000元左右,并且均强制6%的税!私人校准的话,这里推荐一下成都的资深坛友THY888(唐老师),价格据说比较优惠,设备很齐全,有坛友去校准过.


在实际试验中,我用手指头稍用力按压图右中部的电源芯片LM317与LM337,正在测试的10V档读数会改变3~8个字,但是用手摸着散热器是不会改变读数的。而这块屏蔽槽作用相当重要:在没有机器外壳的情况下,有屏蔽槽时,测试数据的噪声与未拆机前测试差不了多少;如果没有外壳也没有屏蔽槽,测试数据的噪声择会变到原先的4~5倍!再吐槽下:安捷伦34410A的电源部分PCB设计人员太二逼了,图中右中部那两个棕色的大电解电容和两个加了散热器的LM317与LM337电源芯片靠的好近,在实际工作中,散热器上温度达到了57℃,很烫手,这还是在冬天!舍不得用热阻低些的好散热器也就算了,你能把电容离开散热器远点吗?连好好学习的电子专业大学生都知道这样做不好,安捷伦的PCB和选型工程师们,你们能上点心吗?


第二步:当然是测试基准部分的电路了
由于没有电路图,只有参考34401A的电路去分析,找到像34401A的7V与+/-10V、5V基准。不过通过上电电压测试与断电电阻测试,发现34410A相对于34401A在电路上已做了很大的调整,已经由34401A的7V转+10V,10V再转-10V,7V转5V电路模式改变为了7V转+/-9V,7V转5V电路模式。测试出的电路如下:
12基准电路.jpg


第三步:测试了LM399到屏蔽壳边缘的可利用空间尺寸,为大概70mm长、60mm宽、18.5mm高,自己估了下,如果改为LTZ1000电路板想想办法空间上应该没有问题。


第四步:找自举电阻
由推导和测试出的电路图可以看出,750R自举电阻给LM399的齐纳提供了个稳定的2.667mA左右的电流。这个电阻值是通过另一台万用表在此表断电后测量相应运放管脚得出的,我先入为主的认为这个电阻应该和图上其它电阻都集成在电阻芯片里面,因为我觉得这个电阻是很重要的:它一变,LM399齐纳的电流就变了,那么7V电压肯定就变了。本都有打算放弃改装的心思了,但是经过我的一番寻找,还是在电路板背面找到了它的位置,不得不说令我吃惊:
13LM399的自举电阻.jpg
就在图中间相机闪光灯阴影正中那颗CR304右上一点点的两个空焊盘位置,穿板过去正好是相关运放U607的1,3脚,经过测试后确认。没有过多的犹豫,我拆下了它,在此我觉得安捷伦在硬件上真的很抠门!
14拆下的自举电阻85A.jpg
一颗0603封装标示为‘85A’的电阻,这是一颗E96精度系列的电阻,85表示E96精度第85号数值(75),A表示后面有一个零,于是这颗电阻就是一颗750欧的1%电阻,温漂什么的不得而知,不过看这颜色什么的,我觉得应该不怎么的,高端的贴片电阻一般是天青色!于是我怀疑后买的这台表的开机稳定慢,大多的原因不是基准就是这颗电阻的温漂问题了!


第五步:开始找引基准用线,由于要闭壳测试,而我的LTZ1000基准板又相对较大,并且基准板又是外部线性电源供电,所以一定要用线把原先LM399的齐纳电压端子引出来。大概比划了下,线需要1米左右,所以这种线必须是屏蔽线,否则可能会引入太多的干扰。最后我找了个很早的逻辑鼠标的USB线,带铜丝+锡箔屏蔽,还不错,整整剪了1米。
把它从机器后面本来就有的一个小孔穿进去,这个小孔是整个机器在闭壳下工作时唯一能够由外到内的地方。也不知道安捷伦原厂为何要留这个小孔?我怀疑是原厂测试机器内部温升和测试数据而留的孔。
15从后面穿一根线.jpg
16穿根线到前面.jpg
穿到前方来,线直径刚刚好,必须先穿线,否则等头子做好后,再穿可能就进不来了!图中我自己给风扇电源线穿成个共模磁珠,但是感觉没有什么效果,毕竟这个风扇的电源是隔离供电的,对核心的测试电路没有什么在线干扰传导路径。


第六步:基准线加工
机器内的肯定是插针,由于靠的近必须做热缩管绝缘,机器外是插孔(适应我做的LTZ1000基准板),USB的线是4根,没用上的两根也全和屏蔽层接在一起了
17做的内部基准引线插针.jpg
18做的外部基准引线插孔.jpg

第七步:机器内部基准线接驳
注意静电啊,用尖的镊子双手拿上对地放了多次电,然后多次在机器上平均了电荷,才开始
19把基准线插在座子上.jpg
将红的插在原先LM399的第1脚位,黑线插在LM399的第2脚位。板子上其余两个是+/-15V电源,是给LM399加热用的电源,现在用不上,空着。
20合上屏蔽壳接屏蔽线.jpg
合上屏蔽槽,将基准线的屏蔽层铜线用螺丝压着接触好,良好屏蔽。
21看看全貌绷紧点.jpg
把线绷得稍稍紧点,不要软兮兮的。
22看看后面引出的线.jpg
从后面扯扯里面多余的线

第八步:上好壳子
23上好表外部壳子.jpg

24上尾座子.jpg
提醒一句:我的两个新表都没有所谓的‘安捷伦原厂螺丝防拆标’,请大家提防那些此地无银的人。

字数限制我很无语!请继续看二楼
觉得好,请你加威加分,说句赞,谢谢!

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  发表于 2015-4-13 19:51
既然LZ怀疑750欧自举电阻可能是导致34410稳定时间较长的原因,那LZ能否用精度较高的750欧箔电阻代替此普通电阻试试稳定时间会否缩短?  发表于 2014-10-22 10:05
非常支持楼主的精神,但  发表于 2014-8-8 13:13
赞  发表于 2014-3-26 10:38

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 楼主| 发表于 2014-1-14 13:47:16 | 显示全部楼层
本帖最后由 y_u_a_n_l_a_i 于 2014-1-15 22:44 编辑

写在隐藏前的话
至今不到两天已有200多的回复了,其中有2位坛友表示出对我隐藏帖子行为的不满,在此我不妨说开!我花钱费时动脑筋码字拍照写帖子改装还要冒风险,没一样事简单!你花不到一分钟按按几个键,哪怕是随便几个字母敷衍,我心里会想这孩子有前途,知道自己真正需要啥;说一句‘好’我心里感觉自己做的事有意义得到了他人的认可;你说句‘高手,大赞’,我心里可能也会飘飘然,因为我仿佛看到以前的我在回帖说赞,我的今天可能就是你的明天。这就是我,一个29岁技术人的心声,不大不小的年纪,做不到无欲无求,要的就是个肯定和支持!
如果还有哪些朋友不爽隐藏的,我只说一句:你看我帖子学到东西了吗?没学到东西的话,我给你道歉!对不起浪费了你宝贵的回帖时间。

第九步:高大上LTZ1000上场,板上做了两路电源,一路是给LTZ1000基准和运放供电的,一路是给LTZ1000里面恒温槽供电的,是分离式元件做的电源电路,经过测试,无论噪声还是稳定都比7815,317之流高1个数量级!只需外部接一个13V以上的直流电压即可在右端输出7V左右的稳定电压。
25接上外部基准.jpg
此处由于相机闪光,和拍摄角度,致使感觉左表屏幕老化,其实肉眼观察亮度是一样的。
此基准板里的LTZ1000是选出来的,让板子输出与原LM399基准电压差别不大,所以LTZ1000的本身温度系数不是我众多LTZ1000器件里最好的。

还有一个上电48小时以上的LTZ1000板也出场了,这里面的LTZ1000特性很好,我曾今测过,10℃时,对白色塑料盒顶部持续均匀加热(锡箔均稳,里面是LTZ1000与8颗金属箔电阻),直到LTZ1000内部恒温失调(55℃左右)合外部温度大概45℃,这个板输出仅下降7uV不到,当然没有对运放部分加热,整体的温漂不太清楚。
26看看全貌.jpg

27测试一下.jpg
改了基准,想读数一致,那就不可能了。注意,改装测试时要先给外部基准LTZ1000板上电,再开万用表电源,断电则相反!

第十步:测试了,过了一天后,图中的下部基准与右表一直上电,表的显示消隐(表的显示屏是个可观的热源)然后对左表的外部基准和表开机测稳定时间,此时图中下部的LTZ1000基准与右表都上电48小时以上了。
31改后测试1.jpg
连续采集了2个小时的数据,NPLC=10,数据间隔为0.5秒。可以看出开机稳定时间改装效果非常的明显:看图中的紫红色曲线, 2400X0.5秒=1200秒(20分钟)就稳定在uV级别了,而原先这个表采用LM399时差不多要3个小时才能到uV级稳定。并且读数基本稳定后,要比那台没有改装的曲线更稳定!

紧接着又做了2个小时的读数稳定测试
32改后测试2.jpg
改动后曲线相对稳定,噪声没有太大的改变,降了差不多1/4。没办法,噪声现在已经主要来源于机器内部运放这些因素了,要想降噪声,那得换运放,工程量太大,就算了吧,将数据平均下还是不错的,充分用好统计学,只要测试重复性高就行了。不过大家可以看出,相对于使用LM399基准的34410A,这个改动的表采样的曲线主体两侧散离得噪声要少得多,专业的说应该是:高斯分布更理想。

相对于LM399来说,LTZ1000的基准的优势肯定是温漂和长稳了,于是又接着进行了室内升温测试:关门关窗,差不多8平阳台改的小书房,用800W的电暖器放空旷处大档加热,到测试结束,室温升了差不多3.5度。
33改后测试3.jpg
紫红色变化相对平缓,1分钟移动平均值略微上升1.5uV,蓝黑色曲线波动稍大降低了3uV。这个数据仅作参考,因为我对改装的LTZ1000温度系数也是不太了解。

紧接着,开始自然降温,测试了4个小时的数据
34改后测试4.jpg
此段曲线显得不是很理想,估计和开窗开门的热空气对流有关吧,毕竟改装的LTZ1000基准在机器外部,受突然的冷热对流估计比较严重。仅作一个参考,但是无论如何,数据好像还是要比LM399的好点,相对平稳。

据以上测试,我认为34410A将基准改为LTZ1000可行有效!敬请各位关注今年彻底改装后的34410A机器测试!

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great analyize..  发表于 2015-11-2 14:03
很好,支持!: 0
  发表于 2014-11-21 22:25
回复可见的话有点被绑架的感觉,该帖子回复816条,一直挂在本版首页,但是翻看大家的回复,讨论技术细节、提出建议和问题的不多。  发表于 2014-6-8 11:58
好好学习下  发表于 2014-4-21 16:28
很好,支持!: 5
楼主辛苦了,支持你!  发表于 2014-3-25 14:21

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发表于 2014-1-14 13:54:59 | 显示全部楼层
本帖最后由 beautieshunter 于 2014-1-14 14:34 编辑

不明觉厉,膜拜一下!
对了,补充一下,据说agilent对个人零售就是不贴封条,好像厂商批量又是agilent维护的,会贴。我也是听说,之前不知道网上哪里看到的。
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发表于 2014-1-14 14:05:40 | 显示全部楼层
这个可要好好学习了!
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发表于 2014-1-14 14:07:22 | 显示全部楼层
来凑个热闹……
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发表于 2014-1-14 14:09:34 | 显示全部楼层
你就是高富帅,强大
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发表于 2014-1-14 14:13:45 | 显示全部楼层
不明觉厉,膜拜一下
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发表于 2014-1-14 14:15:14 | 显示全部楼层
顶一下
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