电阻基准测试用无电源4线扫描器 Powerless Scanner for Standard Resistor Compari

lymex

前言

开关和扫描器的话题不少了，成品的和DIY的，发过几次：
1、Dataproof的两个成品扫描器，16×2和16×4，分别可以用在16路电压测试比对和16路4线电阻的测试比对上。
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=1082
这两个扫描器的问题是太笨重，接线不方便，更主要的是老式的，GPIB没有驱动（正在改造但还没有完成），不能用简单的方法进行自动扫描。

2、机械开关/扫描器，手动转换
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=1006
机械开关的缺点是显而易见的，就是不能自动，更不能多路自动。

3、2×4测量开关
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=1186
这个开关很简单但非常实用，体积小、无需电源、无需人为操作。自从制作完成后，自动对比测试全靠这个了。问题是，这开关只能对比2个参数，不能1对多的扫描对比。当然，通过DIY和一段使用，积累了很多经验，尤其是VMC取电和外接方法。这里没有提到的部分均可以参考那里。

4、电压基准测试比较用无电源开关/扫描器
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=3658

前3个扫描器用过一段时间后，发现都不方便进行多基准、长时间、周期性的测试与对比。因而手工制作了这个仅用于电压对比的扫描器。本来4线电阻扫描器可以和电压对比扫描器兼容的，但由于以下原因，还是分开了：
-----合起来制作过于复杂。又要照顾4线，又要照顾延时。
-----接线不方便。所有的电压基准打算半永久的接到电压扫描器上，而所有的电阻基准打算半永久的接到电阻扫描器上。如果兼容，就涉及大量的改换，很麻烦，而且会有差异。
与电压基准扫描器比，电阻基准扫描器必须是4线的，因此其继电器的数量就要加倍，因此耗电也加倍。但由于不怕瞬间短路，因此可以不考虑过渡过程，这样也相对简单了。

因此，在结束了电压扫描器不久，4线电阻扫描器就开始动工了。这扫描器完成后，很可能是“世界上第二款无电源扫描器/开关”。
（第一款就是上述4）

有关扫描器的总体文章，参考：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=1016

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需求

1、多个标准电阻的同时对比、长期对比（四线）。
1.1、可以间隔一个月对比一次，每次连续对比24小时。这样的对比与传统的每年校准相比，不仅提高了对比频度因此可以看出诸如季节变化等短期变动因素，而且多次在非恒温环境下的测试，可以得到温度系数（及变动情况），同时根据统计规律可以大大降低对比的不确定度（以测试1000个点计算，对比的不确定度可以降低到单次测试的1/30、10次测试的1/10）。
1.2、对比的时候，所有的电阻都相对SR104进行扫描比较。当然，也可以推导出其它任何两个基准的相对对比情况，或者引入修正值。
1.3、对比的标准电阻为：esi SR104-1、esi SR104-2、Fluke 742A、IET SR-X、esi SR-1、
DIY1-VHP101、DIY2-Fluke金封、DIY3-Fluke752A、DIY4-Fluke线绕1、DIY4-Fluke线绕2、
DIY6-VHP202Z、DIY7-Fluke720A、
目前一共是12个，再加上待测他人基准和未来扩充，设计成16.

2、多个电阻变温法测试温度系数
通常的变温法测试温度系数，简单而可靠，但一次只能测试1个电阻。有了16×4扫描器，一次可以最多测试15只电阻，效率大增。而且由于测试的同时性，可以很方便的直接对比和筛选。

3、与前面的16×1开关不同，多个电阻基准的对比无需要防止基准之间的短路。尽管可能有瞬态相连，但没有任何关系。只要在测试的时候选择一定的延时就可以。事实上，3458A 10k电阻测试缺省延时10ms就基本够了，不够的话还可以改变。

4、开关/扫描器要体积小，屏蔽外壳，直接用网线做测试线，这样免除中间环节，已经被证明具有极低的热电。

5、最重要的是，必须用万用表的VMC（电压测试完成）接口取电，不需要外接电源，也不需要内部电池。这样，可以降低维护措施，也不会引入来自交流电的干扰。由于必须采用低耗电设计，平均电流只有0.5mA（2秒测试周期），功率2mW，适当加大采样周期甚至可以低到1mW，因此可以认为不发热，也自然会降低热电动势。
这是因为：
热电动势=温差×材料热电系数
我们往往太重视选择好的、热电系数低的材料了，忽视了温差。而减少温差最重要的因素，是减少功耗。试想一下，耗电10W的仪器（是本仪器的1万倍），再如何均温，温差能比不发热的好吗？
而通过类似的2×2开关的测试已经看到，热电动势的影响已经是淹没在本来不大的噪音中，只有不到2nV：https://bbs.38hot.net/read.php?tid=1186
别看这里的开关使用大量继电器、体积也大，但耗电与那个2×2开关是完全一样的小。

小插曲：一个懂电子的朋友到我家里，看见我正在做这个扫描器问是什么，我告诉他是耗电不足1mA他还不信，因为看到有那么多继电器。当然，得知磁保持继电器的原理后就理解了。


6、只进行基准的依次扫描，不随机寻址。

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思路

商品16×4扫描器，有A、B两组输出，可以让两个表同时或分别接任何一个4线电阻。
  
  

但是，实际很少会这样用，因此简化成只用1组4线可以接任何电阻。
也就是说，电路原理就是4刀16掷开关。


这里其实有个小问题：4线电阻扫描开关，很难做等电位屏蔽。
不做这个屏蔽，就只能靠材料本身的绝缘电阻，最好也就是13次方级别的，一般能保证到12次，这对于10k测试或者100k测试可以忽略，但对一更高阻抗的测试例如1M，影响就可能达到1ppm了，而对于10M就是10ppm。
因此，高阻测试的扫描，都要有等电位屏蔽的，英文就叫Guarded Scanner
  

图中蓝色是屏蔽线，也要同时开关。要是PCB上搞等电位屏蔽还算简单，布上线就可以。关键是继电器内部！
M级电阻替换对比的话，由于不同通路漏阻很可能不同，因此还不能简单的被抵消，漏阻并非平均，例如某点脏了、焊点焊剂问题等，偶然性比较大。

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设计

与上一个16×1的电压基准扫描器比，尽管这个刀数多了（4倍），但逻辑上更简单了。主要原因，电阻的扫描不用考虑过渡过程，切换过程中的瞬态短暂短路也没有问题，也不需要考虑继电器的初始杂乱状态或者因为运输等造成混乱状态。
1、电源部分：串联100欧防短路、串联1N60允许负时钟脉冲、并联47uF做预存储、接HT7136做稳压、并接4个220uF做主存储、并接两个0.47的CBB做高频短路。
2、计数部分：1k做防接错缓冲、HC393做计数，其1MR和2CP都接地。
3、译码：采用HC154，4-16译码，其中G1和G2接地，输入的4线直接来自HC393。其中Q3通过1M串联电阻接入（有延时也没关系），然后可以在HC154的输入端用开关短路，这样就成为8×4开关，用在标准电阻比较少的场合，不用等待16个循环了。
4、驱动：HC540八总线驱动器。这种总线驱动能力比HC141强，但即便这样，由于每组继电器是4个线圈并联的，因此也需要4个门并联，因此每个集成块可以驱动2组。从PCB背面看是2个并联，实际用Piggyback方法，焊接非常简单。
5、隔离驱动，用220uF电容。由于用4组线圈并联。比原来的单个继电器的两个线圈并联多了一倍，因此电容容量也比原来的100uF增大了一倍。
6、8×4转换。若要用到8路，可以用一个开关，吧HC393的Q3短路到地（实际上是串联1M电阻后再短路，这样短路电流只有几微安）。
7、万用表驱动。VMC信号到达后，继电器的转换和过渡过程大约要7ms，这样就需要测试表有一个10ms的延时。3458A的10k档缺省延时正好是10ms，如果嫌不够或保险，也可以改成20ms。

电路图手画的，凑合看吧
  

有人也许要问，为什么不用单片机？
因为这么简单的东西没有必要。用单片机也就能替代HC393和HC154，驱动的部分甚至电容都省不下来，就更别说价格要高，开发起来复杂了。

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制作

1、布局一下
其实还可以更紧凑一些，紧凑了均温特性更好，引线也短。当然，太紧凑了也不容易焊接。
这个外壳是铝的，壁厚2.5mm（比较厚了），是以前买的，外尺寸254×137×45mm，用在这里正好。


2、元件清单



3、焊接
板子元件焊接完成，没有按照开始的布局，而是把继电器分成两面，这样走线方便
   

局部IC Piggyback并联，先把两个IC焊接在一起，然后再上板。这种方式走线少，焊接方便，适合手工DIY。



4、全部焊完
比较乱但也没啥好办法，引线如果不是从上面穿入容易折断，而且裸线会比较长



背面图



5、背面焊接细节
主要过线采用F4护套，耐高温焊接不缩、绝缘好。引线带护皮穿过PCB后再焊，这样不容易折断。



6、外观
网线引线由于比较多，如果独立穿孔太麻烦也占地方，采用整体穿孔出线的方式，而原来的铝盒正好有一个合适的孔。


7、引线制作
选用超5类屏蔽网线QF-7703，是氟材料的，绝缘电阻高，更主要的是屏蔽的，这是测试电阻所必需的。
之所以用网线，一个原因是材料易得、价格不贵、紧凑方便，这在路数很多的场合，真想不到还有别的办法。另一个原因是效果也非常好，网线是紫铜的，本身热电动势低，再加上直接使用更无问题。焊接、走线也很容易容易。Dataproof有一款扫描器就是类似的引线。如果采用特富龙屏蔽线，将非常粗，也很贵，而且效果不一定好，因为其多股镀银线不能直接使用，接别的接头效果就不好说了。
我是独立盒子、半固定安装，每路网线的长度大约是1.5m到1.8m之间。如果是固定安装（例如用机箱装在机架上），则最好安装在中部，引线以前出线为好，长度要照顾好扩充。
先套上收缩后直径6mm、长度25mm的的热缩管，剥掉约20cm的外皮，小心把内部的芯线从屏蔽层中拉出。



把屏蔽线分成均等的2部分，因为每一根网线是两路共用的



屏蔽层先套上收缩后1mm直径的热缩管，加热收缩，然后套好外部热缩管，再次加热



屏蔽做保护用，用焊锡焊在一起。测试线端部剥掉线皮，可以就这样用，最直接


内部焊接到PCB的引线做法类似，只不过所有的屏蔽接到一起，再套上绝缘套。


8、安装固定，可以分为：
A、机架固定安装，即采用例如1U机箱，固定在机柜里，这样很规矩。走线从方便程度讲最好从前部走但这样看起来很乱，也可以像大多商品扫描器那样从后面走线，但用起来不太方便
B、独立盒子，灵活方便，随意放置，就是看起来凌乱
我是采用独立盒子，但半固定的安装在机柜前面。



补充，mytek做了板，重新焊接一个，这次省事多了



     

接线方法

我接线的次序是：棕、橙、绿、蓝。实际上是按照电阻的颜色次序来的。

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使用与测试

测试的接法很简单：表接开关的公共端，各电阻接到开关上，表的VMC接开关的BNC，表要设置成每1秒或者每2秒读数一次比较合适，GPIB采集卡接到表上、接到机器上，按照正常采集程序运行即可。

采集到的文件，由于是多路混合在一起的，需要用程序分开。程序和说明在这里，是Basic的：



测试了多次，结果如下。
1、第一次测试，只测了8个电阻。各电阻的简要说明见下面第6贴


这个测试是试验性的，直接用3458A读数，同时开窗进风，扫描器的外壳也是打开的。可以看到噪音还是比较大的，大约1ppm峰峰值（对应大约0.18ppm短稳），这是3458A 10k电阻档不太理想造成的。当然，通过多次读数，可以把对比的不确定度减低到0.1ppm左右。
其中，SR-X能少许看到温度系数，Fluke金封温度系数明显，llycom的和haisen的温度系数明显。mytek(2W)的电阻不错。


2、第二次测试，也只接了8路，其中4路接入冷热箱，用变温法测试几个电阻的温度系数。当然，GPIB卡的温度传感器也接到冷热箱里。
那么如何测试外部电阻的温度呢？这就靠SR104的铜电阻温度传感器来进行了，被放到一路中。


除了两个温度曲线外，图标是按曲线顺序排列的。另外，曲线颜色分暖色和冷色两种，暖色的是放在冷热箱里面的。
由于冷热箱原来的风扇坏了，换了个小风扇，结果温度降不下来。
变温法测试结果：mytek的-0.26ppm/C，Haisen的-0.47ppm/C，llycomm的-0.90ppm/C。



而L&N4040的Beta为-0.56ppm/C2（与指标-0.5ppm/C接近），典型的锰铜，极值温度在29.6度，偏高。25度的Alpha温度系数为+5.1ppm，与原测试的6ppm/C接近。



3、第三次测试，接了16个电阻（满负荷），选了6个电阻进行变温测试。
A-1 SR104   
A-2 SR104-T
B-1 742A----冷热箱
B-2 SRX----冷热箱
C-1 VHP101
C-2 Fluke金封
D-1 haisen----冷热箱
D-2 llycomm----冷热箱
E-1 SR104-2-10k
E-2 SR104-2-t
F-1 752A-10k
F-2 SR1010=10k
G-1 DIY-1 Fluke塑----冷热箱
G-2 DIY-2 Fluke塑----冷热箱
H-1 Mytek-10k
H-2 3609 BZ3-10k
结果杯具了，正好碰到少见的潮湿天气，冷热箱开始制冷的时候多余的线孔没有密封，结果进了太多的潮气，造成后半夜结露，测得的电阻数据就就成了这个样子了：

   
其中放入冷热箱中的6只电阻，5只有明显的、有规律的阻值变小，早晨打开箱子发现导线仍有结露。

4、第四次测试，类似上述
但这次把冷热箱的孔眼堵了起来，并从升温过程改为降温过程，即开始加热以后制冷。同时，把2个Fluke塑封标准电阻改为试验性的2只202Z


可以看到，冷热箱密封后没有结露影响了，测试了一个202Z，Beta居然是正的


这个SRX很好，尽管温度系数有一些，但Beta非常小，用漆包线补偿后，就可以做的非常非常好



5、第五次测试，类似。
冷热箱里放了2只锰铜的国产BZ3-10k、2只202Z、2只Fluke金封线绕。

其中短稳好的三条曲线是温度曲线，粉色的是冷热箱内部的，其余曲线基本上是按高低顺序排列的。
可以看到，锰铜的BZ3表现很差（锰铜就是这样，典型的）


Fluke金封线绕表现的很怪异，不知道什么原因，也许是温度超前，因为感温器是放在温度滞后的一个BZ3内部的。

另外，202Z-10k表现正常，Beta系数非常小。
   

值得一提的是，某个202Z 11k6，表现非常的稳定，在冷热箱内部大范围改变的情况下，比外边温度变化小的电阻还稳定。

第5次测试的冷热箱：



6、第六次测试，用Warshawsky桥，特点是重复性非常好。


7、第七次测试，测试202Z的温度系数

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测试电阻简介

1、esi SR104
大名鼎鼎，可以认为是目前最好的10k标准电阻，指标温度系数<0.1ppm/C（实际大多在0.03ppm/C附近），Beta温度系数为Evanohm的典型-0.03ppm/C2附近，指标年稳<0.5ppm（实际大多<0.1ppm/a）。新品单价大约$9000，二手$1000到$3000之间。
  

2、Fluke 742A
这电阻也是用Evanohm材料做的，特点是小巧、温度系数非常小、适合转移用。但是，内部是采用Fluke金封线绕，年稳指标并不很高只有4ppm，还经常超差。新品价格大约$3000，二手的价格不贵，但大多数是因为特性不好而被淘汰的。


3、IET SRX-10k
这是一个次级标准电阻，温度系数指标<1ppm，年稳指标<10ppm，新品价格大约$400，没见有二手的。
IET有一款更好的SRL-10k，指标与Fluke 742A相同，但价格低一些为$2000。
  

4、L&N 4240
这是一套4只4000的其中之一




  
这是一种老的Rosa结构，内油浸线绕，0.001%也就是10ppm，温度系数分别是6ppm/C和-0.5ppm/C2，因此显然是锰铜类。   


5、上海BZ3
这是国产的油浸电阻，0.01%级、年老化<20ppm，温度系数不大于20ppm/C。这电阻的特点是Thomas密封双壁结构，稳定性好，可以选出年稳<1ppm的。但是，由于 采用锰铜材料，因此Beta温度系数比较大（均为-0.6ppm/C2附近），造成对温度变化很敏感，正规使用必须浸在油槽中。BZ3新品价格大约￥700，上海产二手大约￥150（有证书）或￥100（无证书）。


另外，还有一种等级为0.002%的BZ3C，新品价格大约人民币2000，没见有二手的。
  

6、用12只Fluke 752A里面拆下来的120k DIY的10k





7、用4只经过挑选匹配的Vishay VHP101 DIY的10k
  


8、用Fluke 732B拆下的8.823k和1k金封线绕 DIY的10k
  

   


9、

10、llycomm的DIY-10k



11、Mytek的DIY 10k，4只金封金属箔、双外壳
  


12、Haisens的DIY

【全文完】

amrogue

板凳,学习拉。

lmserver

期待好文

csclz

首页占位

chenang39

占位学习！

三只眼闲人

  

轩尼诗

学习！  

老来学皮匠

4、开关/扫描器要体积小，屏蔽外壳，直接用网线做测试线，这样免除中间环节，已经被证明具有极低的热电。[s:29]好像少了个字

lmserver

老大手艺太强悍了！

zy_sh_npk

好文，好像玩不了这么多路呀！

grn

[s:30][s:30][s:30]学习

zjinkui

[s:37][s:37]潜心学习

lilith

好像 44492A 选件可以配置为 4 个 4 线测试开关，就是据说热电势比较大

lymex

的确，热电动势是很重要的指标，我这里的DIY是靠减少发热来减少热电动势的。
传统的开关/扫描器，可以假设功耗10W，而我这里的功耗可以低达1mW，是万分之一。
我们知道，热电动势=温差×单位热电动势，即便这个G5A继电器不是低热的，指标差了10倍甚至百倍，但发热小因此温差就可以成比例的小，这样算下来也比传统的热电动势低很多。而实际测试表明，热电动势引起的差异是nV级别的。

chuxp

占个地方先。

yjm2000

占位，先把2X2的用好！

langyan

学习

nyxfk

请问，连接电阻的连接线看起来好像网线一样，是普通网线吗

这种情况下如果用网线也可以满足测试要求么

还是网线全部剪到一样长度并压接线头?

老杨

学习了，真羡慕老大啊！

zoo

是带屏蔽的网线，没有压接头

lymex

有关引线，已经更新到第4贴，是超5类屏蔽网线。

sidney_li

前一段时间也做了一个具有电阻（4线12路）和电压（两线24路）的扫描开关，今天用电桥测量一下热电势小于100nV,看来一下MI的电压扫描开关50nV（资料显示，没实测）。其实测电阻也无所谓热电势，主要是测电压，热电偶之类的需要注意热电势。改天上传图片。