新9档的原理与指标

hldiy

    新9档已经具有相当的拥有量了，但一直没有一个完整的说明书。特写此文对“新9档”这款基准做一个详细的说明，包括其原理、特性、指标等。

    新9档是为6位半表量身打造的一款基准。其长稳、噪声等指标都达到了一个比较高的等级。特别是这款基准使用了全模拟方案，机内无噪声源。

    新9档可以输出电压、电流、电阻三档，每档都能输出三个值，总共9档。档位基本涵盖了电子工程师需求精度的所有量程。是一款经济可靠的实用型基准。

如图，新9档面板。 新9档拥有两个开关，下方三档开关负责切换工作模式（V、I、R），上方旋转开关负责切换档位，共三档（×10、×1、×0.1），两个开关配合输出9档。

新9档拥有四只接线柱，两红两黑。在电压和电流档位时，自动并联成两线输出，也就是上下两对接线柱是相等关系，接测量设备时用那一对都一样。电阻档的时候，四只接线柱组成开尔文输出，可进行四线制测量，这是高位表测电阻的必然方式。

Pcb图：

如图，新9档 体积为100*75*35mm（不含接线柱等外露部分）。由近百个元器件组成，单是pcb就使用了10片。

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原理简述：

上图就是新9档的内部框图。从图上可以看出这款基准的工作原理。

1、220v市电，经emi电路后，进入变压器，变压器次级经两个整流桥后，稳压得到5路电压。为整机供电。

电压分为两组，一组为恒温槽供电和继电器供电。  另一组为基准供电。

2、恒温槽，由精密电阻和ntc组成检温电桥，精密运放控制三极管线性加热。

众所周知，恒温槽的功率是非恒定的。形容恒温槽工作，最简单的一句话就是：加热功率等于耗散功率。   供电采用24v目的只有一点，就是降低加热电流。

3、基准内核。基准内核输出两个基准，一个是10v VREF ，另一个是一组由1k、9k、90k组成的分压电路。  分压点路将VREF分成10v、1v、0.1v三个电压输出。

4、 独立的检流电阻。 配合输出驱动电路形成压控电流源。精度仅取决于采样电阻和输入电压。 可形成一个非常理想的小电流电流源。 输入10v、1v、0.1v三个电压时，输出分别是10ma、1ma、0.1ma。

5、输出驱动电路， 全新设计的驱动电路采用了双电压驱动op，输出mos管使用限流电源的方式。在保证微小电压电流输出稳定性的前提下，大幅度的提高了输出能力。

6、切换电路。 K1负责切换档位， k2-6 负责却换电路功能。

这款切换电路设计，杜绝和极大弱化了继电器内阻对输出的影响。如图，仅有k2会对输出产生不利影响。K2的作用是在电阻输出状态下，断开电阻基准上面的电压用的。电路上在k2上串联了一个比较大的电阻Rs，用于弱化开关内阻影响。理论弱化至uV级别，对于一个6位半基准来说，已经完全不构成影响了。

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接下来详细介绍一下工作原理。

1、  电压档工作原理

当基准工作于电压档时，所有继电器不动作。（如框图下方继电器真值表）

内核部分将 lm399电压升至10v，输出VREF 。10v＜VREF＜10v+1mv

VREF经k2到RES A点， 由 Rs、和内部分压电阻组成一个分压网络，分压结果是RES A、B、C三点电压分别是10v、1v、0.1v 。电阻Rs作用是详细微调输出电压值，其阻值仅占分压电阻的0.001%，保证1ppm精度的话，Rs精度需求是1%，这个精度要求是很低的，这对快速调整好输出精度是非常有利的。

三个分压值，经k1切换，到k4输出至输出驱动器。 输出驱动器配合k3形成一个电压跟随器，OutA点输出电压。  

输出驱动器做电流放大，输出能力为0-25ma。超电流保护，去除高负载后自动恢复。

2、  电流档工作原理

当基准工作在电流档时，继电器 k3和k5闭合。

此时内核和分压电阻工作状态和电压档相同。包括driver in点，也都是相同的。

区别是 FB点切换到检流电阻上方，输出负极接线柱（BP-）也切换到了检流电阻上方。从而输出驱动器状态切换到了压控电流源模式。输入10v、1v、0.1v，输出为10ma、1ma、0.1ma。

由于k3切换的是fb的电压信号，内阻不影响输出。K5内阻串联于输出回路，也就是串联到负载回路中，也完全不影响电流精度。

输出驱动器同样也是电流放大作用，其驱动电压为24v-输入电压。具体为10ma档 14v，1ma、0.1ma档 23v。

3、  电阻档工作原理。

电阻当时，k2断开，使得三只分压电阻与vref脱离， k4断开，使得RES点也与电路脱离，此时三只分压电阻与电路完全断开连接。K6切换输出+到RES点， k1负责切换阻值。

回路为 BP+ →k6→k1→被测电阻→K5→BP-  整个回路全部为两线。确保了四线制开尔文电阻测量模式的精确。

电阻档由于肯定需要一些开关的配合，所以仅能提供四线制测量精度。两线测量的话，避免不了开关内阻影响，所以除非测量三四位的手持表，高位表一定要用四线测量模式。

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恒温槽 原理
恒温槽结构和电路比较简单：

  






由上图可以看出，恒温槽由控制pcb和铝型材热沉组成。其中控制pcb负责恒温控制和加热。 pcb为一片铝基板，实现可发热和检温一体。
另外恒温槽还有一个由多片pcb组成的保温壳，  这个保温壳还有另外一个作用，就是屏蔽。。。
保温壳和恒温槽之间填充保温材料。


附赠原理




如图：
R1 、D1、 C1组成稳压电路，供给op和测温电桥使用。
R2、 R3、 R4、 R5组成测温电桥，R3为负温度系数热敏电阻。
Q2、R7组成加热体，负责加热。

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核心 vref部分原理




核心部分全部聚集在恒温槽内部。
分两部分，一部分是VREF，另一部分是分压电阻群。




原理如图，  R1是399恒温部分的限流电阻。 R2、R3与op组成升压电路，R4为399自举供电。
下面三个电阻表示的是分压电阻群。

影响VREF输出的稳定，主要两方面，一个是zener电流，一个是升压电阻性能。
zener电流由自举供电保证。很多成品机器内部399横流电阻仅仅是个贴片而已。很容易做到。

升压电阻是一直困扰大家的大问题。
很久之前，我曾经解释过为什么基准老化都向负偏，就是因为这个分压电阻对。
无论什么电阻，也难逃老化。根据自然规律，电阻老化都是正偏的，也就是时间越久电阻值越大。
比如7v升至10v，  需要的电阻比例为3:7。大的电阻比小的大了一倍还多。想让电阻值加大，从电阻的工艺上看，就两个方式，要么加长电阻体，要么减小截面积。这就导致了，越大的电阻，老化越快，特别是两个完全相同工艺生产的电阻。
V0=(1+R1/R2)*Vs   下电阻变化大于上电阻的情况下，基准下偏。


我的解决方案是用了一个vishay生产的   1kⅹ10的孪生电阻。
按照下图做成一个5引脚电阻。



A、C之间组成下电阻，C、E之间组成上电阻。  10个电阻手拉手齐步走，无论阻值变化多大，分压点C都不变！。
这个电阻有多厉害，下面两张图基本就能证明了。







实际上我还有四个独立升压体，一直通电老化四个月了，没有一个老化超过1ppm的。
从大量实验数据看，用这个电阻做升压，其性能秒杀两只金封电阻做的升压！

有了这个升压神器，内核变得非常简单。
正常C点分压值为7v，直接适合6.9xV输出的LM399.  
将7k部分选择一对1k电阻并联的话，就组成 5.5k 和 3k 两个阻值， 分压点为6.47v，完全适合6.5v输出的lm399芯片。
实际操作只需在分压电阻上端短路两个焊点。

另外这个电阻还能实现更多功能， 比如组成 0.5k 和 6.5k，，，等等。

hldiy

上图是9档进化史，最左边的是老版本9档，588内核，两线引出，开关和继电器对输出有些影响。

中间的是，新9档第一版，四线输出，  曾经有过588内核、829内核、399内核三款， 最终前两款内核都被淘汰了。
这个版本某些机型存在过输出驱动部分自激现象，表现为更换为劣质测试线的时候，输出值可能造成越0.5-3ppm的变化。
存在自激的版本为黄色pcb版， 在输出驱动部分（继电器中间有一个运放和三极管位置）三极管旁边， 有一只阻值为100k或者150k的0805贴片电阻在此电阻上并联一只104电容，即可消除自激。  
消除自激之后，测试值应该和原测试值非常相近。 如果偏离源测试值非常多的话，我就也不知道了，希望能联系一下发回来我来处理。所有售后问题均包顺丰来回运费，您没有后顾之忧的。

最右面的是最终型， 也是我认为的最终版本。内核全部都是lm399的了。  这个版本将在很长时间内不会再有更新了。。

hldiy

测试数据 有关数据，只有三条，长稳，温飘，短。
长稳未知，原因很简单，没有一个测试过一年以上的。但从四五个月来的数据进行分析，长稳预期5ppm以内。
温飘不用上测试曲线了， 恒温基准，你用6位半表看不到他的温飘的。

看短稳吧：
下图是10v档短稳，  ≤0.1ppm。  这个短稳并不是非常好的，但定义为6位半源的话，这个短稳就是死机的节奏了。



100mv短稳，这个结果已经是非常好的了。

hldiy

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2015-4-3 18:53 上传

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全文完

lbk32

帮顶！小伙伴们速来围观！

eleci

好文， 顶一个 很有参考价值

peil20

围观ing

cxy0610

有没有用34401A测试下，上传图片看看，没有成品出售？什么价格？

JackFrost

垂涎已久了，过阵子手头的事情告一段落就折腾一个

hldiy

cxy0610 发表于 2015-3-26 13:26
有没有用34401A测试下，上传图片看看，没有成品出售？什么价格？

手里没有34401.   所有测试都是由3458或者6581完成的。测试数据将在此贴里陆续更新。
成品论坛坛友价400元/台，国内运费10元（不包含极度偏远地区）

cwhenao

hldiy 发表于 2015-3-26 12:44
原理简述：

老大，谢谢你送的芯片，588已经修复，正在测试中，你这个9挡基准价格是多少？

FBI

不错  这是个好东西啊

minimog

不错  关注更新

star4321xing

牛货，外壳档位标示还差这个

sjtx1971

手里两个了，一个两档，一个九档不带恒温，又看到兄弟放毒了，怎么办

hldiy

sisi4546 发表于 2015-3-26 16:21
要是能够把我们的小孔新9档基准换成4个一样大小的接线柱的就好了，小孔的太不方便了

我是很喜欢那个2mm香蕉孔的。 2mm香蕉叉热容量非常低，  可以说2mm香蕉头拥有天生的低热性能。

qy147852

不错啊  啊

bhy1747101

一步一步加热到38°以上！

中国之声

帮顶，老版使用当中

zca123

PDF...pdf...

新生の半月

帮顶..新版已入...目前通电已经一天....各方面都很不错!

wajlh

可以告知一下1K×10的电阻型号么？谢谢啦

pryprypry

顶,好文,很有参考价值

yeshadow

wajlh 发表于 2015-3-26 19:41
可以告知一下1K×10的电阻型号么？谢谢啦

您有找到这个器件吗？我也感兴趣，想买俩玩玩。

彭鹏

hldiy 发表于 2015-3-26 16:27
我是很喜欢那个2mm香蕉孔的。 2mm香蕉叉热容量非常低，  可以说2mm香蕉头拥有天生的低热性能。

我就正等着您解释为什么用小孔插座的原因呢，原来是这回事呀！我都买了好几副2MM小插头了只是还没去接线了。