高位台表的业余校准问题

wbxms

最近在把玩几台HP的五位半、六位半台表。发现这类东西和常见的低位台表有所不同，就是表很好找，但是二手的货多数需要校准（完全不经校准的，初始误差在2%左右，如果不经校准基本就是废物），即便是校准过的，由于电池问题等原因有时也需要重新校准，因此校准问题是把玩这些仪表的很常见问题。以HP3478a为例，需要直流电压(0.3,3,30,300V)、直流电流(0.03,0.3,3A)、交流电压(0.3,3,30,300V)、交流电流(0.03,0.3,3A)、电阻(30,300,3000,30k,300k,3M)等的各个档位，依次接入基准源进行校准。各个档位、各个量程之间是互相影响的。
提出一个问题供大家讨论：
业余条件下，在仅有精度有保证的单电压基准（例如10.0000V）和常见的材料仪器，没有专用多功能基准源，如何进行高位台表的多量程、多档位校准。可以求助于外地有基准源的朋友，但不能将台表寄出。我自己搞了一套土方法，不知道是不是合适，先听听大家的意见，准备适当时候再拿出来讨论。

逆风草

期待分享！！

suny-hyb

买台HP3458A，哪校正3.5～6.5就简单多了。

海湾大桥

3478A可以用满度值的1/3的源来校准，比如1V、10V。。。，10欧、100欧。。。，只要源的输出在这个附近可以直接输入真值。交流信号源和直流电压的高压比较难搞。

blind

期待LZ的方案学习一下。

王珏

期待。

qszhang

说说参考，学习一下。自己还没有调整过

szmsos

土办法好啊。想学习学习

lilith

引用楼主wbxms于2011-02-01  12:28各个档位、各个量程之间是互相影响的。

好像是相互不影响的，除了标准 3V Range 会起到一些决定性作用之外。

另外这个问题我有想过，实际上以前的课本上有介绍过基本原理，使用电桥和电位差计将 1.018V 标准电池和 1 欧姆标准电阻向上传递。不过电阻有一个问题就是电阻值很小的时候接触电阻的影响会很大，课本上没有提及如何解决这个问题 所以我也想不出来。

但就比如对 3478/3457A 进行自助校准的现有条件而言，根据已知的 10V 和 10K 基准制作一个自助校准器是可以实现的，前提是依赖于表本身 ADC 具有高度线性，并且其线性度基本上不受当前误差影响。

我设想了一个以比如 3457A 为核心的自助校准器，大致如下。

一、首先用标准 10K 校正 3457A 的 30K Range。

A、可以直接校正。

B、也可以这样做，通过测试标准 10K 得值 x，测试另外三个短期稳定的 10K 电阻得值 a、b、c，则 a、b、c 可表示为

a=x+x*a'%
b=x+x*b'%
c=x+x*c'%

将 a、b、c 串联得到的 30K 电阻，其真值可表示为 x*(3+a'%+b'%+c'%)，然后用这个值对 30K Range 进行校正。


二、准备 10 个短期稳定的 1K 电阻，用 3457A 的 3K Range 测试其阻值，任意定其中一个为 y，其余 9 个表示为
y+a%、y+b%、y+c%...y+i%，则 10 个的串联阻值为 y*(10+a%+b%+c%...i%)

三、用已经校正的 30K Range 测试这 10 个 1K 电阻串联起来的总电阻值，则可以计算出 y 的真值，用其校正 3457A 的 3K Range。

四、如法炮制继续 300、30 欧 Range 的校正...

五、用“一、B”方法而将电阻改为 10/30 个可以进行 300K Range 的校正。

六、如法炮制进行 3M、30M、300M Range 的校正。

电压的校正类似，之前的步骤已经获得所用各个电阻的具体阻值、比例，因此可以轻易将 10K 分压获得一个 1V，其真值可用式 y*(10+a%+b%+c%...i%) 计算出来，然后用 3457A 的 3V Range 作为电位差计，将一个短期稳定的可调电压源，调整到与其电压差为零，则两者电压相等（此步骤消除了电源内阻的影响），用此电压源校正 3457A。实际上由于 3457A 的 3V Range 输入阻抗足够大，是可以用 10K 分压电阻阵列分出来的 1V 直接校正的。要用 3V 也可以，上式也可以从中求助某三个串联起来的电阻上的电压真值。

类似的步骤也可以将 10V 向上传递到 100V 或更高电压。有了已知的电压和电阻，则能计算出电流...

以上过程，可以用单片机和继电器、模拟开关切换控制，构成一个程控系统，不过想一想制作成本也不会太低，麻烦程度相当大，不如直接买一台便宜的二手 6581 了

lilith

引用第3楼suny-hyb于2011-02-01  12:43发表的  :
买台HP3458A，哪校正3.5～6.5就简单多了

业余条件下似乎只有这个方法其实是最靠谱的，只需一个 10V 和一个 10K 就能完成 3458 和 6581 的全部直流电压电流电阻功能量程的校正，但是对交流还是没用...

引用第4楼海湾大桥于2011-02-01  12:46发表的  :
3478A可以用满度值的1/3的源来校准，比如1V、10V。。。，10欧、100欧。。。，只要源的输出在这个附近可以直接输入真值。交流信号源和直流电压的高压比较难搞。

直流电压的高压，我设想的方法就是 100V 是可以直接做出来的，只要求短期稳定即可；1000V 用 10 个 100V 或 5 个 200V 串联起来吧，分别测量然后计算总值就可以了，这样或许最简单。

交流就没有办法了，短期、具备 5 位半下不超过 +/- 2 个字变化、失真或许不大于 0.1% 的 ACG 稳幅文氏电桥 1KHZ 正弦振荡器不难做，但如何测量标定它就是问题了，如果要从直流 10V 去标定它，那么必须有一个足够快分辨率也足够高的 ADC 将其量化，才能从已知 10V 去标定它。显然很难在业余条件下找到这样的 ADC。

wbxms

9楼、10楼说的有道理。
我的方法：
（1）找一块废数字表，拆下一块网络电阻。（2）买几块33V稳压块uPC574j。
把这两样东西寄给有高位台表的朋友进行标定（注意记下标定时的温度）。
然后这两样东西组合就可以产生33-330V的电压基准和1/10、1/100、1/1000的参考基准，可用于标定电压档，标定后的网络电阻可以直接用于标定电阻档，两者组合用于标定电流档。
注意1/10-1/1000的比例，要根据标定的情况重新计算以确保精度。
另外还可以利用手头已经标定过的10V和5V基准，结合由高位表标定过的网络电阻，利用电位差计类似原理，导出更高的电压基准。
交流档的标定，还没有找到合适的方法。

baof

楼上这样的办法用来校5位半都比较吃力,不是好办法

wbxms

我这是没办法的土办法。自己也觉着不是很好。希望有高招的朋友指教。

baof

uPC574j自身的精度就不能满足校正的需求啊

lilith

引用第11楼wbxms于2011-02-01  16:31发表的  :
9楼、10楼说的有道理。
我的方法：
（1）找一块废数字表，拆下一块网络电阻。（2）买几块33V稳压块uPC574j。
把这两样东西寄给有高位台表的朋友进行标定（注意记下标定时的温度）。
然后这两样东西组合就可以产生33-330V的电压基准和1/10、1/100、1/1000的参考基准，可用于标定电压档，标定后的网络电阻可以直接用于标定电阻档，两者组合用于标定电流档。

uPC574j 的电源调整率、温度系数，用于 HP 3478A，或要求更高的 5 位半、6 位半校正恐怕是远远不够的，即使是 3478A 基本直流 3V 指标也是 0.006%，而 3457A 则是 0.0025% 了。

因此楼主的设想可能实际意义不大。我设想的自助校准方案虽然操作起来繁琐得很，但理论上没有太大问题。如果使用单片机、继电器进行程控，整个过程可能只需要十几分钟，即使人工操作，一两个小时也应该做好了。

这里依赖两个东西，一个是表本身的 ADC 具有高度线性，特别的只使用其 Full Scale 附近相互不超过 0.2% 的区间；一个是具有一定短期稳定度的元件，比如精度 0.1%-0.005% 的 AE/Viash 塑料块电阻，国产 RX70 线绕电阻等等。这样的结果，我想满足对象表的指标，不会有太大问题。由于所耗时间并不太长，因此元器件的长期稳定性，环境温度的影响就不重要了。

lilith

就一个基本的 100 欧 - 100M 欧；0.1V - 100V 自助直流校准器来说，我想需要下述元件：

1、RX70 或更好的电阻，100 欧 10 个，1K、10K、100K 各 9 个；1M、10M 的 RJ14 电阻各 9 个。这个都可以买到，价格不是不能接受。如果要求实在是不高，我想全部使用质量好、低温飘的 RJ14/PTF56 电阻都可以。上述电阻全部串联起来。

2、AD587/588 或更好的 10V 齐纳基准一个。也可以买到新的或二手的，二手价格相当低，这里只需要短期稳定且温飘不至于太大即可。

3、构成串联型稳压电源需要的三极管、运放若干，OP07/27 级别的我想都足够了。变压器和其它无源元件若干。

4、接线柱若干，好像需要不少。如果程控可以减少使用的接线柱，但需要增加大量继电器。

5、分辨率足够且高度线性的 ADC，直接使用被校准的万用表，比如 3457A 本身的基本 3V Range。此时表的误差应该不注意影响结果。

wbxms

upc574J的性能如电源调整率、温度系数，似乎不能满足五位半的要求。我的方法，是使用和标定条件尽量一致的环境条件（例如工作温度，工作电流，负载电阻等），这样的话能强一些。
毕竟是土办法，只是没有办法的办法。我想，这里一定有高手能解决这个问题。

sxy800125

明年继续寻找商品校准源，比如343A 335D 之类的。。。争取明年这个时候我们讨论的话题变成  《商品校准仪的业余校准问题》那时候我们需要的就是 分压器 10V null（可以用高位表代替）。。。

小平

没高位的表来校准难啊。

chuxp

Lilith在9楼提出的方法可行。

也可以先校准电压，可能更好一些。1000v其实也可以用100V来校准，范围为量限的10%，基本可以看出满刻度时的误差（对位数多的表）。
此外，要注意零电流的校准，然后再零位校准，注意有些表有＂正零＂和＂负零＂两个校准内容。最好按照手册依次进行。

phuang3

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三只眼闲人

楼上的办法不错。支持。

lilith

引用第20楼chuxp于2011-02-01  20:37发表的  :
Lilith在9楼提出的方法可行。

也可以先校准电压，可能更好一些。1000v其实也可以用100V来校准，范围为量限的10%，基本可以看出满刻度时的误差（对位数多的表）。
此外，要注意零电流的校准，然后再零位校准，注意有些表有＂正零＂和＂负零＂两个校准内容。最好按照手册依次进行。

我的设想，是建立在以前课本上电桥、电位差计的介绍，以及后来认识了 3458A 的校准后，想到的一个步骤。虽然不清楚 HP 具体的步骤，但可以设想的方式，有两个。

1、在制作好的多个 1:9 电阻模块中进比例比测量，实现电阻与电压的向上、向下 1:10 传递，这样依赖于表本身 ADC 的 1/10 scale 与 full scale 线性，但由于只利用了 1/10 scale，对 3458A、R6581 这样的 8 位半表来说，做到几个 ppm 的准确度是可能的，其 ADC 分辨率足够；但对 5 位半、6 位半表来说，要做到 20-50ppm 准确度，分辨率可能不够。

2、我前面所述的方法，尽可能利用 ADC 的 full scale，缺点是繁琐、程控需要大量继电器，但可能可以实现用 6 位半表的分辨率实现 <20ppm 的向上、向下传递。当然这个可能性尚未通过数学与实验去证实，目前只是提出一个设想而已。

我觉得 3458、6581 应该是利用第一个方法，因为第二个方法的测量如果不使用大量继电器显然比较困难。此外，除了 3478、3457、34401A 等 HP 的表，只需要对一个零点、一个满度增益进行调整不同，有的比如 Fluke 884x、f45 一类表往往需要多点校准，因此在表长期未校准或掉电后，其 1/10 scale 与 full scale 之间的关系不可预知，而 full scale 附近不超过 0.2% 区间内的线性，可能会比较好（猜测）。

先电阻后电压是因为需要得到足够多的 1:9 比例电阻才能进行电压的调整啦 我尝试过有的表，输入 1/10 scale 会提示 cal value to small，所以不能肯定 1000V range 是否都能够用 100V 校准就是了。



补充：
不过建立在“自助校准器”已经制作出来的前提下，我也想到略有不同的方法，因为“自助校准器”既然已经做好，就可以利用内部既存的一些电路，以程控的方式做到略为简化的方式。



将前述 10 个 1K 电阻串联成的 10K 电阻接入“自助校准器”内部 10V 上，设最下面一个上的电压为 y，其余 9 个依次表示为 y+a%、y+b%、y+c%...y+i%，总电压 y*(10+a%+b%+c%...i%)=10

如何求出 abc...i？我的想法是，用一个运放和一个 1:9 电阻对构成 10 倍增益放大器，放大器分别放大每一个电阻上的电压，再将这个电压与内部 10V 比较得到一个差值来求比例，这个差值一般来说在 0.04V（假设所有电阻的精度都是 0.1%） 以内，因此有必要再放大到一定程度。假设“自助校准器”内部的 ADC 是 MAX1132，则需要 300 倍增益（16bit、1LSB、12V full scale）；如果内部 ADC 是 ICL7135，那么增益就是 50。，当然这些电阻也只是对短期稳定性要求较高，长期性能和准确度不是太重要，因此 AE/Vishay 塑料块已经足够，即使是 RX70 电阻也行。

这样就能用一个并不太高位的 ADC 完成这个过程，得到分压比也自然得到电阻比。由于这样无须使用 4 线法测量电阻，很大程度上减少了模拟开关、继电器的使用，当然 PCB 和元件引脚的电阻多少有一点点影响，但对于制作成一个陶瓷电阻模块的元件来说这样反而更合适，所以我又猜测 3458、6581 可能也是这样实现的，当然由于其 ADC 分辨率相当高，只需要放大 10 倍后直接用 ADC 测量其比例，而无需通过与内部 10V 进行对比测量再放大的烦琐且不够可靠的方法来实现了。

基站

烧出理念！

wbxms

先贴上HP3478A的校准方法，作为参考资料。这是引用坛上以前帖子的内容，对原作者1820兄表示感谢。
3478A 校准手册
一、首先，检查 3478A 的各功能和各量程的性能，对照表 Table 4-3（直流电压）、4-4（直流电流）、4-5（交流电压）、4-6（交流电流）和 4-7（电阻）。如果符合指标则无需调整。
二、如果需要调整，按照以下步骤进行。
1、首先进行直流电压调整，在此之前，将表预热 1 个小时以上。
a、重启动 3478A，按上档键（蓝色按钮）和 SGL/TRIG(TEST/RESET)按钮。之后，3478A 应该设置于直流电压功能，自动量程状态，内部触发，和 5 位半显示状态。
b、用一个小螺丝刀将前面板的“CAL Enable”旋钮拧到“开启”位置，此时看起来刀口应该是垂直的。
c、设置 3478A 为单次触发模式，即按下“SGL/TRIG”按钮。然后，设置 3478A 离开自动量程，变为手动量程模式。按任何切换量程的上、下键均可达到此目的。然后，切换量程到 0.03V。
d、将短路器插入 3478A 的 HI 和 LO 插孔。
e、按上档键和校准键，即蓝色小按钮和 LOCAL（CAL）按钮。
f、按一次 SGL/TRIG 按钮，触发万用表进行一次转换并调整零点失调。如果正确完成了，显示屏将出现 CAL FINISHED 提示。
g、移除短路器，将直流标准源接入 3478A，并设置直流标准源输出 0.03V 电压。
h、按下上档键和校准键（即步骤 e）
i、用切换量程的上、下键修改屏幕上的显示值，使其和标准源输出的值一致。然后，按下 SGL/TRIG 按钮。
j、移除标准源，将量程切换到 0.3V，重复 d-i 的步骤，但在 g 步骤上将标准源输出改为 0.3V。
k、重复 j 步骤依次继续完成 3V、30V 和 300V 的调整。
2、然后进行直流电流调整，它必须在完成 1 步骤或在性能检查中电压功能检查通过的情况下进行。在这之前，将表预热一个小时以上。
a、重启动 3478A，按上档键（蓝色按钮）和 SGL/TRIG(TEST/RESET)按钮。之后，3478A 应该设置于直流电压功能，自动量程状态，内部触发，和 5 位半显示状态。
b、用一个小螺丝刀将前面板的“CAL Enable”旋钮拧到“开启”位置，此时看起来刀口应该是垂直的。
c、设置 3478A 为单次触发模式，即按下“SGL/TRIG”按钮。然后，切换到直流电流功能，并设置 3478A 离开自动量程，变为手动量程模式。按任何切换量程的上、下键均可达到此目的。然后切换到 0.3A 量程。
d、保持 HI 和 LO 开路
e、按上档键和校准键，即蓝色小按钮和 LOCAL（CAL）按钮。
f、切换到 3A 量程，重复 e 步骤。
g、将直流标准源接入 3478A。
h、切换 3478A 返回 0.3A 量程，并设置直流标准源输出 0.1A 电流。
i、按上档键和校准键，即蓝色小按钮和 LOCAL（CAL）按钮。
j、用切换量程的上、下键修改屏幕上的显示值，使其和标准源输出的值一致。然后，按下 SGL/TRIG 按钮。
k、将 3478A 切换到 3A 量程，重复 g-j 步骤，但标准源输出 1A 电流。
3、然后进行交流电压调整，它必须在完成 1 步骤或在性能检查中电压功能检查通过的情况下进行。在这之前，将表预热一个小时以上。调整需要一个 3V、1KHZ 的源，它将用于对基本的 3V 档进行满度线性校准调整和对 30V 档进行 1/10 分度的线性校准调整，两个线性调整将用于所有其它量程的交流电压测量。
a、重启动 3478A，按上档键（蓝色按钮）和 SGL/TRIG(TEST/RESET)按钮。之后，3478A 应该设置于直流电压功能，自动量程状态，内部触发，和 5 位半显示状态。
b、用一个小螺丝刀将前面板的“CAL Enable”旋钮拧到“开启”位置，此时看起来刀口应该是垂直的。
c、切换功能到交流电压，量程 3V。
d、设置 3478A 为单次触发模式，即按下“SGL/TRIG”按钮
e、将交流标准源接入 3478A。
f、设置交流标准源输出 1KHZ 的 3V 电压。
g、按上档键和校准键，即蓝色小按钮和 LOCAL（CAL）按钮。
h、用切换量程的上、下键修改屏幕上的显示值，使其和标准源输出的值一致。然后，按下 SGL/TRIG 按钮。只需要校准和调整 3V 即可完成所有对交流电压量程的调整。
4、交流电流功能的调整，它使用步骤 1-3 即直流电压功能，直流电流功能和交流电压功能的校准参数进行计算得出调整值，所以如果依次进行了步骤 1-3 则没有进行 4 步骤的任何必要了。
5、电阻功能的调整，必须分别对 2 线电阻和 4 线电阻功能进行调整。它接受满度或 1/3 分度的调整值输入。
a、重启动 3478A，按上档键（蓝色按钮）和 SGL/TRIG(TEST/RESET)按钮。之后，3478A 应该设置于直流电压功能，自动量程状态，内部触发，和 5 位半显示状态。
b、用一个小螺丝刀将前面板的“CAL Enable”旋钮拧到“开启”位置，此时看起来刀口应该是垂直的。
c、设置 3478A 为单次触发模式，即按下“SGL/TRIG”按钮。然后，切换到 2 线电阻或 4 线电阻功能，根据你需要调整的功能而定。然后，设置 3478A 离开自动量程，变为手动量程模式。按任何切换量程的上、下键均可达到此目的。最后切换量程到 30 欧。
d、将短路器插入 3478A 的 HI 和 LO 插孔，如果是 4 线电阻测量功能，需要使用 4 线短路器，将 INPUT 和 SENSE 插孔都短路。
e、按上档键和校准键，即蓝色小按钮和 LOCAL（CAL）按钮。
f、按一次 SGL/TRIG 按钮，触发万用表进行一次转换并调整零点失调。如果正确完成了，显示屏将出现 CAL FINISHED 提示。
g、移除短路器，将标准电阻接入 3478A，根据需要进行的调整，选择 2 线接法或 4 线接法。
h、将标准电阻设置为 30 欧姆或 10 欧姆。
i、按上档键和校准键，即蓝色小按钮和 LOCAL（CAL）按钮。
j、用切换量程的上、下键修改屏幕上的显示值，使其和标准源输出的值一致。然后，按下 SGL/TRIG 按钮。等待屏幕出现“CAL FINISHED”提示。
k、移除标准电阻，切换到 300 欧量程，重复 d-j 步骤，但使用 300 或 100 欧姆的标准电阻。
j、依次切换到 3K、30K、300K 和 3M、30M 标准电阻，重复 k 步骤完成所有量程的调整。

i387dx

引用第10楼lilith于2011-02-01  15:27发表的  :

……

交流就没有办法了，短期、具备 5 位半下不超过 +/- 2 个字变化、失真或许不大于 0.1% 的 ACG 稳幅文氏电桥 1KHZ 正弦振荡器不难做，但如何测量标定它就是问题了，如果要从直流 10V 去标定它，那么必须有一个足够快分辨率也足够高的 ADC 将其量化，才能从已知 10V 去标定它。显然很难在业余条件下找到这样的 ADC。
.......

交流校准为什么不考虑用方波信号呢？

高位台表的交流都是真有效值的，这样用来测量方波或者正弦波应该都是一样的。

而如果用方波制作基准源，特别是较低频率的方波，会比正弦波基准源简单而且准确很多。

wbxms

这倒是好思路。

lilith

引用第26楼i387dx于2011-02-02  02:29发表的  :

交流校准为什么不考虑用方波信号呢？

高位台表的交流都是真有效值的，这样用来测量方波或者正弦波应该都是一样的。

因为一般来说手册要求使用正弦波，而且方波的高次谐波对真有效值转换电路来说存在带宽是否够大的问题。如果是对 1KHZ、电压不高的正弦波进行测量，我想了一下可以用运放整流后测量其平均值，然后根据平均值计算出有效值。只要正弦波失真比较低，那么计算出来的有效值会很接近真值。

引用第25楼wbxms于2011-02-01  22:46发表的  :
先贴上HP3478A的校准方法，作为参考资料。这是引用坛上以前帖子的内容，对原作者1820兄表示感谢。
3478A 校准手册
一、首先，检查 3478A 的各功能和各量程的性能，对照表 Table 4-3（直流电压）、4-4（直流电流）、4-5（交流电压）、4-6（交流电流）和 4-7（电阻）。如果符合指标则无需调整。
二、如果需要调整，按照以下步骤进行。
1、首先进行直流电压调整，在此之前，将表预热 1 个小时以上。
.......

这个是我写的...

baof