电压基准测试比较用无电源开关/扫描器 Powerless Scanner for Voltage Reference C

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前言

开关和扫描器的话题不少了，我自己也有了几个开关/扫描器：
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
但是，这两个开关太笨重，接线不方面，更主要的是老式的，GPIB没有驱动，还没有改造完，不能用简单的方法进行自动控制。

2、机械开关/扫描器，手动转换
https://bbs.38hot.net/read.php?tid=1006
但是，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，提及、无需电源、无需操作。自从制作完成后，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。不过，通过DIY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。


这三类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。而为了达到这个目的，就有必要做一个专用（其实也是通用）的扫描器了。

这扫描器完成后，很可能是“世界上第一款无电源扫描器/开关”。

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、多个电压基准同时对比、长期对比。
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比，不仅提高了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，所有的基准都相对4910AV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、对比的基准为：731B×2，732A×1，732B×1、734A（×4）、4910（×4）、DIY×4，这样一共是16个

2、与以前的那个2×4开关不同，多个电压基准的对比要防止基准之间的短路，瞬态也不行。也就是说，任何时候都不能出现两个开关同时接通的情况。

3、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。

4、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，几乎不发热，也自然会降低热电动势。

5、只进行基准的依次扫描，不随机寻址。

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思路

一般来讲，电压测试对比需要的是N×2扫描，类似这样：


其中E1～En是多个待比较的基准，K1～Kn是对应开关，同一时间只有一个打向右边；M是测试用高位表。这个电路的优势，是对称。而且，由于每路有两个完全独立的刀，因此也可以测试不同电压下的电位，例如恒流法对比多个电阻：
   


实际上，商品的Dataproof 160A，不仅是N×2的扫描，而且有另外的两刀，即一共4个刀，可以两、两的控制到接通任意16个输出之一，即N×(2+2)：

   


当然，这样做可以做到完全对称，灵活多用，作为商品是应该的。但是，作为一个特定的电压基准的对比的需求，用1刀就够了，而不是4刀。这个电路的下面2刀，引到外边后，也短路掉了。
能这样说，也基于前天与vvi讨论问题的时候，我提出的一个观点：
与其说要互相靠近，到不如都向理想靠近。

例如分压匹配电阻，要选择两个温度系数一致、老化一致，然后最好还放在一起封装。但是，若分压的两个电阻都非常理想，例如温漂小、老化小，那分压就好。
同样，如果开关能在内部能做到热电接近零，那么就不需要对称了。用N×1替代N×2，就是在内部把公共端接到一起。这样，渴望达到“无热胜过低热”的效果。

也就是说，本文的后面的内容，是描述如何制作一个N×1扫描器，类似这样：
  
  


从最后一图可以看出，此开关不仅可以用于直接对比测试，还可以用在背靠背测试。

这样，一路只需要1组触点，对于双触电的继电器，可以省下一组继电器触点做检测和指示，以保证不会两路触点同时闭合。

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设计

采用CD4017十进制计数器做核心元件，可以2个串联达到20个计数一循环，也可以中间截断，达到任意计数，例如17。
4017的特点是10个输出脚可以分别依次输出高电位，代表其中一个对应继电器的导通。
由于要求在继电器动作的过渡期间，两个相邻的继电器不能顺势同时导通，否则这两个基准就互相短接了。因此要引入阻容延时电路，使得先关断、后吸合。
HC132是施密特输入与非门，作用之一是起同步作用，否则两个并联的门由于翻转电平的差异会不同时导通。同时也在掉电时释放吸合继电器（见下面）。
HC14是驱动，必须两个并联才能驱动继电器绕组。这部分包括100uF电容的选择等，参见2×4开关部分。
（后来，HC14被HC240替代，最好用HC573替代）


当4017的1脚变成高电位后，经过3M电阻和1n电容的延时，大约要2.5ms才能让后续触发器导通，继电器1吸合。
但当4017再次翻转后，1脚变成低电位，由于二极管的作用使得1n电容很快放电（延时大约2us），继电器1很快释放。
此时2脚的延时部分正在起作用，使得继电器2延时2.5ms后吸合，可以保证继电器1有充足的时间释放，就不会发生1与2同时吸合的问题了。
同理，此方法一直循环下去，使得吸合延时、释放不延时，外部触点会依次循环接通每一个基准。
  

做10路以内的，用一个4017就可以。若16路就需要2个了。4017可以级联，2级可以出17路，3级21路，4级29路。
以下电路是德州仪器4017的：
  


如何保证在断电重启后仍然不会有二个继电器吸合，是电路的关键。
一般情况下，几乎任何时刻都有一个继电器处于吸合状态，例如2号。若不进行处理，掉电后2号继电器仍然是吸合的，重新上电后，那么从1号开始吸合，这样就有1、2号两个继电器同时吸合了，而这是不允许的。

解决办法，就是在失电时，利用电源电容仍然保留电源电压并能正常工作一段时间的特点，让吸合的继电器释放掉，这样在掉电期间所有的继电器都是处于断开的状态，重新上电就不会出问题了。
实现的办法，是利用HC132的另外一路输入。正常情况下该输入为正，探测到掉电则转为负，这样所有HC132的输出都强制为正，吸合的继电器就被释放了。事实上，掉电之前只有一个HC132的输出为负，也就是导通的那个。掉电处理只让这一个继电器翻转，而且是电容放电，不额外吸收电源的能量。因此也可以看出，掉电后所有的100uF电容均处于放电状态。
  


掉电的探测，可以查看防反二极管的电压是否为0或反了过来。正常情况下这个二极管是正偏的，一旦负偏，就可以用一个施密特触发器门产生这个负跳跃。

当然，最简单的，应该是这个：
  
正常情况下，HC132的输入高于Vcc的2/3，这样HC132的输入为正，输出也为正。当VMC电压因为表的关闭或者BNC插头拔下后，两个电阻的分压值很快下降，门电路翻转，输出为低电位。
这部分同时做了一个上电延时。


LED显示部分。由于耗电原因，LED只能闪光显示。每一路一个LED，切换到该路时，短暂闪光。

短暂闪光必须用电容（47uF），而限流要有电阻（1k），这些并非每路一对，而是整个电路公用两对。
LED显然是不能公用的，而且由于是单向电流器件，必须用反向二极管进行泄放，因此1N4148也不能公用了。
奇数、偶数法，是流出时间让电容充电，交替进行。
这样的功能，也限制了扫描器的路数，必须是偶数个的。
至于这电路的耗电问题，一方面看，1k的电阻是继电器62.5欧的1/16，并联后造成的附加瞬时负载很小，不会对继电器吸合和系统可靠性造成影响。另一方面，47uF的电容是继电器的100uF的一半，因此造成耗电增大50%，但这仅仅是增大了充电时间，限制了测量最小重复周期。目前看，用3458A在不加LED的情况下做到NPLC=10都没有问题，即间隔0.2秒。如果这个是限制的话，可以把47uF电容减少到例如22uF甚至10uF，影响就很小了，带来的不便是闪光时间短、亮度低。


有人说，何必那么复杂，上电的时候把所有的Reset并联，给个复位不就行了？
其一，这电路并不复杂。其二，所有的Reset并联后，根本就没有那么大的能量来驱动了。不要忘记，整个系统是VMC取电的，驱动继电器要一个一个来，而且要至少间隔1秒，才能积累足够的能量。

还有人问，用单片机不是来的更简单吗？的确简单一些，可以省掉延时部分（用软延时）。用单片机的缺点是：
A、耗电比74HC的大，尽管也有低耗电的
B、成本偏高，尤其是多个I/O脚的。用2片4017加上延时，3元钱解决问题。
C、单片机需要编程、灌程序，存在工序复杂、管理不方便等问题。

还有人提议，能否用VMC做延时模二和，倍频后驱动4017，这样可以隔一个用一个，就不用延时了。这种方法的问题是，不好同步。

当然，当电路装配完成后，最初的继电器状态是随机的，很有可能多个同时导通。不要紧，先不要接基准，而是先接表（VMC），让扫描器空转一圈后再掉电，所有的继电器就都是释放状态了。这个时候，就可以接基准了。当然要注意，扫描器最好是固定，使用中严禁搬动。否则磁保持继电器可能会因为强烈震动而翻转。我自己是打算装入机架，这样就万无一失了。

采用4017很大的麻烦，输出脚是乱的，没有次序。曾经想用HC393+HC138，这样输出很规矩，但HC138是负逻辑，配合HC132太麻烦，而且没有或非的施密特触发器，因此仍然采用了4017。
另外，最后的推动电路图上用了8总线的74HC240，每路2个门并联，驱动能力很强。其实最好采用一面进一面出，方便布线，例如HC573。可惜我手边只有HC574，是脉冲触发的，不是电平转换的，不能用。因此只好先用HC240，其输入和输出是相间的，也比较别扭。

最后，这个N×1开关，实际上是N×2的了，因为多余的一个触点可以完全利用上。

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制作

制作顺序
1、列出主要元件清单
如果路数不够16，则相应元件数量自然要减少
  


2、用面包板验证单元电路，例如延时部分、失电释放等。
这个步骤是不能省略的，除非可以仿真。
  


3、然后，采用洞洞板做一个样品。

元件全部搞定后，放在板上布一下局
  


组装完毕，布局和元件与最开始的设计有所区别，驱动用了HC240而不是HC14，由于有3个空闲门，地方也富裕，因此路数从16路扩充到17路。实际上，两个4017串联，最大就是17分频。巧了，这17也是一行256字符能容纳的最多8.5为数据列（另有时间、温度），也是板子的最大容量了。
  


4、调试。出现的问题和解决：
A、大部分继电器不工作、电流大。原因：HC240的输出使能没有接
B、两个继电器的Set、Reset接反。这个问题不大，可以在接线的时候反过来，但影响测试，还是重新接了线
C、掉电的时候，如果是正常关机，则继电器释放没问题。但若把线断开，则继电器不释放。原因是肖特基管漏电有几微安，500k和200k电阻不足以让其压降下降，改为150k+50k解决问题。
D、在第8个继电器吸合的时候掉电，继电器8可以释放，但继电器9吸合了！查原因，是驱动与非门没有接掉电线
E、直接用4V电源开关的时候，每次继电器依次动作，但继电器10不动作。查逻辑没问题，焊下电容没问题，换了继电器还是不行，最后只能是认为HC240不好了。当然，真正工作还没发现问题，包括继电器10吸合的时候掉电，都可以释放。


5、找外壳、做支架、钻孔面板、焊接引线、做引线







         


   



以后，需要做PCB，小批量。PCB要兼容N×4的：每路多了一个继电器，因此要并联HC14。同时，去掉延时部分，但可以保留掉电释放部分。

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测试

首先是扫描器自己的测试，确保功能无误，各项指标达到设计要求。

其次，装盒、固定、接好基准。这种接法，应做到半永久性的，基本上接好后就不拆下来。

以本开关/扫描器为中心，接好基准和万用表，进行测试：
  


同时用lly的GPIB卡进行采集，采集周期以24小时计，这样可以采集足够多的数据，而且经历了一天的温度循环，便于评估其温度系数。

采集下来的数据，是类似这样的，每个数占一行，前面有时间和温度，每17行一循环（以下有省略，11行一循环）：
2009/7/18
00:54:13 27.4  1.000012240E+01  
00:54:19 27.4  1.000005133E+01  
00:54:21 27.4  1.000003396E+01  
00:54:23 27.4  9.999923327E+00  
00:54:25 27.4  1.000006743E+01  
00:54:27 27.4  1.000006777E+01  
00:54:29 27.4  1.000006513E+01  
00:54:31 27.4  1.000007609E+01  
00:54:33 27.4  1.000007242E+01  
00:54:43 27.4  1.000006870E+01  
00:54:45 27.4  1.000015276E+01  
00:54:47 27.4  1.000012243E+01  
00:54:53 27.4  1.000005120E+01  
00:54:55 27.4  1.000003406E+01  
00:54:57 27.4  9.999923560E+00  
00:54:59 27.4  1.000006749E+01  
00:55:01 27.4  1.000006825E+01  
00:55:03 27.4  1.000006557E+01  
00:55:05 27.4  1.000007678E+01  
00:55:07 27.5  1.000007291E+01


用自编程序进行分栏、分行，使得同一个周期下的，规到一行，便于处理。然后读到Excel表里如下：



可以作图、分析、计算等。
这样的数据，几乎是包含了基准的全部特性信息，例如短稳、噪音、温度特性、中稳。
处理后得到的数据中，其中很重要的一项，就是计算出每个基准本次测试的标准值。
  

从图上可以看出，731B的表现一般，干扰大一些，而且有能察觉出来的温度系数。其余的基准短稳、中稳都非常好。

更新：找到一处扫描开关的问题：表输出线与外壳接到一起了，造成开关的时候Lo与Guard之间的漏电和充放电直接干扰输出。731B表现不好就是这么来的，可喜的是其它基准在这种场合下仍然能有非常好的表现。更正后，重新测试了20个小时，结果好很多，731B的抖动也没有了。


再后可以做一个总表，横轴是日期（以年、月为单位），纵轴是ppm偏离，把所有的测试基准的变化趋势。
以下是SR104的一个例子

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部分测试结果

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【全文完】

yjm2000

沙发一下！

rifle

禁止管理员抢沙发

changlu

坐地板学习

轩尼诗

打倒管理员抢沙发 [s:37]

lxh1

首页占位

zy_sh_npk

老大这么快就出成果了，顶！

hu_lin

磁保持继电器主要是为了减少发热吧

pdshyh

关注对比测量一段时间，看基准测量资料几十年厉害，diy扫描器资料没找到就买一台HP3488A，正在学着对比测量，谢谢！谢谢！