7V和10V基准的测试 Test of 7V & 10V Voltage Reference

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○、序言
DIY了个电压基准，到底性能如何？怎么才能在有限的环境下知道该基准做的是否成功？这是很多人所关心的。

有了一个妥当的测试，就能考核自己的7V和10V基准的好坏，分类，也能给找出不理想原因提供依据，进行改进。

图：Aeon在2009年7月制作的10V基准，220V供电

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一、测试前对基准的要求
1、有良好的安装和外壳
内部焊接和固定稳定，接线良好，基准IC周围装有防热对流的泡沫，有铝盒子作为均温和屏蔽
2、有良好的电源
电源要求有电磁隔离（一般要装滤波器），采用线行变压器结构（而不是开关电源），初次极绝缘良好，具有静电屏蔽，并有较小的初次极电容。
最好装有电池，这样不仅可以在短期掉电的时候可以支撑运行，还可以进行转移测试，更主要的是测试时可以断开交流电，直接电池供电避免交流电引入的干扰。
电源部分最好与基准部分独立，以免互相电干扰和热干扰
3、有一个良好的测试环境
温度稳定
电磁环境好，无干扰
接地

下图为Aeon 10V基准的内部。可以看到，电源部分带有滤波器，放在最后，距离基准部分比较远，这样影响（热、电磁干扰）就小。
外壳是铝的，直接接到交流电的中性点（PE，保护地）
同时，主基准部分有自己单独的屏蔽，一方面可以均热，另一方面也是屏蔽，这部分引出后就是保护（Guard）

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二、测试项目
那么基准的哪些指标值得去测试呢？
1、稳定性。
稳定性包括超短期稳定性、短期稳定性、中期稳定性、长期稳定性三类
超短期稳定性主要指10秒为一周期或更短时间的稳定性，这个指标直接影响测量读数的可重复性。如果可重复性不太好，多次读数值就不一致，让后续测量难于进行。短期稳定性的主要原因是基准的超低频噪音，可以用Vp-p来表示，单位uV，或者可以用多次测试的标准离差（单位uV或ppm）来表示。

短期稳定性，一般指半小时之内的稳定性。当比较两个基准或多个基准的时候，一般要有先后测试次序，即测试一套数据需要一段时间，一般在10分钟到半小时。在此期间要求基准变化很小，否则将影响结果。

中期稳定性，一般指一个月到90天的稳定性。这个指标主要用在异地转移、对比测试和校准。一个基准从标定后，应该尽快加以利用，以免基准发生变化。

长期稳定性，一般指年稳，或者更长的时间。正规的检测都是一年一次，因此在此期间就处于无校准的自由状态，所以在这一年之间尤其是后半年，基准如何完全要靠自身的稳定性来保证。业余条件下，有可能校准的时间更长，因此也对长期稳定性提出更高的要求。长期稳定性一般用ppm/年来表示。现在由于正规的使用避免用ppm字样，因此都用uV/V来替代ppm。

2、开机特性。
开机特性描述一个基准从开机到稳定的过程的。有了开机特性，就可以知道基准加电后到底什么时间可以达到最终值的多少，也就可以知道在不同要求下必须开机多长时间可以使用。

开机特性也包括再入性，即开机后是否能再现关机前的电压，也就是多次开关机，每一次的电压到底有多大的变化。低温的基准容易做到好的开机特性。

3、温度系数。
温度是稳定的大敌，任何量都或多或少随温度变化，一般以ppm/C来表示。业余条件下由于很难有恒温的房间，基准的温度是随环境温度而变化的，因此了解到底如何变化，影响大小就很有必要。基准对外界温度的变化一般会有一些滞后效应，外壳和内部有热惰性，不会马上随温度的变化而变化。

4、其它
对电源的敏感度/最低电源电压
热电动势

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三、测试仪器

测试一般需要如下设备：
1、高稳定万用表
为了能够对电压基准进行直接测试，必须有个好的表。最好是日稳在1ppm之内，年稳在10ppm之内的8位半表。常见满足这样指标的万用表包括1271/1281、3458A等。

2、高分辨万用表
当高稳定的表不易获得时，可以用高分辨的万用表替代，要求至少分辨1uV，最好到0.1uV
分辨到1uV的表尽管对于7V是0.14ppm，但最后一位往往有不确定因素和噪音，因此还是能分辨到0.1uV的为好。满足这样要求的万用表一般是7位半的，比如Adv的6871。当然，6位半的也可以用，尤其是某些表比如HP/Agilen 3401A，可以用GPIB读出7位半的数值，仍然可用。

3、分压器和指零仪
其实，这两种仪器是经典的检验任意电压的方法。有了这两个东西，就可以实现高精度的对比

4、更好的电压基准
主要用做对比用，这样可以测试得比8位半还准
另外也用于考核DIY基准的中长期漂移

顺便看一下我的两个备用机柜，这些都是不太常用的

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四、测试的前的准备
预热
尽管现代基准预热时间不长（小时级别），但为了兼顾和稳妥，建议预热24小时后再正式测试


防风罩
基准IC都是采用玻璃+可伐合金密封的。可伐合金具有与玻璃一样的膨胀系数，广泛用在电子行业进行全密封，比如灯泡、电子管、金封电阻、金封IC。然而，可伐合金的热电动势很大，这就要求在管脚处要严格均温，所以管脚周围要盖上防风罩，以防对流气流。即便是263/LTFLU这样的非恒温IC，也由于自身会少许发热，加上个罩子会更好的提高短期稳定性。对于LTZ来讲，ACH后缀的内部已经有隔热措施，因此只要防止对流就可以，罩子不应太厚，否则会使得温差加大，势必在较高工作温度下要调节内部工作温度到更高，这样对稳定不利。


屏蔽和接线
基准一定要接有金属外壳，这样才能防止外界干扰，进行电磁屏蔽。
基准的接线柱和接到万用表的引线最好用低热电动势的。低热接线柱可以用紫铜或碲铜DIY，而接线可采用紫铜U叉来DIY，成本低廉而且效果不错。测试线要用双芯屏蔽线，屏蔽层接表的保护（Guard）和基准的外壳。


温度的影响
寻找温度不变或缓慢变化的环境。有空调的房间，避免冷风热风直接吹到基准或相关仪器上。按理说测试环境应该恒温，但业余条件下很难，因此我们的目标之一就是尽量降低基准的温度系数，所以为了测试温度系数，往往要同时改变温度、测试温度，这样就可以同时得到温度系数。


环境的影响
测试环境一般很难理想，会存在各种电磁干扰。干扰会在很多常见的非线性元件上产生整流效应，因此回引入直流偏移。
常见的干扰源包括计算机、次品开关电源、充电器、电子镇流器、各种数字设备。
测试环境是否被干扰，可以用频谱仪+宽带天线来进行。也可以用高频毫伏表+简易天线探测器来探查。
减少干扰的方法，除了尽量排除干扰源外，一个是要在电源供电滤波上下功夫，解决通过电源线而引入的干扰。另一个是在测试线上下功夫，比如套上磁环，避免干扰传播。


仪器的预热
除了被测试基准预热外，测试基准和测试万用表也要预热。一般预热时间也是24小时，但如果要求不高，或者对自己的设备很了解，可以适当减少预热时间。

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五、测试的方法和过程

1、万用表设置和读数方法
由于测试要求高，因此一般要设置到最高分辨。
测死周期可以按照最高精度来选，比如像Agilent 建议的那样选NPLC=100，甚至200。但我喜欢选NPLC=50，原因是这样也足够了，速度还快。更主要是因为测试环境不会很理想，偶尔的小干扰会被标识和排除。如果选200，那么小的波动读数容易掩盖。


2、读数建议用GPIB自动进行，这样一方面没有读数误差、不会错过时机，另一方面也可以人不靠近，减少干扰
当然，有迹象表明，把计算机通过GPIB电缆接到仪器上后，会增加噪音，甚至影响读数。


3、读数间隔，如果手动的话要根据场合。例如测试短稳时要持续读。但测试中长期稳定的场合，就只要每天一次，甚至更长的间隔


4、测试方法：连续测试法
适合背靠背比较，或者只有测试表的情况下。把表接到基准上连续测试，定好时间，最适合GPIB自动测试


5、测试方法：转移测试法
也叫对比测试法。比如你有了个10V基准，要对比另一个7V，那就要用高位表每隔一定的时间，测试一下10V和7V，进行对比。很多高位表做此目的是很不错的，比如3458A，转移特性可以做到0.05+0.05ppm，这对于一般测试也足够用了。由于这样的测试涉及测试目标的变换，因此一般要手动进行，除非你有低热自动开关。

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六、测试的记录和处理

1、测试的记录
如果是手动测试，需要记录测试日期、时间和测试温度，然后输入到计算机里
如果是GPIB自动测试，那么这一切都是现成的。保存的时候最好把文件名改成容易辨识的

2、测试数据的后期处理
----做曲线图。这个部分是很关键的，也是最直观的


----统计简单的变量。比如标准离差、阿伦方差等。前者代表了一组数据的离散程度，后者表征了短期稳定性。

----复杂的计算
比如可以通过电阻对温度的变化的数据，分别求出α和β温度系数；
再比如可以通过对电阻的长期测试数据的处理，直接用2元回归得到电阻的老化系数和温度系数。

3、综合测试与自动测试
这个涉及计算机全自动控制和测试，除了需要以前说的设备外，还需要GPIB卡、计算机软件和编程。另外，硬件方面需要自动低热电动势开关，进行切换。

lymex

【全文完】

lxjjm

认真学习！！！谢谢

yjm2000

以后做好电压基准就按老大的测试方法测试后再让老大标定一下！

changlu

学习了。收藏下来，做好后照着测试。

寄心斋

老大辛苦了！

chq1

学习了

ssneao

比较中意右面柜子里的HP表 咔咔

thy888

嗯，再学习学习

裕作

救命啊！！！好毒！！！

电子管迷

看老大的文章知道了不少关于基准的知识。谢谢老大！

rube

学习

轩尼诗

学习了，谢谢老大！

suny-hyb

学习了，谢谢老大！

zjinkui

又仔细看了一遍，真不错

mqrong

学习学习再学习。谢谢老大！

zgq

我的娘啊！这麽厉害

csclz

学习

tompeng

学习了，谢谢老大！

zsxlh

老大说：【有了一个妥当的测试，就能考核自己的7V和10V基准的好坏，分类，也能给找出不理想原因提供依据，进行改进。】永远紧记！！！

zsxlh

再次进来温习功课。

zenglei421

认真学习，