电压基准测试系统 Voltage Reference Test System

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一、电压基准测试的基本方法

这段时间大家都做了很多基准，但如何知道做的好坏？温度系数如何？稳定性如何？这就需要进行测试。那么如何测试呢？

1、简单测试
最简单的就是用高位表，直接测试，采集用人肉，或者GPIB卡自动进行。


但是，这种测试方法，只能测试基准的短期情况，比如开机特性或者把基准带电冷藏后，拿出来测试温度变化情况。一旦涉及中长期稳定性，或者由于整体环境温度的改变而引起的读数的变化，那么这样的测试就有很大问题。读数如果有变，到底是基准的变化，还是表的变化，是无法分清的。原因很简单，我们做的基准都是用最好的元件，263/LTFLU/LTZ1000，而且做了很多的稳定性措施，指标可能很高，比如达到0.2ppm/C温度系数，日变化<0.3ppm。即便是最高档的8位半万用表，其24小时的稳定性（0.5ppm）、温度系数（0.5ppm/C），可能都在我们DIY的基准之下。所以，上述方法与其说测试基准，还不如说是用基准来测试表。
以下图表，就是redtony采用llycom的GPIB卡直接测试的结果。由于lly的卡带有温度，因此用的2轴直方图。



2、 背靠靠对比测试
其次就是用2个基准做背靠背对比：


这种对比，由于电压相差很小，可以采用高位表的最灵敏档（比如100mV档），这样分辨就可以达到0.1uV。即使分辨到1uV，也相当于10V的0.1ppm，因此可以看到平常看不到的变化细节，可以用6位半表取得8位半表直接测试的效果。
当然，在两个基准互相仍然有变化的情况下，你也不知道是其中一个基准变大，还是另外一个基准变小。
因此，此种方法主要用在在两个基准相差比较大的时候，即一个为比较好的基准、另一个是普通基准，那么就可以以前者为参照（认为是固定不变的），而把变化都归结到另一个基准的身上。若两个都是差不多的基准，那就不太适用了。
以下图表，就是Jambalaya用3456A，对比测试2个7V的结果。横轴是时间，对比了24个小时。纵轴是电压差，uV。可以看到，互相差异的最大值大约是2.5uV，也就是0.36ppm，直观的得到了基准的超低频噪音特性。



3、基准并联
测试的最基本的方法，就是对比。
比如我做了3个基准，或者更多的基准，如何测试呢？如何对比呢？
很简单，先要对基准进行并联。统计分析的结果告诉我们，基准并联后，会降低噪音、减少不确定度、提高稳定度。从数学的意义上看，并联就是做算术平均。

因此，并联分为逻辑并联和物理并联两种。前者就是直接对基准进行分别测试，然后对数据求平均值。而后者是用电路来实现并联，直接输出一个并联的、平均的信号。


物理并联，就是把并联基准的所有的负端接到一起作为输出的负，把正端通过电阻串联后再接到一起作为输出的正。所用的电阻必须是相等的，阻值的选择视并联的基准的电压差而定，一般选择100欧。假设上述基准最大差别为100ppm（即1mV）因此选择100欧后，最大电流不会超过10uA。而无论10V和7V基准，本身的输出电阻都非常小，一般都有<0.01欧，所以引起的电压变化不会超过0.1uV，对于10V是0.01ppm.可以忽略。如果并联电阻选择太小比如10欧，那么因输出电阻的原因而引起的变化就不容易忽略。但如果并联电阻选择更大一些例如1k，那么并联后输出电阻就比较大，对后续的测试就很不利了。

4、扫描测试，用8位半
即采用物理开关的方法，把待测基准逐个转换，接到高位表上，分别读数。


图中红色框内的部分，就是一个转换开关。这里画出了最简单的形式，单刀多掷。实际上，开关可以是双刀的（适合正负电压同时转换），甚至是4刀的（适合测试4线电阻），而开关的控制可以是程控的。这样的开关有成品可买到，比如Dataproof的、高联的，但价格都非常贵（万美金级别）。
这种方法适合具有8位半表的场合，基准可以是任意电压混合，平均可以在测试后进行。


5、背靠背扫描测试
同上，但若没有8位半表，只有6位半，那么我们必须用一个基准，把6位半的基础台起来，让6位半能使用高分辨、小量程。


右边V0应该采用一个自己信赖的、经过考核和标定并认为是最好的基准，作为基础。当然，假设以后发现这个基准不是那么理想，也可以有办法进行修正。


6、并联背靠背扫描测试
一旦进行了并联，我们就有了手边最好的基准，因此一切测试都应该参照这个并联基准来进行。


可以看到，高位表的负端接到了并联输出端，这是目前所能找到的最好的基础。而高位表的正端经过扫描开关，分别可以测试每个基准的输出。
当然，细心一些就可以发现，高位表实际在测试每一个并联电阻上的电压！
是的，事实就是如此，这也是并联的作用。因此，也可以把并联电阻和开关装在一个机壳里。

附注：以上并联，是一个示意。只有在各基准的电源是独立并高绝缘的情况下，才能采用简单并联（即把各基准的地简单的接到一起）。如果各基准用的是同一组电源，那么，开关必须是两组的（也对负输出进行转换），同时并联也是对称的（即也要用几个100欧电阻接到各个负输出，再接到一起，作为并联负输出）。

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二、电压基准对比测试系统

1、要求和目标：
a、高性能，这不能妥协
b、实现容易，成本不高
c、使用方便，不言而喻


2、测试目的：
通过对比测试，得到每一个基准的温度系数和中长期稳定性指标


3、系统组成图


其中基准组群就是待测试的基准，由于要对比，必需尽可能的把自己的、外来的所有基准都接上。10V、7V电压任意，数量主要取决于开关。但若没有8位半，最好是背靠背测试，因此要求电压一致，即要么全是10V，要么全是7V。


4、控制器
控制器包括接口控制部分、开关部分和接线部分。
其中，开关自然是自动控制的，可以采用磁保持继电器或者PhotoMos，个人倾向于后者。为双刀，尽管背靠背测试可以用单刀。
控制部分的输入信号来自高位表的VM COMP，即Voltage Measurement Complete测试结束信号。一旦测试结束，万用表就发一个脉冲，控制部分就可以把开关转到下一位置，然后，等待一小段延时后（目的在于让继电器接触牢固、电压上升完毕），触发高位表进行下一次测试，这可以通过万用表的Ext Trig（External Trigger外部触发）来进行。
实际上，我的3458A、34420A、34401A、6581T、6871E、1281都带有延时测试，也就是测试开始的时候（内部触发或外部触发），先自己进行延时（可调），再进行正式测试。例如3458A可以用命令Deley 1E-1来设置0.1秒的延时。有了这样功能的表，就可以不接收这个触发信号。因为，一旦测试完成就发出VM信号，控制器很快控制开关完成转换，此时万用表还在延时。转换完毕后自动开始下一个测试。所以，这个Ext Trig也画成了虚线。

由此可见，以上过程重复下去，就可以实现测试的循环，而不是测试同一个信号。
当然，控制器部分可以设置成每个开关测试几次（这样可以去掉不正常的信号、取平均等），然后再转到下一位置。
另外，控制器也可以选择循环的个数，因为位置可能很多，但实际没有都接基准（用于一共有10个测试位置但只接了5个基准），以便排除空测试。
控制器的外部接线采用单芯线、全部焊接的方式，类似Dataproof的某款开关，这样不仅简化接线，而且有不错的热电动势。


5、高位测试表
可以采用8位半，利用其良好的线性，可以直接对比7V和10V，即基准电压可以混合。也可以采用6位半，这样只能对比到1ppm（或者34401这样的可以从GPIB读出7位半、0.1ppm），这样最好接成背靠背的方式，只适合全部为10V的基准或全部为7V基准的场合


6、采集卡，可以用lly的或者成品的

7、PC机，毋庸多言，自动记录和后期分析处理所必需

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三、系统实现细节

以下是自己的试验系统。
如果要做比较正式的系统，满足大多数人的要求，那么大体的步骤是：
确定系统功能----尽量照顾多数人的需求，既不太复杂但也要留有一定余量
确定系统结构----简单、高性能、容易扩充、使用方便、价格不高，此为可以考虑的设计原则
电路设计--------实现方便，取材容易
布线
软件设计
组装测试


核心开关部分，可以采用PhotoMos开关。这是Wavetek在7000的电压基准系统里曾经用到的。
PhotoMos开关的优势，在于输出部分比较理想。我曾经用过KAQY212，4脚的形似光耦，输入部分是LED特性，只要1.0mA（1.1V）就能导通，导通电阻在1欧以下（纯电阻，MOS开关，较低热电动势）。而断电后输出也断开，开路电阻是1E10级别的。初级次级隔离，可以耐受kV级电压，耦合电容也很小。
这个开关也可以采用KAQW212，8脚的双开关。
当然，若采用松下的AQV102/AQV252，也可以，只不过是6脚的，体积要大一倍，不便于安装。

以下是我以前用这个PhotoMos做的开关，用4017做计数、循环，直接输出，给电阻+LED+PhotoMos串联，用5V电源。


这部分现在制作，可以采用类似的电路，用1个或者2个74HC4017串联，有最多10路/20路。
电源可以用2.5V供电，这样功耗小、发热少、热电动势就小。

控制部分的输入信号来自高位表的VM COMP。每当高位表测试完成，就输出一个脉冲，我们就可以利用这个信号，把开关转到下一位置，然后，用高位表自身延时一小段时间后，开始下一次测试。

VM COMP信号一般都是TTL负逻辑，即输出是低沿。这样，很可能需要一个上拉电阻接到2.5V电源上，电阻可以用100k。
万用表的测量触发，也是TTL信号，这样就可以用一个PhotoMos，直接短路进行触发。
以下是34401A的说明：



高位表一般都有这两个输入/输出，下面分别是34401A、34420A、3458A、2001、6871E、6581T







万一某表没有VM Comp信号（但也一定有触发信号），那就可以进行延时触发。时间达到后，先提前把开关转换好，延时一小段时间（0.1秒一般足够），对高位表进行触发。



至于引线部分，可以采用类似Dataproof 160B的一种选件方式，用屏蔽单芯线，一端直接焊接在开关的电路板内，另一端裸露出来，直接压接到基准和万用表的的接线柱上。
要知道Dataproof的开关具备0.04uV以下的热电动势，效仿其方法是可行的而且简单方便。线材可以找那种6类网线（屏蔽的）。



2009-10-3补充：做好了一个试验系统

其实很简单，就是把3458A的VM接出来，用稳压管小小的shift一下电位，在3458A里设置EXTOUT 6，就好用了。
红、黑夹子，就是VM输出。实际上电平有点问题，用了个5.1V的稳压管转换了一下。
盒子是临时放的，里面有8块7V板（空闲2块）。同时引出一根网线，接到几个外部基准上 。
电路用了2个CD4017，最多允许20路，我给设置成了17路。其中，内部7V板10个，0点1个，平均输出1个，温度信号1个，外部输入4个

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四、数据处理

下面以lly的GPIB采集卡为例，给出处理过程。

单批采集，即接好接线、开机、预热后，运行采集程序，一直到采集结束。期间可以只进行几分钟，也可以进行几小时甚至几天。这里不建议一直开机测试，那样的话不便于停下来做分析和调整，而且业余条件下也不好保证各电源的供给和环境的变化。另外，采集程序也有个跨日期的处理的麻烦。

单批采集的数据格式是文本的，结构如下：
2009/10/03 22:32:45
27.9  1.000000869E+01
22:32:56 26.9  7.078605518E+00
22:32:59 26.9  7.080699989E+00
22:33:02 27.0  7.068441122E+00
22:33:05 27.0  7.067915417E+00
22:33:08 27.0  7.058440395E+00
22:33:11 27.0  7.071071878E+00
22:33:14 27.1  1.000005257E+01
22:33:17 27.1  3.426300468E-01
22:33:20 27.1  1.000018128E+01
22:33:23 27.1  1.000000799E+01
22:33:26 27.1  9.843610130E+00
22:33:29 27.1 -3.541230748E-06
22:33:32 27.1  7.065652571E+00
22:33:35 27.1  7.071073014E+00
22:33:38 27.1  7.070222842E+00
22:33:41 27.1  7.071071863E+00
22:33:44 27.1  7.077931533E+00
22:33:47 27.2  7.078603376E+00
22:33:50 27.2  7.080699741E+00
22:33:53 27.2  7.068440015E+00
22:33:56 27.2  7.067916947E+00
22:33:59 27.2  7.058442013E+00
22:34:02 27.3  7.071071936E+00
22:34:05 27.3  1.000005292E+01

这个是用lly的GPIB卡采集的，每行一个数据，混合的，这样的数据是不好被Excel处理的。因此，写了个小程序，自动智能化的找出循环次数（在我的情况下是17），然后把数据排列成每行17个数，如下：
2009/10/03 22:32:45
27.9  1.000000869E+01
22:32:56 26.9  7.078605518  7.080699989  7.068441122  7.067915417  7.058440395  7.071071878  10.00005257  3.426300468E-01  10.00018128  10.00000799  9.843610130 -3.541230748E-06  7.065652571  7.071073014  7.070222842  7.071071863  7.077931533
22:33:47 27.2  7.078603376  7.080699741  7.068440015  7.067916947  7.058442013  7.071071936  10.00005292  3.431661134E-01  10.00018122  10.00000873  9.838864211 -3.439219986E-06  7.065655952  7.071072504  7.070225407  7.071071849  7.077928415
22:34:38 27.3  7.078605577  7.080701635  7.068444897  7.067915927  7.058443849  7.071072315  10.00005248  3.436659516E-01  10.00018096  10.00000828  9.838244116 -3.380928122E-06  7.065657001  7.071072854  7.070228045  7.071072009  7.077934637


可以看到，每行不再是1个数据，而是17个数据了。同时，不仅排列方式改变了，而且数据也更直观了，这样就可以读到Excel里：




然后就可以做图



（后续分析）

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最后，列一下所需材料/元件：
1、PhotoMOS，用KAQY212最好（4脚，这个我用过），也可以用KAQW212（8脚、双开关）、AQY212（4脚、松下）替代。每套系统要30只（10路）或60只（20路）。
2、74HC4017，没套系统要1只或2只。
3、串联电阻，1.2k（大约，电源用2.5V）
4、LED，3mm高亮（用LED串联必需5V供电，而且串联电阻要根据LED的颜色、批次而定）
5、74HC02
6、。。（其它元件）。。。。
7、6类网线，或单芯屏蔽线
8、机壳
9、延时调节电位器、旋钮，100k
10、。。。

【全文完】

llycom

，先顶再看

轩尼诗

认真学习。

changlu

坐地板上学习

逆风草

学习一下。。

grn

认真学习

lxjjm

认真学习中

haisens

[s:31]  [s:31]

aeon

有了这个开关系统，对比测试就方便多了。人肉虽然强大，但很累呀。

bgqjm

厉害，LD

rifle

我已经囤积若干AQV102/AQV252

jj3055

学习了,总算知道什么叫背靠背测试了

lmserver

好文章。

thy888

正在想法测试，学以致用，好

caoshanhui

感谢Lymex的分享。

yjm2000

本坛电压基准传递活动的前奏--基础知识准备篇

chenang39

好帖，慢慢学习。

zsxlh

进来好好听课。[s:30]

liming2999

lymex 发表于 2009-9-15 10:34
二、电压基准对比测试系统

1、要求和目标：

请教个问题，34420里的电压比较DC:DC是两个通道同时取样的吗？