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固态电压基准 Solid-state Voltage Reference  2009-12-09 13:52

 一、前言


固态电压基准,顾名思义,就是不是液态的,而是采用半导体齐纳管作为基准原件的。与传统的饱和电池比,具有坚固易搬运、温度系数低、输出电压高且标准等特点,尽管目前国家电压标准为约瑟夫森阵列,但由于投资大、使用不便,固态基准仍然是计量部门电压保持、传递的主力。

固态电压基准的早期阶段,有很多厂家与品牌,比如HP的735A、valhalla的2734A,Datron的4910/4911/4912,Guildline的4400/4410, Fluke的731B/732A/732B,Wavetek的7000系列。当然到了目前,这些品牌消失的消失,合并的合并,目前还在生产固态电压基准的,几乎只剩下Fluke一家了,悲哀。

HP是仪器老大,而且网上资料很全,可以查到其735A早在1965年就开始生产了。尽管当时还叫transfer standard,而且只有1V和1.018V,毕竟是固态基准,况且是恒温的。

Fluke从1974年生产731以来,对固态基准业作出了很大贡献。731B是最早、成熟、销量很大的固态基准之一。随后的10年间,Fluke本身的指标提高很快,到了80年代中期,Fluke的732A几乎成为固态基准的代名词,我国也曾经大量进口。

不过,Fluke采用的是Motorola的SZA263补偿齐纳,电压为6.5V到7V,必须用2只电阻分压升压到10V,而Fluke本身一开始就采用稳定性有限的金封线绕一直延用到现在,始终没有找到更好的方法。继732A后生产的732B,尽管指标为2ppm/a,但超指标的很多,用料和实际表现反而赶不上732A。

自从Linear公司1987年左右期研发了LTZ1000基准后,其超强稳定性、超低噪音、超小的温度系数,很快被英国人发现并加以细致的研究,指标得到证实,成为名副其实的超级基准。英国的Datron马上进行了测试研发,并以此作为自己的主基准,推出了一系列顶尖产品,比如4910/4911、1281/1271、4700/4800,造就了一代英名。这些基准设备从现在的眼光看,仍然是顶级的、无可替代的。

然而Datron好景不长,不知何种原因,到了90年代,Datron被Wavetek收购。当然,Wavetek并没改造原本Datron很成熟的产品,只是加上了自己的名字延续生产。到了1999年年初,在我定的期刊《国外电子测量技术》的第一期第12页上发现了一则消息:英国韦夫特公司研发了7000固态标准,每年只变化0.5ppm,而且可以断电!后来查询Wavetek的网站,下载了指标残缺的7000系列的彩页(没有三围和重量指标)

 

从下载的文献上看,Wavetek仍然采用了LTZ1000超级基准,但采用了几项创新技术,比如统计电阻分压、消磁、PhotoMos开关、5号电池备份等反传统概念,这样看来,7000系列给业界一个良好的开端。但殊不知,Wavetek此时正与Fluke洽谈收购事宜。到了2000年1月,收购正式生效,也意味着7000系列被打入冷宫。Fluke显然主推其性能不太好的正宗732B,因此目前市场上很难见到二手的7000。

 


回过头来看,所有这些厂家的固态基准,输出均带有10V,但其心脏都是一个6.5V-7.2V之间的深埋型稳压管,然后通过某种办法把电压升到10V。

固态基准最重要的指标,就是年稳定性,以ppm/a来表示(每年变化百万分只几)。其次的指标包括温度系数、噪音等。

 


相关文章
英国人Spreadbury对超级基准的系统测试   mtv1i8p687.pdf (327 K) 下载次数:5 

Wavetek残缺数据的7000彩页  7001.pdf (114 K) 下载次数:6 

Wavetek对7000系列实现技术的描述  DCRefStandards.pdf (82 K) 下载次数:5   

二、Datron的固态基准

Datron是英国老牌基准公司,擅长生产高准确度计量仪器,其4910系列固态基准和1281八位半万用表为其著名代表作。
4910系列是80年代末设计生产的,采用了4组电气独立但机械不独立的单元,内部采用LTZ1000CH做为核心元件,稳定度达到惊人的1ppm/a,这在当时是绝无仅有的。大概1988,Linear刚刚推出LTZ1000,而不到两年时间Datron就能做出空前绝后的4910,实属童话。另外,温度系数0.05ppm/C,低频噪音指标为0.02ppm也是非常的小。
内部从7V升到10v是采用PWM(脉宽调制)升压法,尽管可能存在滤波和噪音问题,但这种方法的升压比例很有保证,而且不会随时间而变。其实,Fluke早期在其5440A/B电压校准器上也采用了PWM技术。
Datron被Wavetek收购后,继续生产4910系列,仅仅是加了一个名字而已。
国内网友个人已经拥有了两套4910,经过测试分析,1ppm/年的指标还有很大的余量。

 

 



 



 

网上其它介绍4910的图片不多,以下一个德国的链接很早就有,而且有内部大图:http://www.amplifier.cd/Test_Equipment/other/Datron_4910.html

三、Wavetek的固态基准

Wavetek的7000系列,做到了机械和电器独立,单个指标为1.8ppm/a,10个指标达到0.8ppm/a。

 

具备内部软件系统和扫描器,功能非常强大,
内部采用统计电阻法来完成7V到10V的转换,这个转换步骤可以达到0.02ppm/℃以下的温度系数以及0.2ppm/a以下的漂移。
另外,Fluke所谓“消磁”训练技术(以在开关机冷启动时维持电压不变)都是从Wavetek买来的。见最后Wavetek的文章。
别看上面标签是Fluke,实际是帖牌而已
 




10组系统,达到0.8ppm/a


 



10V升压技术,详见下面文章
     

 DCRefStandards.pdf (82 K) 下载次数:8

四、Fluke的固态基准

Fluke的固态基准,传统上是基于所谓参考放大器(Refamp)的。
Fluke最早使用参考放大器,见于其332D电压校准器里,用的是TI德州仪器的恒温参考放大器。
后来采用了摩托罗拉的SZA263,因为当时Motorola有自己的参考放大器。有关Fluke采用元件的历史和方法,参考这里:
http://bbs.38hot.net/read.php?tid=177

Fluke最早的固态基准,是体积比较小的731A,生产与70年代,从外观上明显的模仿了60年代的HP735A:


  
 
当然,731A增加了10V,指标开始为30ppm/a比较差,后来据说该成了15ppm/a。731A还是非常成功的,体积小,非恒温,耗电少,预热快,作为替代标准电池的转移标准,卖出很多。









     



后来1983年,Fluke研制了体积很大的732A,电路其实与731A一样,只不过采用了更好的元件,做了恒温。制造初期指标为6ppm/a,后来提高到3ppm/a。有了732A后,Fluke把自己的电压基准从标准电池转换了过来。同时,这个基准当时由于生产时间较早,没有什么竞争的,因此卖出很多,我国也买了不少。现在国外的开始有陆续被淘汰的,因此二手市场上能见到,包括国内的二手。

 

 

 

 

后来大约是1990年,Fluke对732A进行了改进,生产了732B。最显著的变化就是体积。左边实际上是752A,但与732A是完全一样的大小,右边的732B小了很多。

 

关键电路采用了贴片,显著缩小了体积与功耗,电池从原来的24V大体积12小时时间变成单个通用(12V 7Ah那种)且能连续使用72小时。另外,可以把4个732A放到一个壳子里形成734A(但仅仅是放到一起而已)。指标从3ppm/a修改到了2ppm,这个有点勉强了。

 











   

五、其它基准

Guildline 4400
Specifications: 
Outputs: Four at 10V, four at 1.018V, 
Influence of Battery Voltage Limit (between the limits of 11.6V and 14V): below noise level, 
Noise (0.3 to 10Hz bandwidth): less than 0.1ppm RMS, 
Annual drift (each of the eight outputs): First year- less than -3 +/- 2 ppm, Second year- less than -2 +/- 2 ppm,
Temperature Coefficient: less than +/- 0.04ppm/deg C, 










 
    


对比表格

 

【全文完】

 

 

 

 

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