HP3458A数字万用表电子校准技术

3458 数字多用表 校准技术 论文

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Hp 4 8 5 5 A数字万用表电子校准技术七：二所刘勇

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Nl, H P3 5 A￣ H 4 8

具.传量度考数用由优短定 有递准的字表于异期性 I 测器 8万，……一和D确。 ,位其的稳和 A转olp p m

转换兼顾了高线性，高分辨率以及快的采样速率，使它仅需要两个外部标准就可以进行全功能校准，利用内部标准可以自动校准，特别是交流频率响应校准更具有特色，是目前唯~具备这种校准功能的数字万用

表。近年来，其它型号的万用表校准技术虽然有很大提高，但与HP35A相比仍存在较大差距。 H P 483 5 A的棱准技术提高了仪器测量准确度，扩展了工作环境范围，充分体现了校准技术的优越性，成为仪 48器仪表发展的趋势。

确度、精确度和铡量速度，同时避免了维护

1前言 .由于现代仪器所具有的准确度越来越

这类仪器的高代价。

2自动校准的基础 .所有外部校准均以以下三个外部输入为基础 四线短路环

高，校准这些仪器变得越来越复杂，花费越来越大。为了简化校准、降低校准代价，

HP3 5 A数字万用表最大限度地减小了校 48准所需的外部参考标准，其所有功能和量程校准只需要一个外部直流电压标准和一个外韶电阻标准。 标准计量实验室保存和使用的许多传统

0 1 V直流电压标准 o l kD电阻标准

下文论述的外部校准，保证了所有功

的外部参考标准，如电阻网结和 DC AC转/

能、量程和内部参考标准相对于两个外部标准的跟踪性。一个附加的内部自动校准使用内部标准调整HP3 5 A万用表，这个内部 48标准通过外部校准跟踪外部标准。自动校准可随时执行，克服长时间和大的温度变化带

换设备，在HP3 5 A被内部电路和算法代 48替并能达到同样的效果。 HP3 5 A内部所、 48有调整都是电子式的，没有任何调整电位器。

由于 H P3 5 A万用表一年的准确度达 48

来的影响，从而使 HP3 5 A达到有使用价 48值的准确度。

豺了其它大部分万用表一天的准确度，所以在很多应用中可以延长两次

校准的时间，从而节约校准费用。在实际应用中，工作温度通常超过 4℃而且变化大， HP3 5 A的自 0 48 动校准可以提高在这种环境下的测量准确度。最终结果是， H P3 5 A万用表测量直 48

万用表的设计人员和用户常常必须面对测量时减小内部电路带来的偏置误差和增益误差这个问题。由于元件参数随时间、温

度，湿度和其它环境条件而变化，造成了偏置和增益误差的经常性变化。早期的万用表

流、交流时达到了其它万用表无可比拟的准靠调整内部关键元件米减小误差，这种调整

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HP 4 8数字万用表电子校准技术 3 5A时间或环境变化引起的误差，这一点优于以前的校准技术。 H P3 5 A虽然也考虑到其 48它的误差来源，但其调整主要是偏置和增益校正常数。一个 HP的专利可以防止非易失存贮器内校准常数的丢失。在 H P3 5 A所 48

有两个缺点，一是调整经常需要打开机壳， 这样改变了万用表的内部温度，二是可调元件常是漂移的主要因素，增加了不确定度。

随着非易失记忆元件的出现，万用表设计只有几个或没有可调元件，而是用微处理

采用的校准技术中，最重要的是A/ D转换的线性和传递准确度。A/ D转换线性决定了仪器在这种技术状态下测量两个直流电压比率的可靠性，另一方面， A/ D转换在不做

器来计算每个功能和量程的偏置和增益校正常数，这些校正常数贮存在非易失记忆单元中用来校正内部线路的误差，因此校准不需要打开机壳和调整内部线路的元件。 HP3 5 A万用表可以方便地校正由于 48

任何内部修正的情况下，其线性保证了整个测量范围的准确度。A/ D转换采用专利技术

图 1内部参考电压随时阃的漂移

图 2直流电压输^通道框国

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电孚潮量“多斜积分来获得高线性、高速率性能。 这种技术采用电荷平衡的原理，输入信号的

技来

i毒

电荷披参考信号注入的电荷所抵消。多斜积分允许积分速率改变，便于测量速度和测量分辨率的转变。 设计的A/ D转换的线

性采用美国国家标准局的约瑟夫逊结标准来测量，测量结果表明积分线性小于 o 1 m、微分线性为 .ppD. 2 0 ppm。 .

个量程增益调整只需要一个外部直流电压标准。如图 2所示的直流电压输入通道， 需要三个调整。任何给定量程的校准增益为l G, 1×G^×G D

其中G为A/。 D转换器的增益 G为放大器增益 ( 每个量程不周 )G。衰减值为

工厂设置了每个增益调整的允许范围， 如果增益调整超过了这个范围说明仪器有故障。因此，仪器检查每个增益调整值并标记对应的错误信息。

HP 4 8万用表内部校准不能消除的 3 5A误差只有内部参考电压和内部标准电阻的漂移，内部参考电压 9天平均漂移小于 2 0 p m,三倍平均凛移小于 4p m,如图 l p p 所示。 HP3 5 A万用表直流电压传递测量 48时，短期稳定性在读数的 o 1 p内。内 .p m部参考电阻具有每年漂移 5p pm,温度系数为 lp pm/℃的指标。

用户键入外龆】 V直流电压标准的实际 O值，倒如： CA Ll,然后 HPa5 A万 o 4s用表自动执行下列操作，计算所有量程的增益一

4 1在l V量程测量外部“ 0 .. o l V标准。4 2用测量的比率和外部标准实际埴进行增 ..益调整。

自动校准调整内部电路相对于内部参考的时间和温度漂移，外部校准可以调整内部参考相对于外部标准的漂移。

4 5测量内部参考标准相对外部标准的准确 ..度，井将差值贮存作为参考调整。 (当随后的过程执行时，自动校准采用这些贮存值再 次计算所有增益调整常数 )。现在可以进行 其它直流电压量程的增益调整。

5偏置调整 .为消除内部电路的偏置误差，万用表在

输入端内部连接了一个短路器并测量这个偏置。通常铡量输入端信号时减去这个偏置得到正确的读数，这种方法唯一的不能消除的

4 4用 l V量程输入通道准确地测量内部产 .. 0生的 lV电压。 (测量线路的线性可以准确 反映 lV输出的实际值，也就是说，从 1 V 0

偏置误差是从输入端到内部短路点的热耦台

。偏置。偏置误差调整需要 4线短路器，由开’量程要其它量程有准确的传递跟踪性 )对 关选择连到前面和后面板输入端，然后执行低量程使用放大器放大输入信号使之符台 CAL条指令，测量零点偏置并作为附 0这

于 l V满度的A/ 0 D转换器，每个放大器用所需的增益常数G调整读数，通过下列过程 可以得到这些常数。 4 5在 lV量程测量用 l V量程测量过的同 .. 0一

加的偏置校准常数来修正随后的读数。其它万用表也采用这种方法消除偏置误差， H P3 5 A所做的改进是采用更稳定的元 48件，最低限度地降低时间和环境温度变化带来的误差。

个 1V电压。

4 6计算 lV量程增益调整值使两次测量一 ..

4直流增益调整 .直流电压从 lo m V到 lkV所有的五 o

致。 (注意，内龆 l V电压的实际埴和长期稳定性并不重要，重要的是两次测量间的稳定性 )。

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HP 4a数字万用表电子校准技柬 3￣ A个外部标准电阻。电阻测量是通过在未知电阻上旆加己知电流并测量电阻上的压降实现的，电流的测量是通过将未知电流施加在已

4 7用调整过的1 .. V量程准确测量 0 1 . V的内部电压

4 8用 l o V量程测量同一个 0 I的电 .. om . V压。

4 9计算 lO V量程增益调整值使两次测 .. Om量一致。,

知分流电阻上并铡量电阻上的压降实现的直流电压输入通道已由前叔过程校准过了， 可用于测量电流源和分流电阻的实际值以便于调整电阻和电流铡量的实际值。电流和电阻校准同时进行，电阻测量时根据不同量 程 .电流源提供 5 0 0 nA到 l m A的电流，电 o流测量时用的分流电阻从 0 1到 5 5 2￣ .Q 4 .k/ '变化。

通常lO O V￣ 1kV量程测量使用一个

1 0t1电阻网络衰减输入信号，为了校 的 O 正这个网络的引入误差，首先在输入端旆加霉电压，然后施加一个1 V电压并测量其实 O际值。最后测量衰减 10后的0 1 0倍 .V电压， 在减掉零点误差后，计算增益调整常数。在 1kV量程

,当输入电压大于 lO O V时，在电阻网络上产生自热误差其误差与输入电压曲线如图 3所示，这种特定误差简单作为仪

用户键天外部l k o Q电阻标准的实际值，例如“ CALl E 3 0 ”,然后万用袤自 动执行下列操作，并计算电阻和直流电流所有量程的调整常数t

器公布误差的一揶分。附加的测量常数甩来补偿开关不稳定性和泄露电流的影响。

5 1用l k, . . o￣量程对外龆 U O/标准进行 lk￣,四线补偿测量。 52采用比率涮量结果和“ O .. l kQ”标准的

5电阻与直流电流调整 .从 l口到 1G口的九个电阻量程和从 0

实际值计算l k O Q量程的校准常数 (即调整l kQ量程的电流源 )。 o

5 5测量内部参考电阻相对外部标准的电阻 ..

lOA￣ 1的八个电 On A流量程校准只裔要一 值，并将差值贮存作为参考调整。 (当随后

图3 1 V量程衰减器自热误差与输人电压关系 k

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图 4交流电压平坦度校准与增益校准原理

的过程执行时，自动校准采用这些贮存值再次计算所有增益调整常数 ) 。 5 4用校正过的内部参考电阻调整其它电阻 ..量程的电流源的值。5 5用校正过的电流源调整直流电流测量所 ..用的分流电阻值。 电阻测量的泄露电流和电流溯量时分流

整是以施加阶跃输人信号后特定延时的两次铡量读数为基础，图示了补偿后和两种未补偿情况下的阶跃输入的频晌。用傅里叶变换原理能证明，对阶跃输入信号有不失真的阶跃输出的电路对不同频率输人信号，都有恒定的增益。HP3 5 A万用表产生所需的阶 48跃输人电压，然后A/ D转换器采样衰减器输出，这些测量结果用来计算控制平坦度调整DAC输出所需要的常数。控制DAC输出可以有效地改变衰减器一个臂的电阻来获得最理想的平坦度。每个交流量程的平坦度校

电阻的偏量产生了附加误差。测量和贮存这些误差作为调整常数来校正这些附加误差。

6交流平坦度和增益调整 .交流电压和交流电流的周期校准不需要

准常数都是独立的。外部交流标准。为了准确地测量交流信号， 内部电路必须对不同频率的输

人信号有固定增益。一个HP专利技术完整的交流调整如图4所示。这种技术首先调整交流衰减网络的频率响应平坦度，然后调节有效值转换器和跟踪保持放大器的增益。

交直流转换器通常存在翻转误差，一个典型的计量经验是用正负信号来修正翻转误差。因为正负信号两次采样间的短的时间间

隔有助于降低 1/噪声，这样 HP3 s A万 f as用表以高速率采样正负信号来抑制 l f/噪声，如图 6所示。正负信号加到有效值转换器和跟踪保持放大器输人通道，根据所选用的交流电压量程，衰减或放大输入信号。 H P3 5 A用早巳校准好的直流通道测量这 48

与示波器探头调节类似，恰当调整交流衰减网络可以获得对阶跃输入电压的最佳平坦度响应。图 5说明了交流衰减器的频率调

些直流电压的实际值，然后计算有效值转换

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HPs A数字万用表电子校准技来￣s

圈5阶跃输人补偿和两种未补偿情况的响应

曩f _—曩 圈 6利用正负信号抵消 RM8转换翻转谋差，快速采样抑制 l/噪声 f

和跟踪保持放大器通道的增益。增益常数反映了量程间传递的准确度，这与直流增益调整相同。 有效值转换器在满度十分之一处增益是非线性，这种非线性可以通过在满度十分之一

7一次性调整 .只有在工厂或有关电路修理后才进行一次以下的电子调整。

处施加斩波直流电压来校正。

7 1验证周期和频率测量所用晶振的实际频

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9 4内部参考电压值一个常数。 ..

7 2调整时间基准内播器的准确度。 ..7 5通过10 .. 0 kHz 2M Hz和 8MH z入到 输

9 5内部参考电压值一个常数。 ..余下的 29校准常数，有 6由一次 0个个性外校准决定，这 6个常数供频率和周期铡量，时间基准内插器、 2M H z以上高频交 流频响调整使用。另外 6个附加常数分别记

信号的传递测量来调整交流衰减器和放大器的高频响应。

8跟踪性 .以上关于所有功能和量程调整方法能跟

录上次偏校准、上

次外部电压标准校准、上次

外部电阻标准校准、上次直流自动校准，上次交流自动校准、上次电阻自动校准时的温度，这给用户提供了很大的方便。

踪1个或 2个内部标准，同时内部标准能跟

踪外部标准。问题是它们跟踪的不确定度有多大，答案在于必须了解每次传递测量的最大不确定度。传递测量不确定度主要来源于

余下的1 7 9个常数由前叙的内部比率传递校准决定，在每次自动校准" ACAL ALL执行后，这些常数被更新，降低了时间、温度和环境变化引入的漂移误差。

内部电路的线性误差和每次测量的噪声，每次传递测量都产生一些误差，量程之间的多

次传递，误差是累加的。然而由于内部参考源优异的短稳和 A/ D转换器的超级线性最

1 .束语 0结HP3 5A万用表电子内部校准简化和 8缩短了校准时间，同时保证了准确度和跟踪

大限度地降低了这些传递误差 HP3 5 A 48万用表在三个低直流电压量暮传递误差小于 l p m。HPa 5 A所有校准传递误差和 p 48噪声误差已详细列于公布的准确度指标之中。

性。万用表克服了除内部参考标准漂移外的所有漂移误差。这种自动校准技术依赖于内

部参考电压和电阻的优异的稳定性和 A/ D转换器的超级线性。外部棱准可以消除内部参考源的漂移。在实际应用中，用内部参考标准自动校准有以下优点：

9校准常数 .HPa5 A万用表总共贮存了 2 3个校 48 5

准常数，它们都可以被询问，其中只有以下 4个常数与外龆测量有关： 9 1直流电压 0 1到1 V量程前面扳和后 .. .V 0面板输入通道 6个偏置常数。 9 2两线电阻 1 D到 1G口量程前面板和后 .. 0 面板输入通道 l个偏置常数。 8 9 5四线电阻 1 Q到 1(}程前面板和后 .. 0垴量面板输入通道 l个偏置常数。 8参考文献

提高测量准确度

延长两次校准的时间间隔扩展工作温度范围

减小引起误差的其它环境因素带来的

误差当应用于计量、电子测量以及其它用途

时，与早期的数字万用表相比，这些优点有特殊的意义。

i1]公司，" P 48 li t rC l r t n Ma u l - HP H 35A Mutmee ai a i n a"。 b o[2]￣W a n Go k,适用于 8 数字多用表的模数变换器”,美 y e C. e e“/位电子测量技术，9 . 11

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