8位半万用表大比拼.docx

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8位半万用表大比拼

8位半万用表大比拼　2008-06-1417:

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要了解8位半这种目前精度最高的数字万用表，就不能不了解8位半万用表的历史，但限于个人认知，很多历史背景并不了解，所以错误在所难免，如果您知道事实，敬请指正。

虽然我可能不是最适合写这篇文章的人，但我仍然愿意抛砖引玉，吸引更多大牛参与进来，相互学习。

1.历史

第一台8位半万用表相信是英国Solarton生产的7081，采用多斜积分转换技术。

Solartron的万用表部门后被Schlumberger收购。

下图即为Solartron/Schlumberger推出的7081。

但现在schlumberger的网页上已查不到7081，市面上只有二手流通。

要了解Schlumberger,就不得不提及Willtek，且看下面的介绍。

威尔泰克通讯技术有限公司的发展轨迹可以追溯到1957年，当时由一群工程师在慕尼黑南部创办了最初的公司。

几年后该公司被Schlumberger收购，并管理公司达36年之久。

1994年Schlumberger把公司卖给了Wavetek公司，同时将美国印第安那州的团队并入。

1998年，Wavetek公司与德国的Wandel&Goltermann公司合并成立WWG公司。

两年后美国Dynatech公司买下了WWG公司，并将它与其子公司TTC合并。

Acterna公司由此诞生，该公司在世界各地拥有员工4800名。

其无线网络部的一个分部——无线电仪器部2001年接管了英国的Chase通讯公司以及它的无线空中接口业务。

在2002年，Acterna公司管理层通过MBO，剥离了它的无线仪器部门。

2003年3月，Investcorp公司购得其多数股权，为Willtek公司融资，用于开拓公司的新产品和新市场。

Willtek于2005年7月成为WirelessTelecomGroup,Inc.的全资子公司。

图1，Solartron/Schlumberger7081

英国的Datron是第二个推出8位半万用表的厂商，最早型号是1271,同样采用了多斜积分技术。

Datron在92年被wavetek收购，推出了共有品牌的1281。

2000年Fluke又收购了wavetek，在1281的基础上，进行了改进，于2002年推出了自有品牌的8位半万用表8508A，号称要与Agilent的3458A火拼。

这款仪表的命名也是以考级数字多用表命名，瞄准的目标用户是校准实验室。

图2Datron1271

图3Datron1281

图4Wavetek1281

图5Fluke8508A

德国Prema也推出过8位半万用表6048。

关于prema我知之甚少，只了解到它是一家老牌的精密数字仪表生产厂家，代表产品为万用表。

天水长城电工仪器厂曾组装生产过其5000，6000系列5位半，6位半，以及50177位半万用表。

由于引进的早现国内仍有使用。

网上关于Prema6048的介绍很少，以下链接有比较详细的介绍。

不过可惜的是，prema目前已退出测试测量市场，关注于模拟IC和混合信号ASIC和ASSP市场，网站。

也就是说目前市场上流通的prema万用表均为二手。

图6Prema6408

Agilent在很早之前就推出了8位半万用表3458A，一推出就以其无与伦比的稳定性和高速测量成为实验室的传递标准，这个情况一直持续到2002年Fluke推出8508A。

但其的积分线性、的微分线性（类似Nomissingcode）指标，目前还是无人能比。

图7Agilent3458A

Keithely后来也推出了8位半万用表2002，这款仪表的突出优势在于直流电压档跟它的很多纳伏表一样具有1nV的灵敏度，电阻档具有100nOhm的灵敏度，以及-200℃--1820℃温度测量范围，并在整个范围内都保持了最小0.001℃分辨率，保持了8位半模式下最快的测量速度。

图8Keithley2002

日本的Advantest也推出了自己的8位半万用表R6581，大体参数和Agilent的3458A差不多，最有特色的是其电流档，直流电流有最高灵敏度100fA,但交流电流档的频响却只有5kHz,比其它表差了很多。

目前的最新型号R6581D，去掉了R6581的所有交流测量能力，只支持直流和电阻档位。

图9AdvantestR6581

所以现在市面上能见到的在产的8位半万用表就只有4种：

R6581,2002,3458A,8508A

2.对比

常规参数

这里只对比共同特性，对某一型号特有的功能不做比较。

AdvantestR6581

最大显示1,199,999,999,可测试DC/ACV，DC/ACI，R，F，T。

性能参数大体和Agilent3458A相当。

Keithley2002

最大显示210,000,000，可测试DC/ACV,DC/ACI，R，F，T。

温度测试支持RTD，热电偶两种传感器，而且在-200℃~1820℃测量范围内都保持了最小0.001℃分辨率。

但据说其电流档不怎么样。

Fluke8508A

最大显示199,999,999,可测试DC/ACV,DC/ACI，R,T,不支持频率周期测量。

定位为实验室参考级别的8508A的确有最宽的测量范围和最高准确度，尤其是电阻和电流档。

电阻最高支持到20GΩ，电流档不需要分流器就能支持到20A。

但其的缺点是测量速度慢，在8位半模式下需要6秒才能得到一个读数。

Agilent3458A

最大显示120,000,000，DC/ACV，DC/ACI，R，F，可以通过数学运算测量温度，支持热敏电阻和RTD。

。

3458A可谓是经久不衰，在所有8位半万用表里有最快的反应速度。

在长期稳定性上比8508A稍差，但在短期稳定性，线性度，噪音以及转移特性方面都有最好表现，并提供了极其丰富的数学功能。

表1，基本规格对比

表2，特性对比

表3，测量速度对比

附：

八位半万用表不寻常特性极其应用作者：

lymex

7870-1-1

一、八位半万用表不寻常特性

八位半万用表是业界最高分辨的常用电磁计量仪器，基本档最高年稳定度在3ppm左右（Fluke8508,10V/20V档），差一些的有10ppm的（Keithley2002,10V/20V档），而且必须每年检定。

这样的指标在很多场合下是不够的，不仅因为心理上的1ppm的不确定度上限，更主要是类似的仪器都具备类似的稳定度，互相不能测量。

因此看来直接用八位半万用表来进行计量工作是无能为力了，也就是说，自己不能校准自己。

然而，八位半万用表具备一些不寻常的指标超高的特性，而且不需要校准，可以在整个生命周期内由设计或由生产厂家保证，这些特性包括：

1、分辨力很高，与准确度比余量很大。

以最末位字数为单位，3位半到4位半万用表稳定度一般为几个字到十几个字，例如某万用表测量时，准确读为%为，为10个字。

对于6位半的，一般为几十个字，例如34401A，10V档年稳定度35ppm，分辨为1ppm，因此为35个字。

而8位半的就非常高，比如3458A，10V档年稳定度8ppm，但分辨，因此为800个字。

2、线性度非常好

线性度是高位万用表追求的指标之一，一般其指标远远高于其年稳定度，比如3458A达到，是年稳定度的80倍。

线性度好，类似一把尺子，不仅平直，而且刻度均匀（尽管每一个刻度绝对准确度不很高）。

3、噪音小

例如3458A，10V量程，当NPLC=100时（常用），RMS噪音达到了惊人的。

4、转移特性非常好，短期稳定性比较高。

转移特性即短期测量对比特性，能够在多大不确定程度上对比测量两个相似的量。

这一方面要求噪音小、短期稳定性高，另一方面，也要求有足够高的线性度。

例如3458A的10V转移特性为。

几种典型万用表不寻常特性对比表

二、八位半万用表不寻常特性的验证

1、零点的稳定性

零点用短路环测量，实测变动特性不大于μV，对于10V就是。

零点测量时往往有一个固定偏差，一般在μV到μV之间，可以自用校准消除，采用低热电动势测试线也可以减少测量的不确定度。

这个零点即便不进行消除，也可以在随后的计算中减去，不影响线性度。

2、线性度

采用高稳定度固态电压基准Fluke732B和线性度指标达到的KVD分压器Fluke720A，做了多点对比，结果在范围内相符。

对比时注意，720A的输出电阻最大为66k，同时与其最大负载误差上限，要求负载不小于1E12Ω，万用表的输入电阻达不到这个要求，因此需要增加一级高输入阻抗、低失调的缓冲跟随器。

3、稳定性（可重复性）

我们知道，万用表读数的不稳定性不仅取决于信号源的不稳定性（A），而且取决于万用表自身的不稳定性（B），合成不稳定性的计算方法，是A和B取平方和，再开方，与合成不确定度的计算方法一样。

因此，只要读数稳定，就证明信号源和万用表自身都稳定性。

更具体的说，万用表自身的不稳定性不大于其（对任何信号源测量时）读数的不稳定性。

不稳定性一般用阿伦方差来表示，以一定间隔测量出一组数据，就可以计算出阿伦方差。

使用经过彻底预热的3458A，对高稳定度10V基准源（Fluke732B）和高稳定度标准电阻（IETSRX-10k）进行采样测量，闸门周期2秒，采样周期4秒，结果是均为之内（有录像数据）。

稳定性（可重复性）的一个直观理解：

比如阿伦方差为1ppm，就是正态分布σ=1ppm，意味着读数有68%的概率落在中心±1ppm的范围内，或者有95%的概率落在中心±2ppm的范围内，或者有%的概率落在中心±3ppm的范围内。

三、八位半万用表不寻常特性的应用

1、转移和传递

转移和传递就是对比传递两个很相近的量。

计量中常用到10V电压基准和10kΩ电阻基准的对比，就可以利用八位半万用表不寻常特性来解决。

电压的对比。

若被对比的电压是独立的，那么就可以采用直接比对的方法，即负极接到一起，正极用小范围量程的万用表来测量，这样分辨很高，对比准确度也高。

但是，有的时候被对比的电压是不共地的，比如一个多段分压器，就需要在线分段测量。

电阻的对比。

可采用四线法直接测量。

与DCC和电桥对比法相比，此方法具有速度快和使用方便的特点。

2、同量程量的精确对比

比如一个10V和一个7V，需要准确知道其比例，就不能或不方便用别的方法来对比，而利用万用表10V档的超级线性度，就可以很方便的完成，对比的不确定度可以达到（两次转移不确定度）。

这样对比的一个实际应用，就是可以大大提高Fluke732A/732B的稳定性。

实际上Fluke732A/B内部是采用7V基准，然后采用两只电阻分压/升压成10V，因此其稳定性取决于两个部分分别稳定性。

事实上7V内部基准是非常稳定的，但分压电阻就很难稳定，比如标价3万多的Fluke标准电阻742A-10k，其年稳定性才4ppm，那么732A/B内部采用的电阻不太可能超过独立的电阻基准，或者说电阻器件稳定到4ppm已经接近极限。

因此可以确定，732A/B不稳定指标中，大部分是分压/升压电阻的问题。

只要我们精确的测定7V/10V比例，就知道了这两个电阻的分压值的变化，就可以进行自修正，从而大大提高732A/B的稳定性指标。

3、温度系数的测量

高稳定、低温飘的基准和仪器，其温度系数非常小，甚至有的远小于1ppm/℃。

因此如果进行测量，需要很高的分辨，这样八位半万用表就有了用武之地。

4、老化的测量

老化就是电压、电阻等参数随时间长期的变化，一般常用90天、半年、1年作为时间测量单位。

高稳定度的基准和仪器，其稳定度一般很高，有的每年变化不了几个ppm，要在短时间内进行测量，则变化更小，更需要高分辨的测量。

另外，要想进行老化测量，必需具备比被测物更稳定的基准做对比。

因为八位半万用表本身的稳定性并不好，不能以其直接测量的结果为依据，而是利用其线性度好、转移特性高的特点来测量。

如果不具备这样的基准，那么就很难测量，或者需要非常长的时间累计才能得到结果。

举个例子，一个10kΩ标准电阻，第一次测量值是10,Ω，第2次间隔90天后再次测量为10,Ω，即增大了，这就是90天的稳定性。

假设用直线外延，那么1年的稳定性就是*4=年。

由此可以看到，进行老化测量时其测量值变化特别小，因此对读数的不确定度要求就更高。

再举个具体的例子，我的一个国产标准电阻BZ3C/8-10k，稳定度指标为20ppm/年，出厂检验日期为2001年3月。

但是，根据生产技术人员介绍，他们不对稳定度进行测量，原因是没有相应的测量手段。

因此，这20ppm是指标值。

实际上，电阻出厂时有在20℃的准确测量值Ω，现在再次测量，阻值（折算成20度）为Ω。

因此，只变化了2ppm，老化仅为年。

由此看来，这样的电阻老化很小。

事实上，该电阻生产规格比较高，填充与金属密封效果很好，因此老化才比较好。

另外，也正因为老化小，因此很难在短时间内测量出老化结果。

要不是利用了出厂准确值以及出厂后经历了多年，该电阻的老化结果也不可能知道。

四、结束语

以上这些八位半万用表不寻常的特性，主要不寻常在某些参数的高性能，比稳定度指标高出很多。

另外，这些指标不需要检定和校准，因为：

A、是厂家保证的，很难出问题；

B、出了问题就属于大问题，即损坏，应修理；

C、检定项目不包含；

D、不能通过校准程序来改善。

理解了万用表的这些不寻常的特性指标，就可以更好的发挥其作用。