高精度万用表的测试 How to Test a High Precision Multimeter

jabtmzpo

（文lymex）一、序言
高精度万用表，一般指6位半或以上的万用表。
这样的表具有很好的性能，不是一般厂家能够生产的，即便世界上为数不多的有实力的厂家，做起高精度万用表，也是要下大气力的。这样的表具备至少1ppm的分辨，同时具备很高的稳定度、很低的温度系数、很小的噪音。因此，这样的表也是基准爱好者必备的。
但是，这样的表价格也都很贵，新品动辄上万，不是一般爱好者能轻易问津的。当然，二手市场存在打量的淘汰旧表，功能似乎正常，测试也似乎准确，值得广大仪器和基准爱好者考虑。

对待旧表的态度，有两种截然相反的意见：
一种是不要买旧表。原因是这种高准确的东西，年久失准，老化严重，很多是强制淘汰下来的，因此不能继续作为高精度表来使用了。另一种是可以买旧表。原因是基准这东西，时间越久老化反而越小，只要功能没问题，并进行重新校准，完全可用的。

个人倾向于后者。
高精度的万用表，设计和用料都是下了工夫的，半导体元件几乎不存在寿命问题，而电阻和基准的老化，有的是线性的有的是开方的（即根号老化，时间越久老化越慢），更多的老化特性是界于二者之间的，因此，不存在老东西老化大的问题。
很多人这么说，其实是一种误解：时间久的偏差当然大，但老化的速度会越来越慢。因此一旦调整过来，比新的老化速度还要小。
当然，老表有可能年久失修，插头、开关等容易出毛病，电解电容等也容易失效，故障率也偏高，应该引起注意。


购买了一个高位表后，无论是新表，还是二手的，其指标到底能否达到？是否能超额？具体表现如何？二手的有没有差别？这就需要进行一系列的测试。

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二、测试所需要的条件
高位表由于要求高，不是随便开机就能测试的。
但另一方面，也不要神秘化，业余条件下只要考虑充分，也完全可以测试和验证很多有用的指标。

这些条件包括：
1、适当的空间和场地，比如
稳定的温度
不高的湿度
不通风/空气适当流动
周边没有强磁、强电等干扰
电源电压合适并比较稳定




2、电压基准
最好有稳定、准确的10V。
有稳定的原始7V也可以，最好是标定过的




3、标准电阻
例如10k、1k等
条件不够也可以用稳定的、经过标定后的电阻




4、电压校准源
这东西一般为成品，比如Fluke335D、5440B




5、电阻校准源
这东西一般为成品，比如Fluke5450A




6、交流稳压电源/净化电源


7、分压器/KVD
这东西一般为成品，比如Fluke720A，不过还真有DIY的



8、其它
比如GPIB卡和软件，自动测试很方便

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三、测试的缘由、项目和方法

1、零点测试
就是把输入短路，然后测试电压档和电阻档是否为0。
短路应该使用4线短路器，也可以仿造3458A测试那样用一根稍微粗一些的裸铜导线：



理想情况下，短路输入端后，格电压档和电阻档读书应为零。
实际上，大部分带有自动零（Auto Zero）的万用表，短路后电压和电阻的读数都很小。
而手动零的万用表，短路后可能读数偏差很大，要手动归零后才能取得正确读数，例如1281、8508。
如果零点测试不佳，说明表出了问题，或者需要零点校准。


2、基本档的开机特性。
就是开机的过渡特性、稳定特性、预热特性。
任何台表，内部都有热量源，而且有温度系数，所以随着开机后温度的上升，测量值是不断变化的。
长期没有开机的表，尤其是在比较潮湿的环境下放置的一段时间后，由于有潮气，那么开机变动就更大，甚至报错，这样就必须开机至少24小时后，让潮气排除，再重新测试开机特性。
从指标上看，高位表的预热时间，一般需要2小时到4小时，才能达到额定指标。但是，在开机的过程中读数是如何改变的，是变大是变小、最大变化多少，厂家一般都不给出。只有进行了开机特性测试，才能做到心中有数，才能在要求高的情况下知道至少预热多长时间，要求不高的情况下也知道误差能有多少。
有的时候可能预热时间短但也能达到指标，另一方面，达到了指标的预热时间后，也不是一层不变的。

开机特性以及本档位主，例如10V/12V/20V档
把电压基准（10V或7V）先接好，然后开机，设置好参数，然后读数并记录
一般设置成每2秒读1次（NPLC=50、自稳零）
读数可以采用自动的方法，1分钟采集一次就可以，采集时间至少3小时，也可以更长
也可以手动记录，比较辛苦一些。开始的时候变化快，记录间隔要短一些，后面可以延长间隔

后续数据处理
---输入计算机或进行格式转换，用的比较多的是Excel，下面就以Excel为主
---作出趋势图
---处理分析




3、电阻开机特性
测试电阻档的开机特性，一般用10k标准电阻。
类似测试。




4、噪音/短稳/重复性。
这几个名词其实都是等价的，表现在测试同一个不变的基准的时候，连续两个或多个读数是不同的。
用惯了低位表的，比较习惯于末位读数的不变，或者最多变化+-1个字。但是对于高位表，由于分辨高，超过了噪音电平，因此变动就不是+-1个字的问题了。越高位的表这样的变化就越大。
不同的采样时间，末位变动也不一样。
噪音可以用RMS值和峰峰值来表示。噪音如果大，很明显读数变来变去，无法精确读数。高位表由于分辨高，内外干扰容易表现出来，末位允许有跳动，尤其是采样时间短的情况下。但如果波动过大，考虑是否为故障。
短稳的意义类似，一般表现为稍微长一些周期的，比如几秒、几分钟的变动特性，其实也可以归结为长周期的噪音。
重复性就是两次或多次测试的差异

做测试的时候，可以先不理会这些名词，就是在不同的NPLC下，测试一组读数并记录
测试当然最好自动采集，也可以手动记录
数据的处理，可以简单做图，很直观
数据处理，可以进行统计分析，得到标准方差等参数




5、测试基本电压档的偏离。
也就是说，各档（尤其是主档、基本档）在最初时的偏差。当二手表到手时，这个初始偏差代表了老化历史（曾经的老化方向、老化速度），有条件的要记录下来。当然，这需要自己有一个准确的基准。
这个指标还不是俗称的“精度”指标。偏离是指当前测试值与真值的差异，表明现在的测试误差是多少。而精度指标是指校准后一年的偏差。偏离有可能小于精度，但二手表长期没校准也完全可能大于精度指标，到底如何就需要测试了。

测试其实很简单，万用表预热后，直接测试标定好的基准。假设基准是7.123456V，你的测试是7.12347V，那么偏离就是(7.1236-7.123456)=0.000014V，相对偏离=0.000143V/7.123456=2ppm

二手表到手后，如果能知道上次校准的时间，通过测试这个偏差，就很容易看出这个表的稳定性到底有多少。


6、基本电阻档的偏差
一般用10k标准电阻，类似测试。
但由于电阻档的不同标准电阻差别不大，因此可以多测试几个不同的阻值，例如100、1k、100k、1M。
（对比，电压就不太方便，<=0.1V下热电动势影响大，100V和1000V属于高压也难产生）


7、基本电压档的线性/非线性
理想的ADC，其输入和输出是成正比的，画成图来看，就是一根理想的直线。而非线性，就是与理想直线的偏离程度，一般是以全局的ppm位单位。
这个测试比较难，测试的方法有：
---绝对测试法，用JVS（！），分别输出1V到10V的10个精准的电压，用被测表来读，这个适合测试8位半表
---KVD法，即采用Fluke 720A KVD，对10V基准进行分压，得到1V到10V，然后用被测表来读。由于720A本身有0.1ppm的线性，因此这个适合测试6位半，最多7位半
---相对比较法，即采用线性好的3458A（0.1ppm），与被测表同时测试一组电压，就可以计算出被测表的线性，适合测试7位半及以下表




8、测试基本电压档的温度系数
在一段时间内，持续测试一个假设不变的基准，让温度变化，看读数变化。
比如我的1281，连续测试几天，利用温度的自然波动，可以明显看出表的读数也随之变动：


采集后做图，一定要做成每纵格为1ppm电压、同时也是每格一度。图中由于电压波动明显没有温度波动大，但也不小于一半，因此可以判断温度系数在0.5到1ppm之间。
更近一步的数据分析表明（分析方法见 “利用二元相关分析，同时得到温度系数和老化） ，温度系数是0.63ppm/C。



另外，现在被广泛使用的lly的GPIB卡，对于自动采集非常方便，而且有温度数据，作为测试高位表的温度系数非常合适。数据采集后，利用双轴折线图（方法见Redtony的“如何用EXCEL绘制基准走势图）
当然，画出图后要调整到每格1ppm、每格1度，而且标尺范围相同，这样才能共用一套网格线，像lxjjm用34401测试的这样：




9、速度
速度指标一般厂家在说明书里回给出，但也会有偏离或没有交代的条件，因此验证一下还是有必要的。
例如3458A，指标是8.5位每秒可以出5个读数，但实际测试下来每秒可以至少出20个读数，超过指标很多。
再如K2002，指标也是8.5位每秒可以出5个读数，实际上在AZ关掉下也是如此，但AZ打开后就慢了3倍还多，这个情况在说明书里没有找到任何解释。

10、测试中稳
即介于短稳和长稳之间的稳定性，一般有两个含义，一个是开机日稳，即预热好后，每24小时的变化。测试时需要基准。
另一个含义是1天之内或几天之内，重复开机的稳定性。用途主要是同城甚至异地的对比。
当然，校准后的重新你开机，是否能复现原来的测量值，也是中稳决定的。
中文的测试也可以自动进行，需要较长时间的持续开机采集，利用统计方法可以计算出来。比如我上面的对1281的测试数据，可以看到能够得到每天-0.1ppm的中稳。


11、测试长稳
长稳一般指90天时间或者1年的时间段下，不校准，测试值的变化。这个可以通过测试一个稳定的基准来得到。
一般不需要持续开机，但开机测试前要预热好，并且可以选择做Auto Cal或Self Cal（如果选择了就要一直选择）。最好是每天或每几天测试一次，画出曲线，并做统计分析，就可以得到结果。这是一个需要耐心、时间和毅力的体力活。

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四、测试结果的整理、分析、统计、做图、评价
1、整理
如果是手动测试，要录入机器，最好是用Excel表格。如果是自动测试的，也最好转成Exel表。这样便于阅读，尤其是给后面直观的处理带来方便




2、分析统计
用Excel自带的各种对数据的处理方法，求出综合处理值。例如平均值、离散/偏差、相关性等。如果发现问题需要改正（例如录入错误、粗大误差）



3、做图
做图的结果是非常直观的，往往一眼就能看出趋势、好坏，便于交流和发表。上面已经给出了一些Excel做图的例子。
常见的做图包括折线图、散点图等。

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五、结论和总结

先列出一些二手市场上常见的高位表
1、HP/Agilent：3455/3456/34401/3457/34420/3458
其中3455尤其是3456比较经典，适合收藏，使用也很好。34401/34420/3458比较现代，性能优异。

2、Fluke：8505/8506/8508
8505/8506比较经典，用料足，适合收藏，使用也很好，体积比较大。8508性能/功能很好，价格也很高

3、Advantest：6871/6581
6871是很典型的7位半，性能不错，二手常见。6581是8位半，性价比不错，使用方便，但性能与其它8位半比稍有差距。

4、Keithley：2000/2001/2002
体积小巧，只有半宽（包括8位半的2002）

5、Datron：1081/1271/1281
经典表，用料足，性能稳定

6、Solartron：7081
是世界第一款8位半，用料很足，但测试速度慢



8位半几个指标的比较、排名
1、短稳/重复性/噪音：3458-0.03ppm，1271/1281/8508-0.05ppm，6581-0.08ppm，7081-0.09ppm
这个指标类似微分线性，表明多次读数的一致性。如果一致性好，读一次就能出结果。否则，要读多次，采取后续处理的办法。

2、线性/转移特性（10V）：3458A-0.1ppm，6581-0.2ppm，1281/8508-0.22ppm，7081-0.3ppm（约）
例如要用10V基准标定7V，这个指标就非常有用。同样，也可同时测试7V和10V，看7转10的变化。

3、基本档年稳定：8508-2.7ppm，1281-3ppm，3458A-4ppm（002），6581-5ppm，1271-7ppm，3458A-8ppm，7081-11ppm
这个指标在没有基准的情况下很有用。

最后，我这里有一个自己用的对比表，先放上

zrz8888

专业啊