一种新的直流电压源增益校准方法设计与分析

余学锋 于 杰 张红清 王 柯

(中国人民解放军63870部队,陕西714200)

一种新的直流电压源增益校准方法设计与分析

余学锋 于 杰 张红清 王 柯

(中国人民解放军63870部队,陕西714200)

针对校准实验室直流电压源量程增益校准的问题,提出了采用参考标准源和数字多用表直接校准DUT量程增益的新方法。此方法校准误差只与所选设备技术指标有关,便于在一般校准实验室开展且可以实现自动校准。实验结果表明,新方法与传统的电阻分压式方法相比,二者在校准精度上有较好的一致性,在1V～1000V量程范围,新方法的校准结果扩展不确定度可达到0.3μV/V.

量程增益 校准 测量技术 分析

1 引 言

在一些高精度多量程直流电压源校准过程中,量程增益(刻度误差)的校准是非常重要的工作,通过进行量程增益校准能使电压源量程输出更接近溯源标准。目前的电学计量领域中,直流电压源量程增益校准的传统方法是10V以下电压量程增益及线性度,采用约瑟夫森电压标准进行[1,2],对于量程大于10V的直流电压源,则是基于Kelvin-Varley原理或串并联分压器,通过检零计和电阻分压方法,实现高精度直流电压源量程增益校准[3,4]。但对大多数实验室而言,不具备传统方法中所涉及的约瑟夫森电压标准,接入电阻分压器产生的泄漏效应不易分析,校准操作难度大,测量耗时长,无法实现全自动测量。为此本文采用一台商用参考标准源和一台数字多用表,通过参考标准与被校电压源(DUT)量程电压阶梯步进比较测量(以下简称参考标准阶梯步进),实现DUT多量程增益校准。新方法所用仪器设备全部可在商用市场购买,各测量模块不确定度独立不相关,可实现全自动校准。新方法校准误差仅与采用的设备性能指标有关。在整个校准过程中,参考标准源要足够稳定,数字多用表DVM有出色的微分非线性,而这些要求在一般实验室很容易满足。

2 量程增益校准原理和方法

在直流电压源的输出特性中,一个很重要的参数就是增益误差(刻度误差)。当直流电压源的输出增益特性曲线偏离了1时所产生的误差称为增益误差,如图1所示。如果一个电压源在10V量程有增益误差(假定偏置误差和线性度误差已修正),当设置输出电压为0V时,实际电压输出也为0V,但当设置输出电压为10V时,实际电压输出将比10V高或低,因此需要通过校准的方式对量程增益进行修正。对直流电压源进行量程增益校准的传统方法是电阻分压式校准方法,而本文提出的参考标准阶梯步进方法,基本原理就是根据参考标准源输出电压与DUT量程阶梯式步进电压的差值,实现电压量程增益比例校准,获取量程增益比例系数。该方法的理论依据如图1所示。

设参考电压源量程增益为Gref=1,DUT电压源R (10V)量程增益GR=1+GsR,DUT电压源10R(100V)量程增益G10R=1+Gs10R,其中GsR和Gs10R分别为DUT电压源10V和100V量程增益绝对变化修正系数(比例因子)。根据增益绝对变化算法可以得到:

式中:ΔUR——10V量程时参考源与DUT的电压差;SR,S0——参考源设置量程满度和零点电压值。

式中:ΔU10R——100V量程时参考源设置电压与DUT输出电压差值。

为了保证参考标准量程增益的最好输出特性,参考源只给出基本量程的0V～10V电压设置值,因此ΔU10R实际上是将DUT的100V量程,每10V分为一个电压校准阶梯,即通过ΔU2j-1-ΔU2j-2阶梯式步进电压差来表达。由(1)和(2)式可得到DUT量程增益比为:

由公式(3)可以看出,相对于参考标准源的量程增益绝对变化修正系数而言,DUT电压源10V量程增益,可通过直接测量获得,而DUT电压源100V量程增益,则要通过参考标准及DUT电压阶梯步进方式来实现。

采用一台高精度数字多用表M和一台可完全程控的精密校准源Uref作为参考源,对被校准电压源UDUT的量程增益校准,如图2所示。数字多用表采用Fluke8508A,参考校准源采用Fluke5720A。

本文所讨论的量程增益误差校准都是在假设DUT的偏置误差和线性误差已得到修正前提下进行的。且为了不失一般性,主要考虑十进制比率校准,对 UTC电压源10∶1量程比进行校准,以R(10V)和10R(100V)量程为例。

在整个校准过程中,参考源只在11V电压量程输出0V、10V值,对于DUT的100V量程,则是将其每10V分为一个电压阶梯步进,DUT分别给出0V, 10V;10V,20V;……;90V,100V输出值,将参考标准源给出的0V和10V点标称值,与DUT每一个电压阶梯步进值进行差值测量,此时公式(3)中的ΔU0就是图3中10V量程测量序列中的DVM测量差值M′1-M′0,ΔU2j-1-ΔU2j-2就对应的是图 3中100V测量序列中的DVM测量差值(M2j-1-M2j-2),j=1,2,…10。如图3所示。

具体校准流程为,首先进行DUT的R量程(10V)与参考标准的R量程增益绝对变化的测量,DVM得到两者在零点处Uref(S0),UDUT(S′0)和10V电压处Uref(S1),UDUT(S′1)的差值M′0和M′1。其次进行DUT的10R量程(100V)与参考标准的R量程增益绝对变化的测量,DUT采用阶梯式步进电压方式,分别给出10R量程的零点处UDUT(S0),R点处UDUT(S1), (j-1)×R点处UDUT(Sj-1),j×R点处UDUT(Sj)的输出值,DVM分别测量DUT阶梯步进点与参考标准零点处Uref(S0)和10V电压处Uref(S1)的差值M0,M1,M2j-2,M2j-1。代入公式(3)便可获得DUT的R量程与其10R量程的增益比值。

自动化的程序中,参考标准源Fluke5720A采用11V量程输出0V和10V电压值。数字多用表Fluke8508A则分别使用20V量程档和200V量程档测量。所有测量过程完全自动,在测量过程中,每一次测量间隔时间为20s,以便校准源、DVM和DUT有稳定的测量时间。正向与反向电压输出循环测量5次,测量数据以电子表格形式给出。

3 校准不确定度比较分析

A类不确定度分析。通过对DUT的100V/10V量程增益比进行 10次重复测量,得到测量值1.38μV/V,其标准偏差为0.08μV/V。其它比率校准值见表1。

表1 DUT10:1量程增益比校准及比对结果 单位:μV/V

B类不确定度分析。在本文所述方法中,参考标准源Fluke5720A的技术指标为,直流电压11V量程(1.2ppm输出+4ppm),95%置信度。数字多用表Fluke8508A技术指标为:直流电压200V量程(4.5ppm输出+0.2ppm),95%置信度;20V量程(3.0ppm读数+0.2ppm),95%置信度。输入阻抗＞10GΩ(200mV至20V量程)。在校准过程中存在DVM共模电压影响,但由于DVM的共模抑制比在其低端LO引线电阻小于1KΩ时为155dB,实际引线电阻远远小于这个值,所以共模电压影响可以忽略。对于输入阻抗的影响,Fluke8508A的输入阻抗要远大于DUT输出阻抗(1kΩ),且采用双向校准过程,使得由此引起的误差可以忽略。

从校准流程可以看出,通过方法设计,参考校准源对校准结果的影响得以消除。因此,校准结果不确定度的主要来源是数字多用表。通过分析计算,可得到各校准点的标准不确定度范围为0.42μV/V～0.25μV/V。由式(3)可得灵敏系数分别为5×103和0.275。

综合分析可知,该方法对100V/10V量程增益校准B类标准不确定度为:0.12μV/V。扩展不确定度为0.29μV/V(100V量程k=2)。

为了对提出方法的校准性能进行验证,用本文方法校准结果与采用电阻分压方法的外部校准实验室量程增益校准结果进行比较。在外部校准实验室,对于10V以下量程,采用的是约瑟夫森电压标准方法,而对于10V以上量程,采用的是电阻式分压方法[5],所用设备为Fluke732B直流电压参考标准、Fluke752A参考分压器和一个检零器。数据处理采用“归一化偏差法”[6],在包含因子均为k=2的情况下,对两种校准方法获得的结果计算归一化偏差En。

式中:En——两种方法校准结果的归一化偏差; Ax——本文所给方法的校准结果;Ux——本文所给方法校准结果的扩展不确定度;As——外部实验室校准的结果;Us——外部实验室校准的扩展不确定度。

当两种方法校准结果的归一化偏差的绝对值满足|En|≤1时,判定两种校准方法具有一致性。否则判定两种校准方法不具有一致性。

从表1可以看出,本文给出的方法与外部校准实验室的电阻分压方法在±10V/1V和±100V/10V量程增益比校准中具有较好的一致性。

4 结束语

对于直流电压源量程增益校准,本文提出的参考标准电压阶梯步进方法,由于所使用的设备均可商用采购,便于在大多数实验室应用。另外只要DUT具有IEEE-488接口,整个过程都可实现自动校准。

通过校准分析,采用参考标准电压阶梯步进方法进行直流电压源增益校准,各测量模块不确定度独立不相关,校准误差仅与采用的设备性能指标有关。其校准不确定度可达0.3μV/V的水平,与传统的电阻式分压方法相比具有良好的一致性。只要稍加改动,本文提出的方法还可用于校准DVM的量程增益比以及电阻式分压器的电阻比率。

[1] 刘民,李继东,严明等.一种可程控约瑟夫森直流电压标准装置[J].电子测量与仪器学报,2009,23 (10):8～12.

[2] 严明,刘民.利用约瑟夫森电压标准装置测量直流电阻分压箱[J].宇航计测技术,2010,30(4):49～52.

[3] R Honig,J Streit,M sira.Use of the RVD for traceability of bipolar DC voltage scale from 1 mV up to 1200 V[C].in Proceedings of NCSL International Workshop and Symposium.San Antonio,Texas,USA:NCSL International, 2009:13～16.

[4] 岳长喜,E Mohns,周峰等.一种电压比例精密测量方法[J].电测与仪表,2013,50(3):37～39

[5] 朱霞辉,吕燕.约瑟夫森电压基准与固态电压标准的稳定性考核[J].电子测量技术,2007,30(2):1～3.

[6] 苏璠,才滢.直流电压技术能力验证统计分析[J].仪表技术,2011(6):14～16.

Design and Analysis of a Novel Range Gain Calibration Method for DC Voltage Source

YU Xue-feng YU Jie ZHANG Hong-qing WANG Ke
(Unit 63870,PLA,Shanxi 714200,China)

Deal with the problem of range gain calibration for DC voltage source in calibration laboratories,in this paper,a novel method was proposed by which the range gain of a device under test (DUT)can be directly calibrated using one reference calibrator and one multimeter.Thus the calibration errors only depended on the technical indexes of selected equipments.The method was easy to be implemented in general laboratories and can be fully automated.Experiential results show that,compared with traditional resistive divider techniques,the novel method can achieve almost the same calibration accuracy.The calibration expanded uncertainty is better than 0.3 μV/V up to 1 000 V.

Range gain Calibration Measurement technique Analysis.

1000-7202(2017)01-0025-04

TB971

A

2016-11-03,

2016-12-30

余学锋(1963-),男,高级工程师,硕士,主要研究方向:仪器仪表与计量测试技术。