标签: 高精度测量

第三篇：我和34401A     在我的记忆中，最早对电子产生兴趣的，是我在 4 岁时的第一次“实验”经历。那次，我爬在父母的床下， 仔细地从我的幸运兔脚上拆下连接灯泡的铜导线，把它插入了墙上的电源插座中 ….. 。 即使在今天， 我有时在闭上眼睛的时候，仿佛仍然看到飞溅的火花， 听到那一声巨响， 还有妈妈对我大喊大叫、充满恐惧的声音。但这次经历，却成了我的电子职业生涯的开始。     十一岁时，我加入了一个童子军探索营，学习电子技术。 我在那里是最年轻的成员。那是 1968 年的夏天， 在电视上热播的是 Star Trek （星际迷航）、 晚上的新则充斥了关于越南战争的新闻电影片段， 还有美国航空航天局（ NASA ）正准备发射的阿波罗计划的第一次载人的飞行。我们很快要去月球！ 到处都是创新的技术和产品， 那是一个激动人心的年代！     探索营的课程持续了 2 年， 它的目标是让每一位学生都能通过 FCC 无线电话操作员执照的初级考试。 我们学会了复杂的数学、 直流和交流电路理论、 电子管和晶体管电路、以及通信理论和电路。我那时已经能相当熟练地使用各计算尺解决运算问题了。 在 1970 年的秋天，我已通过初级考试，开始自己的电视维修业务。 在暑假的时候，我作为志愿者，在离探索营不远的一个本地医院的电子部门工作，等待下一学期的开始。但就在那里，发生了一件改变我人生的事情。   第一次让我惊呼的 HP 产品体验     1972 年的秋天， 医院里来了一位 HP 的推销员， 访问了我们的周末班，向我们展示了一个令人兴奋的新产品：HP35 手持电子计算器。它的功能非常类似与当时的HP 9100 台式电子计算器。HP9100 台式电子计算器足有40 磅重，占地足有2平方英尺， 我以前也曾经借用过多次。 而这位HP的推销员带来的全新HP35 可以放你手中，只有半磅重，而价格只有HP9100 的十分之一。 更让我惊呼的是，这位推销员把全新的计算器向背后的混凝土墙上扔去，计算器在房间的混凝土地板上又弹跳了数次后，他走过去，捡起来、 用它做了一个简单的数学运算，抬起来给我们看，结果，它完美地工作! 这让我惊呼了起来！这个坚固耐用、可靠和精心设计的 HP 产品， 真正给了我及其深刻的印象。 这次经历， 促使了我在大学毕业之后， 接受了HP公司的工作机会，成为了一名测试仪器的设计工程师     在那次经历的近 20 年以后， 就在上世纪的80年的后期，我领导HP的一支团队，研究和开发新一代的6位半台式和系统万用表：HP34401A。 今天， 这个产品已经风靡世界， 并成为举世公认的行业标准， 而且凭借其有无与伦比的测量性能和可靠性， 受到了广泛的欢迎， 在世界各地已有数十万的工程师在使用它。 在我们定义 34401A的时候， 我们实施了一次HP测量仪器历史上前所未有的客户调查和研究。 我们通过电话或面对面的方式，在世界各地访问了将近一百个客户， 了解他们的应用和对当前产品的反馈。我们还调查了成千上万的工程师， 以了解其测量需求、 挫折、 以及所需改进的详细信息。我们还出动了重点的工程师研究小组，让用户的工程师在完全中立的情况下，表达对数字万用表的意见和期望， 以及对品牌认知、购买行为等等。这项研究的早期成果， 的确让我们颇感意外：有些客户认为HP的数字表非常"脆弱"、"容易损坏" ； 认为它们只是 "为实验室工程师设计的，在实验室中使用的仪器"， 而"不是为我的实际使用环境而设计的"。这一观点， 让我们打开了眼界， 并对产品设计和测试认证计划的制定和实施，产生了深远的影响 。 当时在34401A的开发过程中，我们对设计进行了反复的测试，不仅将电气和机械结构故障纳入设计的改进项目，而且增加每次循环测试的容限指标。在前面板用户界面的设计上，也进行了反复的用户测试，以减少操作的混乱和错误。 编程接口也进行了众多项目的测试，以确保其指标和性能， 使其足够的可靠、可预测、操作无缺陷。 1991 年底,  HP 34401A 6位半台式和系统数字万用表被推向了市场， 它获得了空前的成功， 直到今天，它仍然在市场上雄居第一。 当时， 我们对这个产品设计充满了信心，就像我多年前看到的 HP35 计算器演示那样。  当时为了证明它的坚固性， 我把它直接扔向3米开外的工作台上，在场的HP客户代表和用户开始屏住呼吸，都以为这台高端的数字表要被摔坏了，但随即便是惊呼“Wowed”， 因为我打开它以后， 这台精密的仪表完全正常工作，毫发无损！ HP/Agilent 34401A 6 位半数字万用表   下一代的产品           34401A虽然目前仍然在市场上排行第一，但我们清楚地知道，再好的产品，随着技术的进步，终究也将难以逃脱被淘汰的结局。因此，我们的团队正在为开发新一代的产品在不断努力。在过去的十年里， 我们在世界各地做了大量的市场调研。 与以往不同的是， 我们这次将中国年轻工程师的需求纳入了产品开发的重点。 在市场研究过程中，我本人数次来到中国，见到了众多中国年轻的工程师们，听取他们的意见、建议和面临的挑战。 同时，得益于中国的迅速发展， 人民币汇率的大幅提升， 众多的中国工程师们都用上高端的产品。 总体而言，我们相信，当今中国测试仪器客户的需求和决策行为，相比世界各地的其他主要经济体的用户， 已经不存在明显的区别了。  在下一篇的博客中，我们将会首次披露的这次为期多年年的市场调查和研发亮点，以及如何将这些研究结果用在新一代的产品中。   稍候，请看下篇： 下一代产品。  这将是非常令人兴奋的  

  第二篇：数字时代的开始        1958 年， 惠普开发出了一款具有革命性的仪器， 这就是 405AR 有数据记录能力的 " 数字 " 电压表。它提供了前所未有的测量精度、 速度和全自动测量能力，以及一个明亮的、易于读取的数码管显示。其革命性的成就还体现在其利用数字计算机，通过接口输出二进制数据， 来记录测量结果。在短短几年内，惠普还推出 2116A ， 他们第一台的 " 仪器化计算机 " 。      到了  1960 年，   惠普公司在成立仅 20 年之后， 已发展成为世界上最大的仪器公司， 是 GR 公司的两倍以上。 那个时候，惠普公司提供近 400 种市场领先的仪器。 设计和生产基地设在美国、德国和日本， 并在世界范围内的建立起了产品销售和服务网络。 从公司创立初期， 惠普公司的两位创始人 Bill Hewlett   和 Dave Packard ， 就选择了一个重要的公司发展原则， 那就是利用 技术贡献 ，促进 科学、 业和社会的进步。   他们不想仅仅依靠复制市场上已有的产品， 成为一家 " 山寨 " 公司。他们的目标是通过开发创新型产品，成为电子仪器领域的真正领导者。                 在20 世纪即将结束的时候，惠普公司从年营业额从 60 年代的 3 千万美元的仪器公司， 成长为年销售额超过 500 亿美元的巨型、多元化公司， 除了电子仪器之外，业务拓展到了医疗、 化学分析、半导体、 计算机及外部设备。 在 1999 年底， 安捷伦科技从惠普公司中分离了出来，成为为一家独立的测量公司， 继续着惠普公司创始人的价值观、 传统和原则。   仪器与计算机的结合年代    上世纪七十年代， 计算机行业正在起步。 当时一个非常急切的需求， 就是如何将仪器、计算机和外设连接起来。   惠普公司开始在业界领导制定接口的标准， 用于连接其仪器、 计算机和外围设备。 当时的设想是，要在未来轻松地连接和建立自动测量系统。 今天， 我们使用的几乎所有测试和测量行业标准， 最初的设想基本上都是惠普公司提出和设计，并在内部开始使用， 之后再提供给业界的其它厂家，与用户共享这些技术创新的技术。我们可以列出很多标准， 都是由惠普和安捷伦率先研发的：   1） 20 世纪 70 年代： 惠普内部使用的仪器控制总线 (HP-IB)， 被IEEE组织评审和接纳后，成为IEEE 488 总线标准，也成为仪器通用总线 (GP-IB)。它至今仍是测试测量行业和自动测试系统中应用最为广泛的总线。 一个有趣的事情，就是在 80年代中期，惠普公司的计算机和打印机上，GPIB 竟然是标准接口配置！所有，惠普如今的计算机产业，就是从40年前测试测量的应用和拓展起步的。 2） 20 世纪 80 年代： 惠普内部使用的标准仪器控制库（SICL），经过多年的修订， 最终被标准化，成为 VISA  IO 库、 可以让计算机、 GPIB 硬件、 操作系统和编程语言相对独立， 而且具备可互操作性 3） 20 世纪 80 年代初： 惠普的内部测试和测量系统的语言 （TMSL）， 通过标准化后， 成为可编程仪器的标准控制指令（SCPI）， 并添加到了 IEEEe-488.2 规范修订。 这也是目前测试自动系统中底层的、应用最广泛、而且执行效率最高的标准指令 4） 20 世纪 90 年代： 惠普预见到了工业界需要比 IEEE 488 仪器连接方式更快的、而且是计算机行业的标准接口。于是，在惠普内部， 开发出了一些方法， 可以让用户现有的基于GPIB程序， 用在计算机标准的 IO 接口上，例如火线（Fireware）,  就是通过VXI-11 协议，在IEEE 1394 上使用 GPIB； 以太网，也是通过 VXI-11协议， 在 IEEE 802.3 上使用 GPIB； USB， 通过 TMC488 协议， 在USB上使用GPIB。同时，还开发出来基于计算机背板的仪器，例如 VME/VXI、 PCI/PXI， 已经最近越来越多的 PCI express 接口的支持。所有这些，都实现了仪器总线向计算机总线无缝的过渡。 5) 进入2000年后，安捷伦创建了基于LAN的仪器总线内部标准，并推动了国际LXI联盟的成立和发展， 以及LXI总线工业标准的建立。 LXI联盟旨在建立标准化的基于LAN的仪器连接标准。 LXI标准为各个厂家提供了一整套的工作规范，包括设置、查询、工作行为规范，一家基于Web的显示和控制。 由于广泛的应用和最多的用户， 万用表始终是最早和最多使用自动化的仪器。事实上，上述的这些内部标准开发初期的原型机，最多选择的就是万用表。   成功的关键： 具备创新技术的 新产品。   如今， 无处不在的数字万用表已经成为电子和电器行业测量的基石，而且更快速、更精准、测量范围更为广泛。 简单数字万用表在灵活性、精度、易用性和自动化能力方面，在新推出的每一代产品上， 都得到了越多越的提升。在过去半个世纪中，数十家公司进入过万用表市场。 安捷伦科技在世界范围内的台式和系统数字万用表市场上，占据着毋庸置疑的领先地位。     安捷伦拥有数字万用表中关键的AD转换器的多项专利技术， 使其产品在测量精度、 速度和分辨率上，具有众多无法替代的优势。 同时，这些产品也采用专有的数字信号处理 (DSP) 算法，以进一步减少或消除测量误差， 更好测量各种模拟电路和元器件。        通过50 多年经验积累，安捷伦的数字万用表设计团队在业界占据着独特的地位，在为客户提供下一代行业标准的产品同时， 同时保持前所未有的连续性和兼容性。有些竞争对手往往试图复制安捷伦产品 ， 市场宣传的口号往往是“你行我也行”， 但缺乏新的创意， 创新更是无从谈起。这些公司往往声称他们的产品是"安捷伦等同的"或"安捷伦兼容的"。但实际上，由于缺乏核心技术， 更缺乏对产品精髓的理解，这些仿造或山寨版的产品，远未达到所谓的"等同或兼容"。这些仿造和“山寨"的厂家， 对安捷伦的数字万用表的历史演变缺乏一个完整的鉴赏和理解， 导致了他们的产品在功能、指标和使用上，出现了众多意外的不兼容问题。  所以，在下一篇文章中，我会谈到在20多年前的一些往事， 就是从事34401A 产品定义和研发过程中的一些令人终生难忘的经历 稍后，请看下一篇：我和 34401A          

前言： 相信每一位工程师都梦想自己能设计出风靡世界的卓越产品，安捷伦的工程师也一样。 在历史上，从 70 多年前的 HP 诞生，到后来的安捷伦时代，工程师们创造出来众多改变世界的产品，包括世界上第一台铯钟，至今仍作为国际时间标准； 世界上第一台数字示波器；世界上第一台逻辑分析仪等等。 惠普 / 安捷伦历史上最杰出的产品之一，就是诞生在 1991 年的惠普年代， 但至今仍然销量排名业界第一、 而且是公认的工业标准 34401A 6 位半数字万用表。在诞生后的 20 多年中， 34401A 在全球销售了近 50 万台！ 成为 HP 和安捷伦历史上销售数量稳居第一的仪器型号！   该产品的产品策划和设计师是 Scott Stever 先生， 他是安捷伦通用仪器的顶级工程师之一，目前还工作在安捷伦公司的系统产品事业部，领导着一只团队致力于新一代的产品定义和开发。在和他交往的 10 多年中， Scott 给我讲了不少关于他定义和开发 34401A 的故事， 也和他一起经历了新一代产品的市场调查和研究。 他曾多次来到中国，接触过众多的年轻工程师， 这些年轻工程师勤奋好学的精神，也给他留下了深刻的印象。有一次，我提出希望能在他退休之前，给中国年轻的工程师分享一下他的经验， 他很爽快地同意了。这也是我知道的第一次，安捷伦的顶级工程师来分享一些关于自己、以及他们终身引以自豪的世界级产品背后的故事。他自己写了一篇很长的故事，由我来做翻译。 由于篇幅原因，我将用连载的方式分享个大家。 今天是第一部分。   第一篇：数字万用表的前世今生 您曾想过 每天都在使用的测试仪器的历史吗？例如万用表， 这 几乎是每一个与电打交道的工程师每天都在使用的工具。估计很少人会 思考这个问题， 但毋庸置疑，万用表是在所有电子测量仪器中， 使用最广泛的一个。   人类认识电的开始， 大约是公元前 600 年， 古希腊 哲学家塞利斯记载了的木头摩擦琥珀能吸引草屑， 这是最早 关于 " 静电 " 的描述。 近 2200 年后， 17 世纪的实验物理学家在开始系统化地研究电力起源和它难以捉摸的各种现象及影响。在 20 世纪初，电学和电磁学的基础定律纷纷被定义和验证， 建立在安培、 奥斯特和库仑早期实验基础上， 并在之后得到大幅改进和提升， 诞生了第一台电测量仪器：一个罗盘状的，带有磁针的指示器，外面环绕着金属丝的电流线圈。这就是 20 世纪初期的被称为 moving-coil galvanometers ， 或电压表的原型 。        1901 年， 古列尔莫 . 马可尼第一次成功地讲微弱的高频信号跨过大西洋， 从英格兰到纽芬兰省， 展示了无线通信的理论和实践的可能性， 这证实了麦克斯韦的理论及赫兹和特斯拉的实验预言。 这就是被我们当今工程师们所熟知的 " 电台 " 。 它在 1925 年才被广泛认知， 因为那年 美国科学家李 · 德福雷斯特 发明了带有 " 阀门 " 的真空三极管。他在早期真空“二极管”中加入了控制栅极。这个三极管可以利用栅极，控制真空管内电流的流动，成为了第一个电子意义上的信号放大器。      General Radio   (GR) 公司，当时世界上最大的仪器公司， 立即认识这种三极管技术可以用来改善当时的仪器。在几年之内， GR 就推出了几种新的 " 电子 " 仪器，包括 第一个 可调谐的低频振荡器、 手控的 LC 测量电桥， 以及 第一个真空管的交流电压表 (VTVM) 。这些都巩固了 GR 作为当时 世界第一电子仪器公司 的地位 。       20世纪20年代的GR公司        19 世纪的 40 年代，是电子行业的高速增长期。最初推动力就是电话和无线电设备的商业需求，之后就是第二次世界大战期间对军事无线电通信贪婪的需求、 导航和信号干扰设备，最后是微波雷达设备， 这种利用无线电远距离探测和测距的新型技术。就在二战期间， 出现了所谓 " 通用 " 的模拟仪表，就是有多种测量范围、测量量程，以及多个输入端口的仪表，包括直流电压、 电流和电阻测量。典型的就是 Simpson Electric 260 系列电压和电阻计， 在战争期间成为了成千上万的军事技术人员简单的现场故障排除和维修仪表。       HP 公司是诞生于 1938 年，与 GR 公司相比，无疑是电子仪器行业的后来者。 在 1946 年， HP 推出第二代的 410A 高频真空管电压表（ VTVM ）。这是 HP 公司的创始人之一， Dave Packard 在 400A 交流电压表的基础上加以改进，设计增加了高达 1000V 直流电压测量，电阻测量也高达 500MΩ ， 并且，将峰值 AC 电压测量的带宽延伸到了接近 700 MHz 。由于它的高精度、 宽量程、多功能和灵活性， 410A 成为了 HP 的早期产品家族最受欢迎的经典仪器之一。       在二次世界大战后， 年轻的电子行业伴随着新的发现和发明继续迅速增长。 1945 年诞生了由 18,000 个电子管电路组成的第一台电子计算机。 1947 年在贝尔实验室发明了晶体管，为各种小型的、功能更强大的电子产品设计提供了新的可能。 1959 年，基于硅材料的集成电路概念被授予了专利。 这些新发明最终推动了电子行业超过半个世纪的增长。 然而， 美国电子行业的最初增长是依靠二十世纪 50 年代的新兴电视技术。遍布全美国的视频及音频发射站及演播室， 对大功率的 VHF 发射机需求如雨后春笋。消费者对家庭电视接收器的需求呈现爆炸性的增长。 但就在此时，很多公司经历了技术熟练的工程师和技术人员的短缺， 无法按照计划要求设计和制造他们的产品。     这个时代的测量仪器是测量速度缓慢， 结构复杂，而且使用起来也容易出错。许多仪表依靠模拟表针度数，而且也很容易搞混测量范围。 执行单个测量经常需要用户手动调整多个的控制，以补偿和平衡仪器，最终将这些仪器的设定及度数计入测量结果。 甚至是一个基本的测量， 也需要高技能和有经验的操作员。很多公司要求更为简单的、自动化程度更高的仪器，即使不是博士学位的人员也能操作，也可以提供更快更准确的测量结果。   稍候，请看下一篇： 数字时代的开始    

前些天 , 有位贤弟电话给我们 , 说他在使用安捷伦 34401A 6 位半数字表测量 锂电池电压时 , 出现了一种离奇的测量现象 ：测试 刚 开始的时候， 锂电池电压是 4.23621V, 但接着， 万用表显示结果却一直在上升变化 , 从 4.23621V 上升为 4.23622V ， 4.23623V ， 4.23624V…….. 一直过了几分钟后，变化的速度才相对比较缓慢，之后 他换了另外一台 34401A 进行测试， 还是同样的情况， 甚至更换了几块电池，也是同样的情况 . 对此，我们也感到非常的困惑，甚至还怀疑过万用表的电压测量档在给锂电池充电！   后来 , 经过和他一步步的沟通确认 , 才发现 , 这为贤弟在 使用的万用表开机之后没有进行预热 , 就立刻进行测试 。我们建议他每次测量之前，对万用表预热半 小时后， 再进行测试，看情况是否有所改善。他尝试后，果然情况得到了明显改善，测试结果也比较稳定了， 万用表的“充电功能”随之消失了。 相信很多同仁在使用测试测量仪器时，一般开机后不经过足够的预热时间，就立刻进行测试， 认为开机预热非常浪费时间，实际上，如果测试精度的要求不高，这样做也还说得过去。 但要确保非常高的精度和一致性，就不一样了。 我相信大家看了上面那位贤弟的测试经历后，对仪器预热的重要性可能会有一个比较直观的认识了。 其实，在仪器技术资料中 , 一般都会指明该指标是在预热 30 分或者 1 小时的条件下得到的 , 图 1 是 34401A 数字万用表的技术指标，指标中也特别注明了 1 小时预热条件。     所以，为了保证测量仪器性能的稳定，达到仪器的性能指标，在使用仪器进行测试时，要首先进行预热，让仪器进入正常的测量状态，这样才能让你的测试更有保证。  

 这是高精度数字表系列揭秘系列的最后一篇文章了.这篇文章也将让我们回到高精度测量的起点, 就是探头. 高品质的探头和可靠的连接是一切测量工作的起点. 在市场上最流行的万用表供应商通常在包装箱中放入一对标准探头.他们也会提供一些价格并不太高的可选探头.在很多测试过程中,这些选件可能是很有用的. 下面我给大家推荐几个   带有弹簧的精细探头 工程师往往要把双手和双眼都用于电路板的检测, 有时观看万用表显示都可能造成探头的滑动。Agilent 34133A精密测试线和探头会帮工程师解决这个问题。这种探头的测试线又小又轻，并配有使用冠状弹簧触针的Agilent 专利点测头。弹簧压着触针可帮助吸收小的滑动，冠状触针可刺入焊点中有些万用表. 该探头的价格大约为人民币270元左右.另外,有些数字万用表,34401A、34410A 和34411A 提供锁定有效读数的读数保持功能。锁定的读数使工程师集中关注于探测。   用于四线欧姆测量的探头 如果您要作四线欧姆测量，就需要第二套测试线。Agilent 34138A测试线套件是不错的选择。它包括一些很尖的探头和使用于表面贴装器件的精细抓钩。该探头套件的价格大约在RMB260元 高压探头 一般数字万用表允许的输入电压在1000VDC一下，探头安全使用电压也是1000V。但如果需要测试数千伏甚至上万伏的电压，就需要配备数字高压探头， 例如Agilent 34136A. 它有固定的输入阻抗模式(输入电阻为 10 MΩ)， 提供1000:1 的分压比，把电压表的测量能力扩展到40 kV DC， 从而使您能用万用表安全地测量高压。 该产品的价格大约为RMB1500元 大电流分流器 数字万用表允许的直接输入最大电流通常不超过3A， 个别可以达到10A。如果所需测量的电流超过其最大量程，就需要使用大电流分流器了。 Agilent 34330A 电流分流器测量直流和低频交流电流， 如果测量时间不超过15分钟，其允许的最大电流是30A。 如果长时间连续测量，可以承受的电流时15 A。 它是精密的0.001 Ω电阻器，装在由环氧树脂密封的塑料盒中。该分流器通过1 A电流时的输出为1 mV。可通过分流器上的接线柱测量该电流。只需把导线牢固地接到接线柱上。该产品的市场价格大约为RMB750元。另外，市场上也能看到更大的电流探头。  低热偏置接线座 在上一篇文章《内部偏置和测量引线造成的测量误差》中，我们谈到了热偶结电压对小信号测试的影响。如果需要尽量降低这个影响，可以考虑选择 Agilent 34171B 数字万用表输入端连接器座。 这是一套两个连接器，它提供接线到所有5 个输入端 （2个电压测试端，2格电流测试端和一个接地端）的方便和可靠的方法。端子用低热铜合金制作，可把不同金属连接的感应电压减到最小。为实现最小的热偏置电压，要使用与所有连接器相同尺寸的裸铜线。该产品的市场价大约为RMB1800元   以上这些探头和附件，均适用于市场上最流行的34401A、34410A和34411A 6位半数字万用表， 也可用于一些其他品牌的高性能数字万用表。如果诸位希望购买这些产品， 可以直接联系安捷伦的授权分销商。查询各地安捷伦授权分销商的详细信息，可访问 www.agilent.com.cn/find/disty 好了，最后以这篇广告式的文章结束了高性能万用表系列的介绍。技术文章也好，广告也罢，只要对从事测试工作的工程师有用，就算赤脚医生没有白忙活。在以下一系列文章， 将和大家共同探讨高精度、高可靠的数据采集技术。