【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片

21ic电子网 2026-10-25 13:07
【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图1

🔍 一、一百美元出头的双显示表

Fluke 45 是福禄克在 1989 年前后推出的台式万用表。作者对它的记忆是杂志内页的整版广告——那个年代还没有互联网,一台表能不能让人记住,全靠杂志上那几平方厘米的版面。作者的判断是:这大概是世界上第一台带双显示的万用表。这个说法我没有在官方资料里逐字对上,只能按他的说法记下来,但双显示确实是这台表当年最大的卖点。

他这台是 eBay 上花一百美元出头拍下的,卖家标注"按现状出售",没有工作视频。他本来指望到手是坏的,好拍一期修机视频,结果开机就亮,维修视频泡了汤——他的原话是,本来还指望能拿它出一期维修视频。

规格上是这样:4½ 位显示(30,000 count),另有一个 5 位的高分辨模式(100,000 count,实际最大 99,999);读数速率三档可选,2.5 次/秒对应 99,999 count、5 次/秒对应 30,000 count、20 次/秒对应 3,000 count;双真空荧光显示屏,两块屏各自都能显示 99,999 count。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图2

这个"计数可调"的设计在今天已经很少见。现代台式表要么固定 6½ 位,要么在"快速模式"里牺牲位数,但不会让用户自己拿位数换速度。Fluke 45 把这三档做成显式的 S/M/F 指示,逻辑很清楚:慢档位数最多、速度最慢,快档反过来。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图3

指标方面,手册给的一年期直流电压准确度是 0.025% + 2 个字(30,000 count 口径),五个量程 300 mV 到 1000 V 全部同指标;慢速 100,000 count 口径则放宽到 0.025% + 6 个字。这句话值得停一下:多出来的那一位是拿误差换来的。10 V 档慢速档末位是 100 µV,而 0.025% × 10 V 已经是 2.5 mV,再加 6 个字(600 µV),总误差预算 3.1 mV 上下。末位 100 µV 只占误差预算的三十几分之一。也就是说,第五位数字对绝对准确度几乎没有贡献,它的用处是看短稳、看相对变化、做比对测量。

交流部分是 0.2% + 10 个字(中速档口径,50 Hz 到 10 kHz),到 50–100 kHz 段放宽到 5% + 50 个字,带宽标到 100 kHz;频率测量 5 Hz 到 1 MHz 以上;电阻低阻段 0.05% + 2 起步,到 30 MΩ 档放宽到 0.25% + 3,另有 300 MΩ 档;通断/二极管档开路电压 3.2 V、测试电流约 0.7 mA、捕获时间 50 µs。真有效值、dB、比较(Compare)模式、闭壳校准(不用开盖拧电位器,走串口校准)都是当年很超前的配置。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图4

后面板信息量不小:GPIB 是选件,RS-232 是标配,电源入口宽压 90–264 V,整机功耗标 20 VA,安装等级 IEC 664 CAT II。注意这个 20 VA——它没有开关电源待机那一套,变压器是一直挂在线上的,这个数字后面还会用到。

先看它到底准不准。作者用一台 Advantest R6142 可编程直流源做对比:

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图5

100 mV 点差一个字,也就是 10 µV。这个量级的差异已经接近源本身的准确度和热电势水平,说"基本打平"是合理的。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图6

10 V 点读到 9.9982 V,末位 100 µV。电流档他也测了:1 mA 点读到 1.0000 mA;10 mA 点上他自己算了一下,偏差 0.26%,按这一档 0.05% 的指标判为略超差。这台表刚从 eBay 来、没预热,这个结果不算难看。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图7

双显示是这台表的招牌,但它的实现方式值得说清楚:它并没有两套前端。手册写得很直白——两次测量是先后做的,只是两块屏同时点亮,方便对比。测量时板上的继电器在两个功能之间来回切换,作者现场能清楚听到"咔嗒、咔嗒"的切换声。所以这种双显示不适合长时间挂在产线上跑,作者自己也这么提醒。好处是不用换表笔、不用换档就能同时看电流和它两端的压降,调电源、查分流器时很方便;代价是两路读数不是同一时刻的,值在变化时会有时间差。

📦 二、开盖:全通孔是错觉

顶盖用几颗螺钉固定,盖缝上贴着"拆封即失效"的校准封条,作者随手就撕了。开盖之后他的第一反应是"全是通孔元件,1989 年的工艺",然后立刻自己纠正:显示板上是有贴片的。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图8

机内布局是典型的老式台式仪器:主板一块,前面板显示板一块,两者用排线连。图上这一片是数字侧——主处理器、程序存储器、校准常数存储器都在这里,靠两条白色排线连到前面板,靠一只变压器和几只光耦跨到模拟侧。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图9

左侧那块竖插的小板是 GPIB 选件。板上丝印的版权年份是 1987——比整机上市还早两年,说明这块选件板的设计在整机定型之前就存在了。

主板上印着 COPYRIGHT 1987 JOHN FLUKE MFG. CO., INC. / MADE IN USA / ISSUE 48SV / B14137,板号 B14137、改版 V。也就是说这块主板的设计基线是 1987 年。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图10

主处理器是日立 HD6303Y,6800 系列的后续型号,内部带串行通信接口(SCI),所以能直接驱动 RS-232,板上不需要单独的 UART。这颗芯片的时钟是 3.6864 MHz——这个频率不是随便选的,除以 16 正好是 230.4 kHz,是串口波特率的标准底座,再分频就能得到 9600、19200 这些常用值(笔者推算)。

旁边那颗八脚小芯片丝印是 M29AG / 93C46,是校准常数存储器,手册里叫 EEROM(A1U5)。作者口述时把它说成"National Semi 的 63C46",实拍丝印是 93C46,这里以丝印为准。93C46 是 1 kbit 的串行 EEPROM,存几十个校准系数绰绰有余——这也解释了为什么这台表能做闭壳校准:校准值不进代码,进独立的小 EEPROM。

还有一颗器件值得一提:程序存储器上贴着一张 Fluke 自己的标签,印 FLUKE 45-4504,批次 897297,产地 Singapore。型号被标签整面盖住,读不出来,只能按"程序存储器"记。老仪器上这种做法很常见——用带标签的 EPROM 防止抄板。

🧩 三、模拟区:一颗 ASIC 包办了整个前端

主板上另有一片模拟区,布局一眼能认出来:中央一颗大的方形芯片,左边一排三只黄色继电器,周围是灰色的精密电阻模块和一堆轴向电阻。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图11
【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图12

这颗芯片就是手册里的模拟测量处理器(A1U1),68 脚 CMOS 定制件,负责输入信号调理、量程切换、A/D 转换和频率测量,再通过一组串行口跟主处理器讲话。顶标 776195 是 Fluke 自己的料号,1793 疑似批次或年份码,123-M 是掩模版本。

定制的意义在这里非常具体:量程开关、积分器、比较器、计数器、频率测量、欧姆源全部做进一颗芯片,外围只剩下继电器、电阻网络和基准。主板上找不到一颗通用的 ADC,模拟通道基本都收进了这颗芯片——1989 年就敢这么干,是因为 Fluke 自己有芯片设计能力,产量也撑得起流片。

芯片左边那三只黄色继电器是量程与功能的通路开关,型号 Aromat DS2E-SL2-DC5V-C-H245,5 V 闭锁型。手册把它们叫 A1K1、A1K2、A1K3,并且给了一张真值表:直流 mV/3 V 档是 K2、K3 置位;10 V 及以上的高压档三只全置位;交流电压是 K1、K2 置位而 K3 复位;电阻和二极管档是 K1、K2 复位、K3 置位。驱动它们的是一颗 ULN2004 达林顿阵列(U2),输入来自定制芯片的 FC0–FC5 六个功能控制脚,每个脚输出 8 ms 的正脉冲。闭锁型继电器只在切换瞬间耗电,稳态不耗——这对一台没有待机电源的老表来说是必需的。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图13

板上这几块灰色的模块是这台表最值钱的部分。作者的说法是:板上所有标 Z1 的电阻都属于"输入精密薄膜电阻网络",一共三块(Z1、Z2、Z3),做在陶瓷基板上,长期稳定性和温度系数都远好于分立电阻。

手册能对得上:Z1 是输入分压与欧姆档参考电阻,Z3 是积分电阻网络。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图14

输入保护这一段,手册把每一颗都画得很清楚:

实板上这一段有两个细节。一是保护件全部贴着端子摆:保护电阻紧挨输入端,压敏电阻就贴在端子后面,走线越短,引线电感带来的残压越小。二是沿着输入端,板上铣了一条长槽,槽边还嵌着两只表面贴装的压敏电阻——槽的作用是拉长爬电距离,高压打火时电流必须跨过空气间隙,而不是顺着板面的灰尘与潮气爬过去。10 A 分流器与 mA 通路之间另有一条同样的槽。

这一段的取舍很明确:用大阻值电阻和压敏电阻换安全,代价是热电势和漏电流。R5 是 3.5 kΩ 5 W 的功率电阻,R6/R7 是 100 kΩ 3 W,这类器件本身的热电势就不小;好在这台表最高只做到 5 位、10 V 档末位 100 µV,还扛得住。要做到 6½ 位以上,这个前端必须重做。

💡 四、手册里的电路:分压、基准、积分

作者把服务手册摊在桌上,一页一页对着讲。这一段是理解这台表的关键。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图15

先看量程。手册说得很清楚:A/D 本身只有四个量程——±100 mV、±300 mV、±1000 mV、±3 V。中速与快速档用 ±300 mV 和 ±3 V,慢速档再加 ±100 mV 和 ±1000 mV。表上的 10 V 到 1000 V 这些档,全靠 Z1 这一串分压电阻的抽头把信号压到这四个基本量程里。手册点名了 300 V 档的做法——由 Z1 的 10 MΩ 与 10.01 kΩ 构成 1000:1 分压;10 V、30 V 这些中间档用 Z1 的中间抽头,手册在讲有源滤波时提到这两档由 R10 与 100.5 kΩ 负责。换句话说,面板上的量程是分压比换出来的,A/D 本身只有四个档。

这只 1000:1 分压器由 Z1 里的 10 MΩ 与 10.01 kΩ 两只电阻加上芯片内部的两个开关构成。这里有个细节值得抠:10 MΩ ÷ 10.01 kΩ = 999.0,不是 1000.0,差 0.1%。手册的说法是"构成 1000:1 分压",要真做到 1000:1,上臂应该是 10.01 MΩ。

这 0.1% 的来源在手册的另一张表里:Z1 不只是分压网络,它同时是欧姆档的参考电阻——100 Ω/300 Ω 档用 1 kΩ,1 kΩ/3 kΩ 档用 10.01 kΩ,10 kΩ/30 kΩ 档用 100.5 kΩ,100 kΩ/300 kΩ 档用 1 MΩ,1000 kΩ 到 10 MΩ 这几档共用那只 10 MΩ。也就是说,10.01 kΩ 这个奇怪的数字首先是 1 kΩ/3 kΩ 档的欧姆基准,1000:1 分压只是它顺带承担的另一份工作。一条网络、两种用途,取值被欧姆档约束,分压比就只能凑到 999.0 而不是 1000.0——剩下那 0.1% 由整机校准时算掉(笔者推算)。

输入端还有一处设计是加分项:分压器的公共端(Z1 的 3 号脚)同时是 A/D 的低端信号,经过 R9 取样。这样分压比与低端引线电阻无关,量程误差不会被地线电流带偏。

再看基准。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图16

基准不是 LM399,也不是什么昂贵的埋入齐纳,就是一只 6.3 V 的普通齐纳(VR1),靠芯片内部的基准放大器灌 2 mA 恒流,再用 Z3 网络分压到 1.1 V 给 A/D 用。

这就是这台表能卖那个价钱的另一半原因:基准用便宜货,靠筛选和校准补。齐纳的温度系数是正负几 ppm 到几十 ppm 每摄氏度量级,个体差异很大,产线要一只一只测、一只一只挑。作者在这里插了一句玩笑,大意是这颗管子是产线上一位有灰胡子的老师傅一只只测、一只只挑出来的——话糙,但确实点出了那个年代的做工方式:器件不神,筛选和校准流程神。

四个积分电阻的取值也对应得很整齐:400 kΩ 对 ±100 mV、125 kΩ 对 ±300 mV、40.0 kΩ 对 ±1000 mV、12.5 kΩ 对 ±3 V。手册里对应的开关是 S69、S71、S73、S75,分别接 Z3 的 B.1、B.3、B1、B3 输出脚。注意这四只电阻不是等比例取值:400 kΩ 对 12.5 kΩ 是 32 倍,而满量程是 30 倍。积分与反积分的电阻都从同一条 Z3 里取,读数只取决于两者的比值(手册里还有一条 RRS 参考取样通道),换档时两个抽头一起切,单个电阻的绝对值就不重要了——这一段是我的推断,手册只给了对应关系,没解释取值。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图17

隔离这一段也画得很清楚。定制芯片自己带一个 3.84 MHz 的晶振(Y1),两侧的数据都从这条串行链上走:数字侧的主处理器先把命令从 11 号脚发出去,经光耦 U3 送到模拟侧的 AR 脚(40 号脚);模拟侧测完之后,从 AS 脚(39 号脚)出来,先驱动 ULN2004 的一路达林顿,再经光耦 U4 把结果送回主处理器的 10 号脚。两只光耦加一只隔离变压器,构成手册所说的 guard crossing——模拟侧的地是浮的,数字侧的地接机壳,两边只通过光和磁联系。

这个做法在八十年代末是标准的,但代价也很清楚:光耦的传输延迟和抖动会限制采样率的同步性,而变压器耦合的开关噪声会从电源串进模拟侧。今天的设计大多改用数字隔离器,速度快、体积小,但抗共模瞬变的能力未必比光耦加变压器这套老方案强。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图18

板子翻过来,是这台表最讲究的地方:保护环。

上一页原理图里,U1 的 12、17、20、22、24 号脚全是 GUARD,还有专门的 GUARD AMP 和 REF RESISTOR SENSE。对应到板上,就是这些被沟槽围起来的铜岛——敏感节点各自被一圈驱动到同电位的铜包围住,任何从板面漏过来的电流都只能流到保护环,流不到信号节点上。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图19

焊接面还压着一块冲压成型的铝屏蔽板,一只螺钉固定。板子的另一面(元件面)盖的是那只灰色的导电塑料盒,盒上印着警告:本屏蔽罩上可能带电压,触碰前先断开表笔。两面包夹,等于把整个模拟前端装进一个屏蔽腔里。

🔬 五、真有效值:一块可以拔掉的板

模拟区边上有一块独立的小板,用排针插在主板上。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图20

板上就一颗 AD637JQ,模拟器件的真有效值转换器,配一颗 LF357 结型场效应管输入运放做前置。AD637 是那个年代的通用解:带宽够、精度够、外围简单,几乎所有的真有效值万用表都是它。

真正的问题是:这块板为什么要单独做?

作者的推测是,厂家可能同时供应一个"平均值响应"的版本给特定客户(比如军方),那些客户的测试规程是按平均值表写的,换成真有效值就要重写整套规程。做成独立小板,装不装这块板就是两个型号,主板不用改。

这个推测没法证实,但它解释了三个观察:这块板不是选件、不额外收费,却单独占一块 PCB 和一组排针;板上除了 AD637 就是它的外围,没有别的东西;主板上有对应的插座位置。工程上讲得通,商业上也讲得通。

顺带一个细节:这块板上用了三颗橙色钽珠。作者对此的评价是"邪恶",这是老电子工程师对钽电容的共同态度——钽电容失效时会短路,接在电源上就是一缕青烟。八十年代没得选,今天的替代品是陶瓷电容加聚合物。

🎯 六、电源与显示:变压器一直带电

最后看电源和显示部分。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图21
【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图22

前面板显示板上有一颗独立的单片机,NEC 的 µPD7527A 系列,四位机,自带荧光显示驱动,31 路高压输出直接推 VFD 的栅极和阳极。也就是说,键盘扫描、显示刷新、蜂鸣器全归这颗小片子管,主处理器只管测量。这种"测量与显示各一颗 CPU"的分工在老仪器里很常见,好处是显示刷新不影响测量时序。

这里有个矛盾点值得记下来:显示板的版权丝印是 1996 年,主板的版权是 1987 年,而主板上那颗定制芯片的顶标是 1793,若按年份码读就是 1993 年(笔者推算)。作者的解读是这块表的生产年份大概在九十年代前期,显示板后来改过版;他自己也拿不准这台机器到底哪年上市,转而问观众。本文按实拍记:两块板的版权年份差 9 年,说明这块表用过后期改版的显示板。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图23

VFD 的驱动方式在手册里也有:灯丝由 5 Vac 驱动,而这个 5 Vac 是叠在 -25 V 直流上的;栅极被驱动到 +5 V 时,灯丝发出的电子被加速到该栅极下的阳极,阳极同样被驱动到 +5 V 的点亮、被拉到 -30 V 的不亮。11 个栅极从右往左依次扫描,每个栅极下有最多 14 个阳极。这就是为什么 VFD 只要几伏的驱动电压却要 -30 V 的电源——阳极要相对于灯丝形成足够的加速电场。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图24

电源拓扑比想象中绕。市电经 IEC 入口直接进变压器 T3——中间没有开关,背板上的那个开关是接在整流之后的,所以插着电的时候变压器初级永远带电。这也是后面待机功耗的来源。

T3 次级整流后得到原始直流,再经 U11(LM3578 开关稳压控制器)产生 +5 V 逻辑电源;+5 V 又反过来给一组推挽逆变器(Q12、Q15、Q10、Q13 四只管子)供电,经 T2 升出 VFD 需要的几组电压:-30 V、-5.2 V 和 5 Vac。作者对这画法的评价是绕得不像常规,一眼看不出哪块是哪块——确实,一张图上同时有线性整流的原始直流、开关稳压的 5 V、和推挽逆变的荧光显示电压,读图需要一点耐心。

T3 上那个静电屏蔽值得单独说。初、次级之间夹了一层铜箔,引出一根绿线接到机壳地。它的作用是让初级的共模干扰经屏蔽层旁路到地,而不是通过初次级之间的分布电容耦合到次级去。作者专门强调这是隔离变压器的标准做法,实验室里那台大隔离变压器内部也是同样的结构。

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图25

顺手记一个用料细节:板上大电解是 Nippon Chemi-Con,主变压器带静电屏蔽,输入电阻是 5 W 的功率件,分流器是四端结构。这些地方没有省钱的痕迹。

待机功耗实测:

【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图26

背板开关关断时,视在功率 7.996 VA、电流 32.33 mA,作者另测得有功功率略高于 1 W。按 P/S 算,功率因数大约 0.13(笔者推算)。这个数字很低,但对"变压器 + 整流 + 大电容"这种输入结构来说是正常的:电流只在电容充电的那一小段导通角里流动,波形尖、谐波大,功率因数自然低。铭牌标 20 VA,就是这个道理——标的是视在功率,不是有功功率。

🎯 七、总结:一台被遗忘的表

先说结论:这台表的模拟前端明显超出 5 位表该有的规格,短板集中在"用起来"的层面。

值得肯定的地方:

① 一颗定制芯片干掉了整个前端。 量程开关、积分器、比较器、计数器、欧姆源、频率测量全在一颗 68 脚 CMOS 里,外围只剩继电器、电阻网络、基准和光耦。这不是省钱的做法,是花钱的做法——流片贵,但换来的是板子小、一致性好、量程切换全靠固件配置。

② 三块薄膜电阻网络。 三块陶瓷基板的一体化网络分别管分压、欧姆参考和积分电阻。它的价值不在精度,在匹配和长期稳定:同一块基板上的几只电阻温度系数一致、跟着一起漂,分压比和积分比例就不随温度变。这也是作者认定 1 V 档准、10 V 档大概率也准的理由。

③ 保护环与双层屏蔽。 元件面导电盒、焊接面铝板,加上板上那一圈圈驱动到同电位的铜岛。这套东西在 5 位表上属于超标配置,更像是从 Fluke 更高位表的方案里继承下来的(笔者推测)。

④ 隔离做得规矩。 光耦加隔离变压器,模拟侧浮地,数字侧的 RS-232 和 GPIB 共机壳地,任何一路出问题都不会把市电带到表笔上。变压器还带静电屏蔽。

缺点也说清楚:

① 分担电压太大。 手册给的满量程分担电压是:30 mA 档 0.45 V、100 mA 档 1.4 V。1.4 V 意味着测一个 5 V 供电的回路,表自己就吃掉近三成电压,被测电路的工作点会变。按 1.4 V 满量程换算,分流电阻在 14 Ω 量级(笔者推算),这是用大阻值换分辨率的代价——今天的表大多把 mA 档压到 0.1 V 上下。

② 没有 µA 档。 最低直流电流量程就是 30 mA。测待机电流、测漏电流这类活它干不了,得上另一台表。

③ 双显示是"轮流测",不是"同时测"。 继电器在两个功能之间切换,两路读数有时间差,还能听见继电器切换的咔嗒声。做静态比对很好用,做动态过程就不行。手册还专门提示:快速档下测交流加直流、或者双显示同时测交直流,直流那一半没有滤波,误差会明显变大,只能用慢速和中速档。

④ 位数是"标称"的。 100,000 count 模式下,10 V 档末位 100 µV,而一年的误差预算是 3.1 mV 上下,末位只占三十分之一。第五位是给短稳和比对用的,不是给绝对准确度用的。厂家把这一点写在手册里,算是老实。

⑤ 老化问题绕不过去。 这台机器外壳泛黄(阻燃剂析出),VFD 已经明显变暗,作者在镜头前也承认,实机上就是这么暗。VFD 的亮度衰减是不可逆的,这是买二手老表必须接受的部分。

我的评价:B+。模拟前端和隔离设计是 A 级,量程结构与产品定义是 B 级(没有 µA 档、双显示靠继电器切换),人机与老化是 C 级。以一百美元出头的价格买到这种做工,值;但不要指望它替代一台现代 5½ 位表——它的价值在于"当年的旗舰方案长什么样",而不是"今天够不够用"。

❓ 互动环节

🔍 此前那三道思考题的答案

此前拆的那台七位半表,留了三个问题。

① 温漂折算成字数。 题里给的 0.05 ppm/°C 是基准本身的温漂。10 V 量程、读数 10.00000 V 时,0.05 ppm/°C × 10 V = 0.5 µV/°C;机内温度波动 2 °C,就是 1 µV——正好是该机 10 V 档的末位(1 µV),也就是一个字。开了 ACAL 之后按 1 ppm/°C 算:1 ppm/°C × 10 V = 10 µV/°C,2 °C 就是 20 µV、20 个字。

这里的关键不是算出来的数字,而是两个指标的差:基准只有 0.05 ppm/°C,整机规格却是 5 ppm/°C,差 100 倍。说明误差的大头不在基准,而在基准以外的地方——分压网络、A/D 缓冲器与积分器的失调漂移、保护环的漏电流。ACAL 补偿的就是这整条通道:用机内温度传感器测出当前温度,按出厂时测得的温度特性曲线把整条通道的漂移算掉,所以能从 5 ppm 压到 1 ppm。只补基准的话,压不到这个程度。

② 加热管的结温。 50 mA × 2 V = 0.1 W,乘以 200 °C/W 的热阻,结温比环境高 20 °C。管子放进塑料罩里,罩内的环境温度比机箱高 10 °C 起步,环路要追的目标就抬高了 10 °C;更要紧的是这颗管子自己是热源,形成正反馈:管耗上升、罩内温度上升、恒温环路需要更多加热功率、管耗再上升。加上罩内没有气流、热时间常数小,环路的相位裕度会被吃掉,极端情况下会振荡。放到罩外,热量直接交给机箱气流,恒温腔看到的环境温度更接近机壳温度、波动更小,环路好做。

③ 1 µA 档的失调漂移。 0.04 µV/°C ÷ 100 µV = 4 × 10⁻⁴/°C,也就是 400 ppm/°C。同机电压档的温漂是 5 ppm/°C,差了 80 倍。

原因很简单:失调漂移是个绝对量(零点几微伏每摄氏度),而满量程信号只有 100 µV。分母小了四五个数量级,相对误差自然爆炸。所以高位表的小电流档总是最弱的一环,要在这档上做准,只能靠更长的预热时间、更严格的温度控制,或者干脆用反馈式电流表(把分流器上的压降用运放钳在零,测反馈电流)。

❓ 今日小思考

这台 Fluke 45 有三处可以算。

第一部分。 Z1 里的分压器按 10 MΩ 与 10.01 kΩ 取值。假设低臂电阻实际比标称高 0.02%,300 V 量程的读数会偏多少 ppm?再算:用它测 300 V、1000 V 时,10 MΩ 上各耗散多少功率?这点自热为什么必须做在陶瓷基板上,而不是普通 FR-4 上的贴片电阻?

第二部分。 慢速档 2.5 次/秒,一次完整转换约 400 ms;中速 5 次/秒约 200 ms;快速 20 次/秒约 50 ms。工频是 50 Hz,周期 20 ms。假设积分阶段覆盖了整个转换周期,这三种读数速率分别是工频周期的多少个整周期?为什么手册给慢速、中速的工频串模抑制是 80 dB 以上,而快速档只有 60 dB——如果快速档想要 80 dB 的抑制,积分时间至少要多少?

第三部分。 10 A 分流器是 0.01 Ω、1 W。10 A 时它自身耗散多少功率?规格里允许 20 A 保持 30 秒,此时耗散多少?为什么厂家要把 20 A 限制在 30 秒?反过来,如果想把 10 A 档的分辨力从 1 mA 提到 100 µA,分流器阻值要改成多少?那时满量程分担电压和功耗各是多少,为什么厂家不做?

💭 提示:第一部分先算分压比的变化量——低臂变大,输出电压变大还是变小,再乘 10⁶ 换成 ppm;功率用 U²/R,注意 10 MΩ 上承受的是几乎全部电压;陶瓷基板的导热率是 FR-4 的几十倍,这一点决定了自热会不会变成温漂。第二部分把 400/200/50 ms 除以 20 ms,看余数是不是零;整周期积分时,工频干扰在积分区间内的正负半周完全抵消,抑制比随积分时间与周期的比值上升;快速档要凑够整数个周期,至少要几个 20 ms。第三部分 10 A 的平方乘 0.01 Ω,再算 20 A 的情况;分辨力提高 10 倍意味着分流器阻值提高 10 倍,满量程分担电压和功耗一起涨 10 倍,想想 1 V 的分担电压、10 W 的自热对被测电路意味着什么。

一台 1989 年的表,用一颗定制芯片加三块薄膜网络,把 5 位的活干完了。如果今天让你用分立器件重新做一遍同样的指标,你会把这颗定制芯片换成什么——一颗 24 位 ΔΣ 加一颗 FPGA,还是老老实实做双斜率?换句话说,定制芯片在这个年代还是不是优势?


END


【拆解】37年前的Fluke 45:776195定制芯片图27


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