这台 80 年代末设计的“计量界活化石”在正常工作：Datron 4808（基准设计）

最近 PP 哥（名字我实在不会打）好像买了校准器：

听说是 fluke 的一款机器的前身

听说是 fluke 的一款机器的前身

海外也不便宜，感觉正常

海外也不便宜，感觉正常

在：

https://xdevs.com/fix/w4808/

好像有很多的拆机图，对了，我要写这个文章也是看到了有个原理图，基准板的，设计的蛮复杂。

这上古味道扑面而来

这上古味道扑面而来

https://xdevs.com/doc/Datron/4708/DATRON-4708-CH-SH_c20030307.pdf

核心 REF 板

核心 REF 板

明显可以看到有 Vishay 的分压金箔电阻，这里就是分压部分了，看起来上面还有 dale 电荷，黄色应该是钽电容，OP 都是金属罐子，因为本身就是年头久远，哪个时候都这样，现在这个封装都停产了。

太棒了，直接学习

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走线非常的放荡不羁爱自由，连上就行。

这里面应该是有薄膜电容，没有压电效应，缺点是做不大容值，还看到一个 LT 的芯片，整个板子设计成插接的样子，下面只要满足接口定义，就可以方便的维修调试以及升级这些，不需要动其它的。

分析一下电路

国外早期这些仪器会给详细的原理图，叫维修手册，现代可能被抄怕了，也都没有了。。。

真的棒，直接设计东西都没有这么详细的文档

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物料价格都有

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甚至可以直接学习

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4808 的 Master Reference 是一块单独 PCB，安装在 Reference Divider Assembly 上，输出约 20.6 V 超稳定电压，并且决定整机长期和短期稳定性；后级 Reference Divider 再把这个约 20.6 V 主基准通过开关积分、滤波、软件校正常数转换成 0 到 20 V 的工作参考。

4808 的基准系统是：

主基准精密数字比例分压工作基准输出误差放大器参考

能产生用于 DC 输出的 0 到 ±20 V DC reference，也能产生用于 AC 输出的 +0.126 V 到 +2.794 V reference；对于 DC，输出 sense 电压和 reference 直接比较；对于 AC，reference 用来决定 quasi-sinewave 的幅度。

输入电压非常高

输入电压非常高

图里的这块电路主要做的是：

后面的 Reference Divider 才负责：

输出设定值量程比例校正常数

Handbook 还说，Reference Divider 的 set/reset 脉冲控制 JFET 开关，去 chopping 这个 Master Reference，再经过滤波形成 MSB/LSB 两路电压，最后合成为工作参考 REF+Ve；输出步进约 0.03 ppm，约 0.6 µV。

原理图分成 4 个核心区域

从左到右拆：

恒温加热伺服核心精密比例补偿滤波网络输出缓冲与远端

LTZ1000 的加热恒温系统

图可以看到：

M2：LTZ1000 heater，标注约 400 Ω heater

Q3：BC337

Q1：VN06LM，像功率开关/MOSFET 驱动器

D3：15 V 齐纳

R10：470 Ω 1 W

R2、R3、C1、C3、D1 等组成慢速控制/滤波/补偿网络

这个部分的作用不是产生基准电压，而是给 LTZ1000 内部芯片加热，让芯片工作在一个高于环境温度的稳定温度点；LTZ1000 的高稳定性依赖两个东西：

本身稳定芯片温度恒定

加热功率大概遵循：

或者：

其中 heater 大约是 400 Ω。恒温回路调节 Q1/Q3 的导通，使 LTZ1000 内部温度稳定。温度稳定后，基准漂移近似变为：

恒温的目的就是把第一项压低：

这种基准上电后必须预热，不是普通 10 V reference，冷机到热平衡之间，输出会经历明显 settling。

LTZ1000 基准核心和精密电阻网络

图中间可以看到第二个 M2 标注 LTZ1000，周围有很多标成 AN1 的电阻网络，例如：AN 21R8 1%，AN1 12k 1%，AN1 35k，AN1 695R 1%，R4 68k，R5 2k7，R6 33k；M1A：LT1013。

这个区域是主基准的“电压生成核心”。

LTZ1000 本身不是直接给 20.6 V，内部主要提供一个高稳定 buried zener 电压，加上温度检测/补偿结构；Datron 这里用精密电阻网络和运放把它变成约 20.6 V 的 Master Reference。

抽象成：

：LTZ1000 buried zener 电压

：内部晶体管温度相关电压

：由 AN1、R4、R5、R6 等电阻比例决定

：工厂修调/预选电阻引入的小校正量

这里的设计重点不是“输出一个准确的 20.600000 V”，而是输出一个 长期稳定、低噪声、可被后级数字比例系统精确缩放的主基准。

Handbook 也说明，这个 Master Reference 约为 20.6 V，并且是整机长期/短期稳定性的根。

为什么不是直接做 10 V，而是做约 20.6 V？

因为 4808 后面需要一个接近 20 V 满量程的可编程工作参考；Handbook 里说，Reference Divider 最终的 REF+Ve span 覆盖 0 到 19.999999 V，并且为了校准调整，两端还有 overlap。满计数时 REF+Ve 大约是：

零计数时还有约 -20.3 mV 的负 overlap，用来容纳软件校准修正。

所以约 20.6 V 的主基准不是随便选的，它给后级 20 V reference divider 留了校准余量：

这样后级可以通过数字比例和校正常数生成：

而不会因为基准头寸不足而顶到极限。

LT1013：慢速高精度控制/滤波放大

中间的 M1A 是 LT1013；附近有：C4 1 nF，C5 100 nF，C6，C7 22 nF，R7 150 k，R8 1 M，R10 150 k，R11 10 k；D2、D5：BAS45 / BAV45 类小信号二极管。

这个区域像是 基准核心的误差放大、滤波、偏置和保护网络。

把它看作：

比例网络低噪声慢速误差放大稳定的高阻节点参考节点

其中 C4、C6、C7 这类电容的作用通常包括：降低宽带噪声；限制环路带宽，避免基准放大器振荡；滤掉加热环路、供电、开关节点引入的高频扰动；改善上电 settling 行为。

这种基准源不是追求高速响应，而是追求：

低漂移低噪声长期稳定

所以它会故意很慢，对于校准器，这是合理的。

至于为什么是这颗，手册里面就是这个，看来大哥也不能免俗

至于为什么是这颗，手册里面就是这个，看来大哥也不能免俗

OP07 + 2N5304 的输出缓冲 / Kelvin sense

M3：OP07

M4：OP07

Q2：2N5304

R15：47 Ω

R16：750 Ω 1 W

C4：220 pF

R17：2.2 k

R13：18 Ω

输出端：

J2-1：REFERENCE SENSE

J2-2：REFERENCE POWER

Datron 没有简单把 LTZ1000 输出直接送出去，而是做了 远端 sense 的缓冲输出：

高稳定基准节点误差放大

同时又把输出端电压通过 REFERENCE SENSE 反馈回来：

输入修正驱动

Q3 好像是一个射极跟随

Q3 好像是一个射极跟随

首先是REFERENCE POWER 负责供电流，后级 Reference Divider 有开关、滤波、电阻网络，会消耗一定电流；如果直接从 LTZ1000 核心拉电流，会把基准拉坏。

听说有人想偷我的电？

听说有人想偷我的电？

REFERENCE SENSE 负责检测真实电压这相当于 Kelvin sense，运放不只看本地节点，而是尽量让远端接收处的电压准确；另外把负载变化和基准核心隔离，Q2 提供电流，OP07 负责慢速精密调节，LTZ1000 核心只承担“定义电压”的任务。

可以抽象成：

而不是：

这两者的区别在于 sense 位置；如果连接线、串联电阻、接插件有微小压降，sense 会把误差拉回去。

高端的仪器就使用最朴素的设计方案

高端的仪器就使用最朴素的设计方案

REFERENCE POWER 和 REFERENCE SENSE 的区别

这两个端子非常值得注意：

：低阻供电路径，给后级提供电流

这和四线电阻测量的思想类似：

因此线阻导致的压降主要出现在 power 线，不应该进入 sense 误差。

如果只有二线输出，后级电流 经过连接电阻 ，会产生：

但使用 sense 后，运放可以补偿这个压降，使远端电压更接近设定值。

这对 ppm 级基准非常重要，举例：

如果后级电流只有 1 mA，走线/接插件电阻 20 mΩ 就会产生：

这已经接近 1 ppm； 所以 Datron 用 REFERENCE POWER + REFERENCE SENSE 是非常合理的。

为什么用了 OP07？

OP07 是低失调、低漂移精密运放，这里不需要高速，反而需要：

小

假设 OP07 输入失调为 ，在 unity-sense 缓冲结构下，直接造成近似输出误差：

如果 ，对于 20.6 V：

所以这个位置必须用精密运放，而不是普通高速放大器。

这里有两个 LTZ1000 这个地方应该是设计的原因

这里有两个 LTZ1000 这个地方应该是设计的原因

前面是说供电，恒温这些，后面单独的把这个 1000 封装做电压输出，而且图里 LTZ1000 周围有大量虚线框，这通常表示：热隔离区域；guarding/shielding；高阻节点屏蔽；关键器件靠近布置；避免漏电流和温度梯度影响。

对这种基准来说，误差不只是电路公式问题，还包括：

热电势漏电表面污染空气流机械应力接插件温差

例如两个不同金属连接点如果有温差，会产生热电势：

如果 ，温差只有 ，就有：

对 20.6 V 来说已经是：

所以 Datron 这种等级的仪器，不只是用好芯片，而是整个热结构、guard、低热电势连接都要一起设计。

后级 Reference Divider 如何利用这个 20.6 V

Handbook 说 Reference Divider 的 set/reset 脉冲控制 JFET 开关，对 Master Reference chopping，然后滤波形成两路与 duty cycle 成比例的电压，可以把它看成一种极高分辨率的 PWM / time-ratio DAC：

但是它不是普通 MCU PWM，而是：晶振控制时间基准；25-bit 等效比较/计数；JFET 精密开关；主基准幅度决定绝对准确度；多级低通滤波去除 chopping ripple；软件校正常数修正比例误差。（为我的鲁莽喝上一杯，前几天还评论 PP 哥这里的原理）

另外Handbook 中提到，period division comparator 等效 25 bit，counter 由晶振驱动，匹配后产生 reset，溢出后产生 set，因此 mark-period timing 很准确。

所以后级不是“电阻 DAC”，更像：

时间比例超稳定电压

这是高端校准器很喜欢的结构，因为时间比例可以做得非常线性、非常稳定。

AC 输出为什么也依赖这个 DC 基准？

4808 的 AC 输出不是简单用振荡器直接开环输出，而是用 DC reference 生成 quasi-sinewave 作为 RMS 比较参考；Handbook 说 quasi-sinewave 的 crest factor 是 1.397，接近正弦波的 ，并且 sine/quasi-sine 的 RMS 比例会在校准中存储，正常使用时作为修正。

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所以 AC 幅度准确度的链路是：

这就是为什么一个 DC buried-zener reference 也会影响 ACV 准确度。

学习一下

LTZ1000 只做“最干净的根基准”，不让它直接带复杂负载，而是经过缓冲和 sense 输出；温度控制放在芯片级，它不是加热整个仪器，而是让 LTZ1000 die 工作在稳定温度点；用 20.6 V 主基准给 20 V 工作范围留余量，这让后级有校准 overlap，不会满量程顶死。

用时间比例 Reference Divider 代替普通电阻 DAC

其中 由晶振/计数器/比较器定义，线性和分辨率非常高。

Power/Sense 分离，其中REFERENCE POWER 负责电流，REFERENCE SENSE 负责准确度，这是 ppm 级系统必须做的；后级 DC/AC 共用一个主基准体系。

DC 直接比较；AC 通过 quasi-sinewave RMS 比较，因此一块 Master Reference 统一决定整机幅度基准。

后记

我现在已经对仪器祛魅了，原理其实都是简单的，都是这些东西，关键是看控制什么变量，想让什么不变；我们老是说的老美制造业日薄西山，实际上只是不赚钱的低端产品在外面，这些高级货，这些在暗地里卡脖子的产品还是在卡着，国产任重而道远，而这些基础的科学仪器又是最急不得的产品，慢工出细活，不是慢，是掌握核心设计原理后的气定神闲。