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Keithley 与 Keysight 七位半万用表指标和性能评测

分类名:测评日期:2016-01-15作者:eenuts 阅读原文

上次说的是外观颜值对比,不知道大家更喜欢哪款,审美这东西没有统一标准,对工程师来讲,主要还是看性价比。
我们先来看一下两款数字万用表的价格。这次看起来Keysight更加老谋深算,官网的丐版报价是2890刀。在增加了50KHz高速ADC采样和2M采样存储选件后,价格达到3540美元。



而Keithley的DMM7510,不出所料,价格远远高于34470A,起价高达3990美元。看到这里我们几乎认定7510的悲惨命运。其实两者在配置相同时的实际价格相差只有400美元,但由于Keysight将GPIB,高速采样和大存储这几种不常用的功能改为选件,删减之后的裸奔价比DMM7510一下低了1100美元,这是非常厉害的定价策略。Keithley在这里感觉吃了个哑巴亏。



另外值得一提的是,除了这款使用触摸屏的7510万用表以外,Keithley还意外的推出了另一款没有前面板的型号,DMM7510-NFP,其中NFP应该是无前面板(None-front panel)的缩写。这应该是推广给自动测试系统或者产线用户使用的版本。这些客户通常使用电脑软件控制仪表,不需要进行前面板操作。不过这样的设计真的好么?效果看起来非常别扭,去除前面板和所有按键接口后,销售价格仅仅下降140美元。对于价格异常敏感的生产线用户,这样微小的价格变化有个毛用。



还有一个更加显著的问题是,真的有使用者能接受完全没有前面板的仪表么?大概在五六年前,安捷伦就基于自己的34411A六位半数字万用表,推出了无前面板版本的L4411A(下图),希望与当时正在兴起的PXI模块化万用表竞争。外形虽然是简化版,但售价却高于34411A,市场接受程度非常一般。这次Keithley似乎要犯同样的错误,甚至更进一步将屏幕显示完全去掉。从个人角度上说,我很难接受没有屏幕的仪表,以目前的接口通信速度和稳定性,完全指望在电脑上通过虚拟面板操作仪表会大大影响使用效率,我甚至都能想象工程师在使用过程中抓狂的样子。



转回到34470A与DMM7510的价格对比,这样悬殊的价格差距是否仅仅是因为外观用料差别导致的,两者间实际的指标差距能有多大。这里我们再来仔细察看一下两台仪表的数据指标说明书。

首先我们看一下Keysight 六位半万用表3446x系列和34470的比较,可以看到整个系列基础精度逐渐提高。采样速率也相应有所提升。34470A丐版采样速率为5000读数每秒。增加高速采样选件后可以提升到50K读数每秒。这是个中规中矩的指标,早在七八年前34411A系列六位半万用表就已经通过添加一块额外的高速ADC芯片达到了这样的采样速率。这次把高速采样功能做成选件,说明Keysight认为常规用户在使用万用表时并不需要太高的采样速率,况且采样率与分辨率是一对互相矛盾的指标,50K采样率下的分辨率只能达到四位半,这对有高精度需求的用户来说意义不大。另外由于提供了USB接口和网络接口,GPIB接口被改为选件以节省成本。标准存储深度也被限制在50000个读数,这个配置看起来算是实惠够用。


由于看到高端六位半万用表34465A的指标与34470A非常接近,在下面的比对中,我们也加入了34465A的指标用作参考,下图是Keysight新一代万用表平台的四款产品基础指标对比。



7510的标准配置要比34470A好很多,在不加任何选件的前提下,可以保存高达11M的存储点,以及最高支持1M读数每秒的采样率(使用18比特ADC采样)。在采样速度和存储深度上远远超过34470A,但这样的配置似乎在继续走一条已经被Keysight证明不通的道路。

在基础测量能力方面,直流电压测量两者都提供了5个量程,从100mV到1000V,我们选择最小的100mV量程作为参考,将两者的精度统一成相同的格式:
34465A (DCV 100mV量程,90天精度):40ppm × 读数 + 35ppm × 量程
34470A (DCV 100mV量程,90天精度):40ppm × 读数 + 35ppm × 量程
DMM7510 (DCV 100mV量程,90天精度):12ppm × 读数 + 9ppm × 量程
可以看到34470A完败,差距非常显著。另外很奇怪的是,作为七位半万用表的34470A与六位半的34465A精度指标居然完全相同,这究竟说明34465A超值,还是34470A不合格呢?

如果再看直流电阻的测量精度,7510提供了10档电阻量程,从1Ω到1GΩ,Keysight 34470A只提供8档,100Ω到1GΩ。我们选择共同提供的100Ω量程作为参考:

34465A (RES 100Ω量程,90天精度):50ppm × 读数 + 40ppm × 量程
34470A (RES 100Ω量程,90天精度):50ppm × 读数 + 40ppm × 量程
DMM7510 (RES 100Ω量程,90天精度):27ppm × 读数 + 4ppm × 量程

这里7510与34470A甚至出现了数量级差别,同时34465A与34470A指标再次保持一致。最后我们再来看一下电流测量能力的比较,7510提供了10uA到10A共8个量程,34470A提供9个量程,从1uA到10A,多出一个小电流量程。我们仍然选择共有的最小量程10uA作为比较标准:

34465A (DCI 10uA量程,90天精度,typical):300ppm × 读数 + 20ppm × 量程
34470A (DCI 10uA量程,90天精度,typical):300ppm × 读数 + 20ppm × 量程
DMM7510 (DCI 10uA量程,90天精度):100ppm × 读数 + 30ppm × 量程
差距似乎接近了一些,但是需要注意的是,Keysight在这里耍了一个小花招,它提供的电流测量精度指标,在最小的三个量程内是以典型值(Typical)的方式标注的。文档里所谓典型值的描述是:只有80%的产品可以达到这一指标,但不作为保证指标。

换言之,如果你只用到这几种测量方式,放弃34470A改买34465A吧,只要1395美元,毕竟只要一半的价格,却提供相同的精度指标。让人有一种34470A的出现仅仅是为了衬托34465A性价比的感觉。

Keysight 34465A与34470A在指标上的微小差别让我们有理由怀疑这两款数字万用表在硬件上完全相同,仅仅是34470A在软件上进行数字处理时,保留了更多的位数显示,也就是所谓的分辨率。

由于精度部分的数据仅仅来自于各家的指标说明手册,我们还需要进一步实测,验证一下是否与真实情况相符。这次测试中,我们仍然使用标准的5号干电池作为电压源,它的好处是输出直流电压非常稳定,几乎不带有任何交流干扰内容。验证方法是,我们分别使用34470A与7510对干电池的输出电压进行测试,在测试过程中的设置和布置包括:

1. 10PLC积分时间,确保达到最高分辨率
2. 10V直流电压量程,这是万用表的最高精度量程
3. 打开自动归零功能(Auto Zero On)
4. 输入端设置为10M高阻输入
5. 热机时间超过30分钟 (这里我们犯懒了,其实说明书中keysight要求1小时热机时间,Keithley要求1.5小时热机时间)
6. 读取100个电压读数,计算标准方差Standard Deviation

在这项测试中,标准方差反应了重复测量结果的一致性。我们虽然不能直接验证两家万用表在电压测量中的精度情况,但可以根据100次读数的标准方差,了解重复测量同一信号时,各个测试结果之间的离散程度。如果测量结果分散较大,则一定说明测试稳定性较差。

34470A的操作界面与我们之前测试过的34461A完全相同。自带的分析功能可以直接进行标准方差计算。在进行100次采样后,我们看到结果如下图所示。



因为采用触摸屏设计,7510的界面设置比较直观,我们很方便的按照同样的配置对它进行设置,触摸屏设计的一大优点是可以简化仪表的学习时间,通过滑动屏幕可以调出设置菜单,点击相应的按钮就有对应的设置菜单弹出,非常直观。



另外完整菜单的设置也全部采用图标的形式,显示效果非常漂亮。



我们并没有在测试中找到直接进行标准方差测量的办法,这也算一个遗憾。只能通过数据记录的方式采集100个读数,上传到电脑端在Excel里进行分析:



最后的计算结果如下:



标准方差的比较中,7510的结果是1.97E-06,而34470A的结果是5.3E-06,7510多次测量值的离散程度远远小于34470A。最大值与最小值的偏差中,7510为8uV,而34470A达到19uv,同样是7510取得巨大的优势。

当然这个简单的测试仅仅说明了测试结果的一致性问题,如果大家还有更好的验证精度的方法,也欢迎继续和我们进行讨论。但到目前为止,我们一致认为如果单纯从性能比较,7510的指标是优于34470A的。

在这次评测中,我们觉得Keithley 7510在新产品设计中体现出了一种更高层次的追求。这表现在对触摸屏操作的勇敢尝试,对高品质工艺和用料的使用,以及对性能指标的严格要求。但是带来的负面效应就是成本和价格的上升。

Keysight凭借强大的品牌号召力,精心设计的定价,合理的平台化设计,以及够用的产品性能,相信可以在七位半万用表市场拿到很好的份额。而Keithley很有可能因为价格问题遇到阻碍。但34470A也有可能遭遇来自同一平台的34465A的挑战,接近一半的价格,却具备同样的配置,以及相同的直流测量精度,34470A仅仅在长期稳定性上具备优势,在性价比上显然34465A胜出。另外完全相同的短期精度指标让人觉得34470A作为七位半万用表有点名不副实。我们在后续的文章中也会进一步通过仪表拆解详细为您解释34465A与34470A在硬件上的差异。

对Keithleyl来说另外一个比较要命的问题是,7510作为新型数字万用表平台,其操作方式和设计风格已经注定它的价格会高居不下,如果在此平台上继续推出六位半甚至五位半台式数字万用表(这可是数字万用表真正的大市场所在),该如何面对Keysight的价格竞争?这样下去Keithley的万用表市场可能会面临很严重的问题。


关键字:七位半万用表'、'七位半'、'万用表
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