作为工程师,大家都追求高级的仪器(可以更准,更快,更多),那每一个工程师又绕不开万用表;除了我们日常使用的手持表,还有一类就是高级的台表,这里以五位半,六位半,七位半这些为例。

五位半还行,其实六位半的世界,玩家就不多了。今天来说一个超级重重量级的大哥:

吉时利 2000

这表已经生产超过 25 年了,我以为不生产就是生命的终结,没想到细看下来保有量还挺大。

这是之前共模的一个测量台
放大看就会发现一个 2000
嘎嘎板正

吉时利2000的历史

吉时利 (Keithley) 2000 数字万用表于 1994 年首次推出,是 Keithley 仪器系列中一款具有里程碑意义的产品,至今仍然是许多实验室和工业环境的标准设备。

发展历程

推出背景 (1990年代初): 在 Keithley 2000 推出之前,Keithley 已经是一家在精密电学测量领域享有盛誉的公司。创始人 Joseph F. Keithley 早在 1946 年就发明了第一台 “Phantom Repeater”,随后是静电计等核心产品。Keithley 2000 的设计借鉴了其更高端型号 Model 2001 和 Model 2002 的高速、低噪声 A/D 转换器技术。

应该是这个

实际上,2001 和 2002 就是七位半和八位半的表,都是使用了积分 ADC。

之前仇老板逆向的也是 K2000,因为用了超级经典的积分 ADC

发布与市场定位 (1994年): Model 2000 的目标是提供一种经济实惠但具有高性能(6.5 位分辨率)的解决方案,填补了高端万用表和普通台式万用表之间的空白。它在上市后迅速成为行业标准,以其速度、准确性和稳定性而闻名。当时,许多传统的数字万用表需要频繁进行自动归零以减少偏移漂移,这会降低读数速度。Keithley 2000 采用专有的伺服前端放大器,具有极低的偏移漂移,减少了对自动归零的需求,提高了高精度测量时的吞吐量。

品牌变迁 (2010年至今): 2010 年 9 月,Keithley Instruments 被 Danaher Corporation 收购,并并入 Tektronix(泰克)旗下。如今,Keithley 作为 Tektronix 的一个品牌继续存在,专注于高级电学测试仪器。(就是被 TeK 买了)

好看

尽管该型号已有数十年历史,但因其可靠性和性能,Keithley 2000 仍在市场上有售或被广泛使用。近年来,Tektronix 推出了 DMM6500 等新型号作为现代化的替代品,但许多工程师仍然信赖经典的 2000 系列。 (因为这东西二手就 1 千多块,香😭了,当然得校准以及可以适应它的老派显示器)

大概就是这样的
里面是灯管

关于性能

大厂就是好,官网有着完善的技术文档:

我们参数就先看看这个,后面我要是买一台就再写详细的

K2000的定位与核心能力

Model 2000 是 6½ 位高性能台式万用表,卖点是精度 + 速度 + 可编程/缓存:

90 天基本精度:DCV 0.002%,电阻 0.008%。

读数速度:6½ 位下,经 IEEE-488(GPIB)可做到 50 次触发读数/秒;4½ 位下可把 最高 2000 读数/秒灌进内部 buffer。

好看!

量程覆盖很宽(典型仪表/精密测量链很常用):

DCV:0.1 µV ~ 1000 V

ACV(真有效值):0.1 µV ~ 750 V RMS,1000 V peak

DCI:10 nA ~ 3 A;ACI:1 µA ~ 3 A RMS

高能量电路的典型风险

手册专门警告:在高能量配电场景,如果表误置于电流/低阻等低阻抗档位,相当于把被测电路“几乎短路”,可能产生危险电弧。并给了“先断电接线→再上电测→再断电拆线”的安全步骤。

共模电压上限

INPUT LO 与机壳地之间的最大共模电压:500 V peak,超过可能造成绝缘击穿触电风险。

AC 输入的 “V·Hz” 限制

电压输入不仅看“峰值电压”,还受 8×10⁷ V·Hz 约束(典型用于限制高频高压组合导致的内部应力/发热/击穿风险)。手册在电压/频率测量章节都反复提醒这个限制。

电压测量:从“接上就读”到“微伏级靠谱”的差距在哪里

基本连接流程(默认条件)

4 线是凯尔文测量电阻的

电压测量步骤非常标准:HI/LO 接入→选 DCV/ACV→AUTO/手动量程→观察是否 OVERFLOW。

输入阻抗

ACV:约 1 MΩ // 100 pF

DCV:1000V/100V 档 10 MΩ;10V/1V/100mV 档 >10 GΩ

工程意义:测高阻源、分压链、基准源输出时,DCV 的 >10GΩ 档位会明显更“温柔”;ACV 那个 100pF 会在高源阻/高频时引入额外误差(相当于给信号并了电容负载)。

这是交流

低电平测量三大外部杀手:拾取、环路面积、热电势

手册把“微伏测量不准”归因到仪表外部:Model 2000 只负责读输入端看到的东西,所以工程师要保证信号被正确送到输入端

1994 年问世的吉时利 2000 叩开精密信号链的大门

(1) 屏蔽/接地方式当外界 AC 干扰远大于你的 DC 微小信号时,会造成错误读数。建议把屏蔽层接到 INPUT LO,否则可能出现:意外偏移、量程间读数不一致、读数突然跳变。

(2) 环路面积(磁场感应)感应电压与输入引线形成的环路面积成正比;要减小环路面积,并且“每个信号只在一个点连接”。

(3) 热电势(Thermal EMFs)不同金属接点 + 温差会产生热电势,幅度可能“比你要测的信号还大”。其症状包括:零点漂移超预期、对温度变化非常敏感。 减轻方法:

用铜导线;手册甚至提到 香蕉插头就能产生几个 µV#10 铜排线很理想。;控温、减少气流;用屏蔽盒也有帮助。 REL 可以抵消“恒定”的偏置。

测量的两个典型坑:波形峰值因子与“不要乱 REL”

Crest Factor(峰值因子)限制

AC 精度受 crest factor = Vpk/Vrms 影响;手册给了“需要纳入 crest factor 影响”的频率门限表:

CF=2:50 kHz

CF=3:3 kHz

CF=4~5:1 kHz

其实就是波形越“尖”(脉冲/削顶/整流后波形),TRMS 转换器越难保证同样精度,且高频更吃亏。

AC 电压“短路也有读数”的 offset ——而且不该用 REL 清零

手册明确说:在 5½ 位分辨率下,ACV 输入短路时通常会显示约 100 counts offset,来自 TRMS 转换器偏置;它不影响准确度,不要用 REL 去把它归零,否则反而会把 offset 当成“应减去的信号”,造成显示误差。

读数速度/噪声的核心旋钮:DIGITS 与 RATE(积分时间)

DIGITS 只影响显示位数,不直接决定速度/精度

手册强调:显示位数(3½~6½)不影响准确度或速度;真正决定速度/噪声的是 RATE。

RATE 本质是 ADC 积分时间(aperture)

RATE 设定 A/D 积分时间,会影响:可用位数、读数噪声、最终读数速率。

这句话的“工程翻译”就是:想压低噪声、提高稳定性,就得拉长积分时间;想快,就要接受更高的读数散布。(以前就写过了)

REL、滤波、Buffer:把“读数”变成“可用数据”

REL(相对值/零点修正/基线扣除)

REL 会用当前读数作为参考值,之后显示 实际输入 − 参考值。 并且:每个功能可有自己的 REL;同一功能下 REL 值对所有量程相同(比如 DCV 的某个 REL 值会跨量程复用)。

滤波响应时间的取舍

手册提醒滤波参数会影响显示/输出的响应时间(速度 vs 准确度的权衡)。

内部 Buffer(2~1024 点)+ 统计量

Model 2000 的 buffer 可存 2~1024 条读数与单位,还能包含通道号、溢出信息,并可回读最小/最大/平均/标准差等统计。 数据是易失的,不会跨电源周期保存。

上位机控制(GPIB/RS-232/SCPI)

读数查询::DATA?

:DATA? 用来读“最新一条读数”,返回可能是 raw 或 REL 之后的值(raw − REL),并用科学计数法返回。;手册也提醒:返回值里不包含测量功能,所以可能要另外 query 一次功能状态。

*WAI 与 overlapped commands(避免“平时以为测完了其实还在测”)

手册指出 :INITiate:INITiate:CONT ON*TRG 是 overlapped commands;*WAI 可以让后续命令等待这些动作完成,并给了一个带 :init; *wai 的程序片段示例。

上电/预热/默认设置:高位表使用时必须遵守的“仪器状态管理”

仪器通过自检后会显示固件版本(例如 REV: A01 A02),然后进入正常显示。

自检完成后即可用;但要达到额定精度,需要预热 1 小时,经历极端温度还要更久让内部温度稳定。

后记

我只能说,精密信号链的大门不是 ADC 也不是基准源打开的,可能只是一台六位半的台表。马上就 26 年了,说一台快 30 年的老伙计可能不太合适了,但是它的设计真的是历久弥新。(欢迎送测让我摸摸)