高精度数字表揭秘系列

《高精度数字表揭秘系列》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、高精度数字表揭秘系列（一）：数字万用表的工作原理发布时间：2011-09-2315:00:12从事HP和安捷伦基础测量仪器的市场推广工作十多年来，我遇到了众多的工程师，也无数次共同探讨测试相关的技术问题。但有意思的是，工程师们最关心最多的实际上就是一些基础的问题，毕竟绝他们的主业不是测试测量技术。因此，我最近陆续写了几篇关于时间和频率测量的文章，大家反应还不错。这也给了我写更多高质量文章的动力。工程师们最常问的问题是关于精确的直流和交流测量的。他们经常会经历一些困惑，如测量的误差到底是多少、数字表测量

2、显示为什么不稳定、不同的数字表测量结果为什么差别很大、交流有效值测量结果不可信等等。就此我会写一系列的文章，和大家一起讨论这些问题。在文章中，我会以安捷伦的34401A和34410A这两款高性能数字万用表为例。34401A是HP公司在1993年的产品，至今仍然是全球销售量最大的6位半数字表，中国有近10万台的拥有量。34410A是第一款LXI标准的数字万用表。首先介绍高精度数字万用表的工作原理。6位半的数字表有着非常高的精度和分辨率。例如，如果测量5VDC，其分辨率可以达到1uV。在读数的时候，我们希

3、望是只有最后一位有跳动。如果在倒数第二位，甚至倒数第三位跳动，也就是6位数字显示中只有3位或4位稳定的，这时候的6位半表也就变成5位半甚至4位半了。那么是什么原因造成了测量结果不稳定呢？如果输入的5VDC偏置是稳定的，造成很大测量不确定度的原因首先是噪声。通常情况下，噪声有两种，即串模噪声和共模噪声。串模噪声是存在于被测件回路中的噪声，如下图所示：串模噪声的来源是多方面的，例如电源、被测件本身、空间中电磁电磁噪声、还有50Hz的供电线路公频噪声。对于5VDC的信号，通常会有从几毫伏到几十毫伏峰峰值的纹

4、波加噪声。信号看上去就像下图。在50Hz的公频噪声上夹杂着其他的高频噪声。因此，为了得到精确的测量结果，首先要考虑到对串模噪声的抑制。以下是数字万用表的工作原理图。被测信号从前端输入。实际上，对于绝大多数仪器来说，前端是最值钱的部分，也是衡量不同厂家仪器水平的最重要的标志。信号通过前端的调理，转换成适合ADC的信号幅度。图示中的ACRMS是一个专用的电路，它的作用是对输入交流信号进行有效值的运算。在最新的数字表中，如34410A，这个电路已经不存在了。与示波器不一样，高精度数字表中采用的是双积分式AD

5、C。这种ADC的特点是分辨率极高，对噪声的抑制能力超强，适合于高分辨率、高精度的测量，但速度比较低。例如，6位半数字表采用的是22bit的ADC，8位半是28bit的ADC.数字表内部的工作原理如下图所示Vi是经过前端调理后的被测电压，Vref是内部参考电源。首先是开关（红色表示）切合到Vi端，Vi对积分器中的电容进行充电。充电的时间是公频周期的整倍数，即20ms和其整倍数，目的是抑制公频噪声（如下图）。充电结束后，电容上的电压即等于Vi的平均值。这时将开关切合到Vref上，在Vref的控制下，电容进

6、行固定斜率的放电。同时，用内部计数器记录放电时间。Vi就可以利用放电时间和斜率算得了。在这个过程中，电容的充电再放电的过程，就可以消除高频噪声。而对50Hz公频噪声的抑制方式如下图所示：如果充电的时间在20ms（一个公频周期，即1PLC）或其整倍数的时候，就可以抑制公频噪声。因此，对高精度测量来说，20ms的时间是必须的。当然，如果测量时间越长，例如10PLC，当然会获得更高的噪声抑制比。但这样会影响到测量的速度，特别是在高精度数据采集或自动化测试系统中。所以，测试速度和精度实际上是一对矛盾。在实际使

7、用过程中，要折中考虑。不同的数字万用表在同样的测量时间内，对公频噪声的抑制比有区别的。例如传统的34401A，如果选择200ms的测量时间，对公频抑制比是60dB.而对于34410A新款的产品，在40ms的测量时间，公频抑制比就可以达到120dB。有些工程师如果从二手市场上买的一些从美国舶来的旧货，就可能有问题，因为美国是60Hz公频周期。如果供电公频周期出现不稳定，也会降低公频噪声抑制比。如下图是34410A的公频噪声抑制比和电网频率的关系。从图中可以看出，如果公频周期偏差了1Hz，公频噪声抑制比就

8、会下降60dB以上重点讨论的是数字万用表结构和对串模噪声的抑制。可以看出，为了确保读数的稳定性和可重复性，我们要考虑到降低并抑制输入的噪声，根据测量速度和精度的要求合理设置测量时间，并选择合适的数字万用表。关于共模噪声对测量的影响和抑制方法，我将在下一篇文章中讨论高精度数字万用表揭秘系列（二）：接地回路对测量精度的影响发布时间：2011-10-0321:53:27有不少工程师和我谈起过弱信号电压测量的问题，例如传感器的信号。他们在测量过程中经常遇到难以忍