【硬见小百科】数字万用表的工作原理

从事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波加噪声。信号看上去就像下图。 在50Hz 的工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AC RMS 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ADC。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, 目的是抑制工频噪声(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工频噪声的抑制方式如下图所示:

如果充电的时间在20ms (一个工频周期,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,对工频抑制比是60dB. 而对于34410A 新款的产品,在40ms的测量时间,工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工频周期。

如果供电工频周期出现不稳定,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,如果工频周期偏差了1Hz, 工频噪声抑制比就会下降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。

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