愛華網(wǎng)從事基礎(chǔ)測量儀器的市場推廣工作十多年來，我遇到了眾多的工程師，也無數(shù)次共同探討測試相關(guān)的技術(shù)問題。但有意思的是，工程師們最關(guān)心最多的實(shí)際上
就是一些基礎(chǔ)的問題，畢竟絕他們的主業(yè)不是測試測量技術(shù)。因此，我最近陸續(xù)寫了幾篇關(guān)于時間和頻率測量的文章，大家反應(yīng)還不錯。這也給了我寫更多高質(zhì)量文
章的動力。
工程師們最常問的問題是關(guān)于精確的直流和交流測量的。他們經(jīng)常會經(jīng)歷一些困惑，如測量的誤差到底是多少、數(shù)字表測量顯示為什么
不穩(wěn)定、不同的數(shù)字表測量結(jié)果為什么差別很大、交流有效值測量結(jié)果不可信等等。就此我會寫一系列的文章，和大家一起討論這些問題。在文章中，我會以安捷倫
的34401A和34410A這兩款高性能數(shù)字萬用表為例。34401A是HP公司在1993年的產(chǎn)品，至今仍然是全球銷售量最大的6位半數(shù)字表，中國有
近10萬臺的擁有量。34410A是第一款LXI標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字萬用表。
首先介紹高精度數(shù)字萬用表的工作原理。6位半的數(shù)字表有著非常高的精
度和分辨率。例如，如果測量5VDC，
其分辨率可以達(dá)到1uV。在讀數(shù)的時候，我們希望是只有最后一位有跳動。如果在倒數(shù)第二位，甚至倒數(shù)第三位跳動，也就是6位數(shù)字顯示中只有3位或4位穩(wěn)定
的，這時候的6位半表也就變成5位半甚至4位半了。那么是什么原因造成了測量結(jié)果不穩(wěn)定呢？
如果輸入的5VDC偏置是穩(wěn)定的，造成很大測量不確定度的原因首先是噪聲。通常情況下，噪聲有兩種，即串模噪聲和共模噪聲。
串模噪聲是存在于被測件回路中的噪聲， 如下圖所示：
串模噪聲的來源是多方面的，例如電源、被測件本身、空間中電磁電磁噪聲、還有50Hz 的供電線路公頻噪聲。對于5VDC的信號，通常會有從幾毫伏到幾十毫伏峰峰值的紋波加噪聲。信號看上去就像下圖。 在50Hz 的工頻噪聲上夾雜著其他的高頻噪聲。
因此，為了得到精確的測量結(jié)果，首先要考慮到對串模噪聲的抑制。以下是數(shù)字萬用表的工作原理圖。
被
測信號從前端輸入。 實(shí)際上，對于絕大多數(shù)儀器來說，前端是最值錢的部分， 也是衡量不同廠家儀器水平的最重要的標(biāo)志。信號通過前端的調(diào)理，
轉(zhuǎn)換成適合ADC的信號幅度。 圖示中的AC RMS
是一個專用的電路，它的作用是對輸入交流信號進(jìn)行有效值的運(yùn)算。在最新的數(shù)字表中，如34410A，這個電路已經(jīng)不存在了。
與示波器不一
樣，高精度數(shù)字表中采用的是雙積分式ADC。這種ADC的特點(diǎn)是分辨率極高，對噪聲的抑制能力超強(qiáng)，適合于高分辨率、高精度的測量，但速度比較低。例
如，6位半數(shù)字表采用的是22bit的ADC，8位半是28bit 的ADC. 數(shù)字表內(nèi)部的工作原理如下圖所示
Vi
是經(jīng)過前端調(diào)理后的被測電壓，Vref 是內(nèi)部參考電源。首先是開關(guān)（紅色表示）切合到Vi端，
Vi對積分器中的電容進(jìn)行充電。充電的時間是公頻周期的整倍數(shù)， 即20ms和其整倍數(shù)，
目的是抑制工頻噪聲（如下圖）。充電結(jié)束后，電容上的電壓即等于Vi的平均值。 這時將開關(guān)切合到Vref 上，在Vref
的控制下，電容進(jìn)行固定斜率的放電。同時，用內(nèi)部計數(shù)器記錄放電時間。Vi
就可以利用放電時間和斜率算得了。在這個過程中，電容的充電再放電的過程，就可以消除高頻噪聲。而對50Hz工頻噪聲的抑制方式如下圖所示：
如
果充電的時間在20ms
（一個工頻周期，即1PLC）或其整倍數(shù)的時候，就可以抑制公頻噪聲。因此，對高精度測量來說，20ms的時間是必須的。當(dāng)然，如果測量時間越長，例如
10PLC，
當(dāng)然會獲得更高的噪聲抑制比。但這樣會影響到測量的速度，特別是在高精度數(shù)據(jù)采集或自動化測試系統(tǒng)中。所以，測試速度和精度實(shí)際上是一對矛盾。在實(shí)際使用
過程中，要折中考慮。
不同的數(shù)字萬用表在同樣的測量時間內(nèi)，對公頻噪聲的抑制比有區(qū)別的。例如傳統(tǒng)的34401A，
如果選擇200ms 的測量時間，對工頻抑制比是60dB. 而對于34410A 新款的產(chǎn)品，在40ms的測量時間，工頻抑制比就可以達(dá)到120dB。
有些工程師如果從二手市場上買的一些從美國舶來的舊貨，就可能有問題，因?yàn)槊绹?0Hz工頻周期。
如果供電工頻周期出現(xiàn)不穩(wěn)定，也會降低公頻噪聲抑制比。如下圖是34410A的公頻噪聲抑制比和電網(wǎng)頻率的關(guān)系。 從圖中可以看出，如果工頻周期偏差了1Hz， 工頻噪聲抑制比就會下降60dB
以上重點(diǎn)討論的是數(shù)字萬用表結(jié)構(gòu)和對串模噪聲的抑制?？梢钥闯?，為了確保讀數(shù)的穩(wěn)定性和可重復(fù)性，我們要考慮到降低并抑制輸入的噪聲，根據(jù)測量速度和精度的要求合理設(shè)置測量時間，并選擇合適的數(shù)字萬用表。
【分享】如果您覺得本文有用，請點(diǎn)擊右上角“…”擴(kuò)散到朋友圈！
關(guān)注電子工程專輯請搜微信號:“eet-china”或點(diǎn)擊本文標(biāo)題下方“電子工程專輯”字樣,進(jìn)入官方微信“關(guān)注”。
