高精度数字表揭秘系列

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：2011-09-23 15:00:12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：2011-10-03 21:53:27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受的巨大误差和测量不确定度，特别是现场和产线上，有时甚至影响大批产品的质量。

如果出现这种情况，你务必关注一下测试设备、被测件和测量夹具的接地状况。

根据以往的经验，出现这些测量问题最多的原因，就是接地出问题了。

我们来看下面这张图。

在图中，虚线框中的部分就是我们的数字万用表测量电路。

Vtest是被测电压，RL 是测量线上的电阻。

通常这个电阻很小。

Ri是万用表的对地阻抗，这个阻抗可以大于10G欧姆. Ci是万用表与地之间的隔离电容。

Vground是万用表的接地点与被测件接地点之间的地噪声电压。

理想状态下，如果Vground仅是直流电压，由于万用表Ri的阻值非常高，Vground造成的电流（有时我们称之为共模电流）很小，Vtest产生的误差可以忽略不计。

安捷伦的34401A 和34410A，在相对湿度小于80% 的时候，都能确保该隔离电阻的阻值不小于10G欧姆。

在通常的实验室环境中，该电阻还远大于10G欧姆。

因此，要降低这种DC地环干扰，尽量缩短被测件和万用表之间的地线长度，是非常好的办法，特别是将其短路。

我们称之为“共地”。

但在实际测量过程中，更多地环路的噪声源和测量误差是来自交流。

由于数字表内部电容型器件的存在，即Ci的存在，与Ri是并联的，导致数字表对地的交流阻抗要低得多。

Ci是由数字表内部变压器的线圈造成的。

Ci的典型值是250pF. 因此，如果工作在50Hz公频的供电电源状态下，阻抗大约为10M欧姆，要远小于10G欧姆的直流阻抗。

为了抑制这个噪声，我们通常要把数字电压表的积分时间设置在公频的整倍数。

但如果在供电电源中有其他更高频的噪声，例如马达或其它大功率继电器造成的地线上的噪声，数字万用表就很难对此进行有效的抑制。

这就需要对测试系统的接地进行认真的考虑。

也就是说，不要将一些大型设备的地，如空气压缩机，贴片机，波峰焊等大型设备的地和测试系统共地。

如果周围又这些设备，就需要单独为测试系统拉一条干净的地线来。

总之，对于一些小信号电压的测量，例如利用热电偶测量温度，其电压基本是在微伏级。

温度变化1度时，电压也就变化50微伏左右。

如果我们在测量过程中，如果不考虑地回路的干扰，将有可能带来很大的误差。

所以，良好的接地是确保高精度测量的前提。

建立良好接地的最基本原则是：要尽量减少被测件和测试设备之间的地线长度，最好是单点接地地线上的噪声必须尽量小，也就是我们常说的要“尽量干净”浮地可以减少地环路的影响，但易产生静电积累而导致静电放电，可能造成静电击穿或强烈的干扰对高精度测量来说，不仅是数字万用表，其它的测试系统同样需要良好的接地。

关于接地的问题，我会在将来的文章中专门介绍…高精度数字表揭秘系列（三）：正确的接地方法和注意事项发布时间：2011-10-03 22:29:30上篇文章中谈到了良好接地的重要性。

实际上，良好的接地不仅是高精度测量的前提，更重要的是它可以避免仪器、附件、测试件及测试夹具的损坏。

但良好接地的标准是什么，如何才能保证良好的接地，相信是诸位工程师感兴趣的。

以下的文章中，我引用了安捷伦的维修服务部的一部名为“安捷伦电子测量仪器使用及维护建议”小册子的部分内容，即“电子测量仪器的接地”维修中经常发现由于仪表没有保护接地而烧坏仪表。

使用仪表时务必要保证要有良好的接地。

为了电磁兼容的需要，绝大部分电子测试仪表都安装了电源滤波器。

电源滤波器的工作原理如下图由图可见，电源波器的共模抑制CY1 和CY2 (CY1 = CY2) 连接到了仪表的外壳和电源的保护地上。

如果没有接上电源保护地，则由于CY1 和CY2 的分压作用，仪表的外壳将会带上市电电压(L, N 线之间) 220 V 的一半电压，即110 V 电压。

这将会对仪表操作者人身安全造成威胁; 同时会损坏仪表的信号输入输出端口内部电路，如信号衰减器、信号放大器等; 也会损坏仪表通讯接口，如GPIB 接口、RS232 接口、USB 接口等。

需要注意的一点是如果使用的是欧标的电源插头( 如图) 插到国标的插座上，电源接地线就没有接上，此时上面描述的情况就会发生。

电源接地系统要求1. 接地线必须同任何导线完全隔离及绝缘，且仅能在建筑物的真正接地线处和电源中性线( 零线) 相接。

2. 接地线线径至少为3.5 mm。

3. 接地线不是电源中性线( 零线)，且必须与中性线分开( 概念上)。

4. 接地阻抗在电源插座中性线与接地线之间测量时不得大于2 欧姆( 适用于TN 系统，值仅供参考)。

5. 在电源输出插座所测得的零线与地线间的电压不得大于1.0 V，同时无论设备是否开启，电压的变化量不得超过1.0 V。

6. 不能用铁管代替接地线。

7. 在接地线的接地端测得的接地电阻不大于1 欧姆。

以上这些相关的电压和电阻值，我们可以用一个手持数字万用表测得。

更为简单的方法是使用一个电源插座检测器，如下图。

这种通用产品在市场上很容易买到。

高精度数字表揭秘系列（四）：分辨率和DC测量误差分析发布时间：2011-10-10 22:28:31您是否遇到过这样的情况：用数字表测量得到数据之后，不知道可能的测量误差是多少；本来是一个很好的数字万用表，有6位以上的显示数字，但测量过程中，看到后几位数字剧烈跳动，非常不稳定，于是不知该如何读数，进而怀疑自己的产品是否出问题了，或是仪表出故障了、自己测试方法不对等等。

我将在这篇文章中谈一下这个问题，即DC测量的分辨率和误差分析。

这个问题看似简单，但根据我与众多工程师交往的经历来看，这恰是长时间以来困扰他们的一个重要的问题。

首先我们从最基本的概念开始，即什么是分辨率，什么是误差分辨率指的是仪器可以分辨出的最小物理量的大小，如多少微伏、多少纳安等等。

分辨率与仪器的AD转换器的位（bit）数及设置的量程相关，例如：对于8bit 的AD，这是主流示波器的AD有效位数如果输入信号是1V，分辨率是= 1/(28) = 3.91 mV如果输入信号10V，分辨率是= 10/(28) = 39.1 mV对于21bit 的AD，这是典型的6 1/2 万用表的有效位数。