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數(shù)字萬用表原理以及數(shù)字萬用表結(jié)構(gòu)和對串模噪聲的抑制
數(shù)字萬用表的工作原理是什么?老電工會用但不一定知道!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)。
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(shí)候,我們希望是只有最后一位有跳動(dòng)。如果在倒數(shù)第二位,甚至倒數(shù)第三位跳動(dòng),也就是6位數(shù)字顯示中只有3位或4位穩(wěn)定的,這時(shí)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(gè)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(gè)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(shí)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(shí)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(shí),用內(nèi)部計(jì)數(shù)器記錄放電時(shí)間。Vi 就可以利用放電時(shí)間和斜率算得了。在這個(gè)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(shí)間在20ms (一個(gè)工頻周期,即1PLC)或其整倍數(shù)的時(shí)候,就可以抑制公頻噪聲。因此,對高精度測量來說,20ms的時(shí)間是必須的。當(dāng)然,如果測量時(shí)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(dòng)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間,并選擇合適的數(shù)字萬用表。
以上就是100唯爾(100vr.com)小編為您介紹的關(guān)于數(shù)字萬用表的知識技巧了,學(xué)習(xí)以上的數(shù)字萬用表原理以及數(shù)字萬用表結(jié)構(gòu)和對串模噪聲的抑制知識,對于數(shù)字萬用表的幫助都是非常大的,這也是新手學(xué)習(xí)電子專業(yè)所需要注意的地方。如果使用100唯爾還有什么問題可以點(diǎn)擊右側(cè)人工服務(wù),我們會有專業(yè)的人士來為您解答。
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