工程师博客：高精度数字表揭秘

数字万用表的工作原理

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。

下一页：高精 度数字表中的双积分式ADC

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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。关于共模噪声对测量的影响和抑制方法，将在下一节文章中讨论

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接地回路对测量精度的影响

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工频的整倍数。

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。

下一页：正确的接地方法和注意事项

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正确的接地方法和注意事项

上节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)220V的一半电压，即110V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3.5mm。

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1.0V，同时无论设备是否开启，电压的变化量不得超过1.0V。

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。

作者：电子工程专辑博主赤脚医生

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