工程师博客：高精度数字表揭秘(完结篇)

利用数字表进行峰值检测

如果提到信号的峰值检测，相信工程师们想到的第一个仪器就是示波器。这肯定是没错的。但我们要注意一下，示波器是宽带的仪器，所显示噪声尖峰所包含了从低频到高频的几乎所有信号，其中有我们有用的信号、工频干扰、以及由EMI引起的高频噪声等。如果我们将所以信号都捕获进来，噪声可能会淹没掉我们所感兴趣的信号。例如，一个火灾探测器的输出信号，或是对地雷达的回波信号，这些信号的频率从几赫兹到几百赫兹，信号幅度在毫伏甚至微伏级;在汽车电子中，汽车引擎就会产生很大的电磁干扰。而所需测量的信号，如温度和油量传感器的信号，变化速度不高，而且信号也比较微弱。对于这些信号的测量，利用示波器等宽带仪器就很难测量。有的工程师就采用了滤波器，希望滤除不需要的高频信号。这样做比较麻烦，而且可能造成被测信号的失真

有经验的工程师会用分辨率很高，但采样率不高的数字化仪来替代示波器。例如，一个18bit的数字化仪，采样率可能是在4MSa/s，其数字带宽在1MHz以下，这样就会滤除掉信号中1MHz以上的噪声，而且分辨率比示波器高出了1000倍，有更高的信噪比和更小的量化误差。

更为简单的办法是利用具有数字化仪功能的数字万用表，例如安捷伦的34410A或34411A。一方面，高性能的数字万用表能提供比示波器更好的信号调理，如增益、衰减和低通滤波，测试范围也从微伏级至千伏级，而无须特殊的探头。另一方面，他们能提供1k-50kSa/s，16bit-22bit分辨率的采样，而且提供实时的运算功能，在得到DC电压的同时，还可以看到叠加在DC上纹波信号的最大值、最小值和峰峰值的显示。由于采样率不高，纹波的被限制在8kHz或更低，因此，当您要测量信号的带宽又比较低，您就不必要满世界去找数字化仪和探头，利用数字表的数字化仪的功能就可以完成峰值检测。

利用万用表测量信号的峰值，可以有三种不同的测量和显示方法：

第一种：每次测量都更新读数。如下图所示，在每次DC测量时，都同时读取这次测量的峰值。

第二种：设置一组读数，例如连续测量1000次，在1000次测量结束后，输出一个最大的峰值测量结果。如下图所示。

第三种：改变万用表的测量时隙时间，进行一次长时间的测量，之后读出信号的最高峰值。

总之，如果您手中有类似Agilent 34410或34411A这样的数字万用表，您可以利用其数字化仪的功能，测量信号的峰值，或者将采集到的数据输入电脑，在电脑中显示出信号的波形。在测量低频信号的应用中，其测量精度、分辨率和噪声特性，要远高于普通示波器。

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消除内部偏置和引线造成的误差

相比于我们最常看到的手持式数字表，高精度数字表的精度和分辨率要高出10-100倍。因此，即使是很细微的地方，都可能引起测量的不稳定，带来测量误差。在这篇文章中，我将和诸位分享一下这方面的经验，即如何减少和消除仪器内部连接误差和测量引线带来的误差。

1.仪器的内偏置产生的误差和消除方法

不知您是否有这样的经验：将数字万用表的电压输入端口短路，启动万用表DC测量功能，发现其读数可能不是0。根据我们的常识，既然已经短路了，这时两端的电压应该是0V，这是什么原因呢？

当不同金属连接时，就会构成一个热偶结。热偶结产生随温度变化的电压。这一电压虽然很低，可能在微伏级，但数字表也能显示出来。但如果您正在测量小电压，这是可能会带来足够大的误差。事实上，数字万用表内部就有诸多的热偶结，如下图所示。这些热偶结造成了即使电压测量回路短路，电压显示可能不是0的情况。

可以用仪器自动归零的功能消除该误差源。在自动归零被启用时，数字万用表在每次测量前，从内部断开输入信号，得到一个零读数，在之后的测量中减去该零读数，从而消除偏置电压对测量精度的影响。这种方法的缺点就是会降低测试速度。例如，在自动化测试系统中，每测量一个数据都要进行两次测量，从而使测试速度降低50%。一个有效的办法就是在开始一组测量之前，程序控制仪表做一次自动归零，之后关闭这个功能，直到下一组测量的开始。这样既保证了精度，又不影响测试速度。

2.外部引线造成的测量误差

外部引线可能带来两方面的误差，一是接线的热偶结，二是引线电阻。前者会对DC和电阻测量带来影响，后者会影响电阻的测量。

克服接线热偶结误差的方法之一是采用相同材质接线，可以最大程度降低热偶结带来的偏置误差；另外一个办法就是调零测量。对于直流电压或电阻测量，要选择适合的测量量程，然后把探头短路并等待一个测量，读数稳定后按调零(null)按钮。之后测量的读数将扣除调零测量的结果。调零测量非常适合直流和电阻测量功能。

电阻测量过程中通常会用到2线和4线连接方法，这在中学的物理课上就学过。2线测量用于较大电阻测量，这也是最简单的电阻测量方法。这种测量中，引线的电阻会被引入到测量结果中:

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如果被测电阻远远大于引线电阻，引线电阻带来的误差可以忽略不计。但是如果被测电阻只有几欧姆，甚至更小，引线误差必须要考虑了。最简单的方法就是前面讲过的调零测量。但要获得更为稳定的读数，特别是在自动测试系统中，4线电阻测量法是必须的。

在4线测量中，电压测量和电流测量分别由两个独立的测量单元测量完成。电压测量端接在电阻端，而且又是高阻输入，通过的电流微乎其微。因此可以消除引线电阻。

在进行电阻测量时，有时电阻两端可能有偏置电压。您可使用偏置补偿测量任何偏置电压，并扣除这项误差。下图示出在偏置补偿测量中进行的两次测量，第一次测量带有电流源，第二次测量没有电流源。把第一个读数减第二个读数，再除以已知的电流源电流值，就得到实际电阻值。由于测量中要取两个读数，因此读数速度会降低，但测量精度将提高。偏置补偿既可用于两线，也可用于四线电阻测量。安捷伦的34410A，34411A和3458A就具备这种功能。

3.探头和接线的带宽，阻抗匹配

有些工程师会用万用表测量信号的有效值。这些信号的带宽可能从几十赫兹到兆赫兹级。例如在几个月之前，有位老师就打电话找我，反映利用安捷伦的3458A 8位半数字表测量8MHz正弦波信号有效值时，出现了巨大的误差。后来经过分析和验证，发现了该误差来自两个方面，即阻抗匹配和探头的带宽。万用表输入是高阻状态，而信号源是50欧姆低阻输出。如果不进行阻抗匹配，就会造成信号在传输线中的反射，因此要采用相关附件进行匹配。当阻抗匹配问题解决后，就要考虑探头带宽了。万用表配备的标准探头只有百KHz级，如果信号带宽超过1MHz，信号幅度就会造成很大衰减。因此要考虑选用高带宽探头，同时要考虑探头的阻抗匹配的问题。

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用可靠的探头最大发挥数字表功能

这是高精度数字表系列揭秘系列的最后一篇文章了。这篇文章也将让我们回到高精度测量的起点，就是探头。高品质的探头和可靠的连接是一切测量工作的起点。在市场上最流行的万用表供应商通常在包装箱中放入一对标准探头。他们也会提供一些价格并不太高的可选探头。在很多测试过程中，这些选件可能是很有用的。下面我给大家推荐几个。

带有弹簧的精细探头

工程师往往要把双手和双眼都用于电路板的检测，有时观看万用表显示都可能造成探头的滑动。Agilent 34133A精密测试线和探头会帮工程师解决这个问题。这种探头的测试线又小又轻，并配有使用冠状弹簧触针的Agilent专利点测头。弹簧压着触针可帮助吸收小的滑动，冠状触针可刺入焊点中有些万用表。该探头的价格大约为人民币270元左右。另外，有些数字万用表，34401A、34410A和34411A提供锁定有效读数的读数保持功能。锁定的读数使工程师集中关注于探测。

用于四线欧姆测量的探头

如果您要作四线欧姆测量，就需要第二套测试线。Agilent 34138A测试线套件是不错的选择。它包括一些很尖的探头和使用于表面贴装器件的精细抓钩。该探头套件的价格大约在RMB260元

高压探头

一般数字万用表允许的输入电压在1000VDC一下，探头安全使用电压也是1000V。但如果需要测试数千伏甚至上万伏的电压，就需要配备数字高压探头，例如Agilent 34136A。它有固定的输入阻抗模式(输入电阻为10MΩ)，提供1000:1的分压比，把电压表的测量能力扩展到40kVDC，从而使您能用万用表安全地测量高压。该产品的价格大约为RMB1500元。

大电流分流器

数字万用表允许的直接输入最大电流通常不超过3A，个别可以达到10A。如果所需测量的电流超过其最大量程，就需要使用大电流分流器了。Agilent 34330A电流分流器测量直流和低频交流电流，如果测量时间不超过15分钟，其允许的最大电流是30A。如果长时间连续测量，可以承受的电流时15A。它是精密的0.001Ω电阻器，装在由环氧树脂密封的塑料盒中。该分流器通过1A电流时的输出为1mV。可通过分流器上的接线柱测量该电流。只需把导线牢固地接到接线柱上。该产品的市场价格大约为RMB750元。另外，市场上也能看到更大的电流探头。

低热偏置接线座

在上一篇文章《内部偏置和测量引线造成的测量误差》中，我们谈到了热偶结电压对小信号测试的影响。如果需要尽量降低这个影响，可以考虑选择Agilent 34171B数字万用表输入端连接器座。这是一套两个连接器，它提供接线到所有5个输入端(2个电压测试端，2格电流测试端和一个接地端)的方便和可靠的方法。端子用低热铜合金制作，可把不同金属连接的感应电压减到最小。为实现最小的热偏置电压，要使用与所有连接器相同尺寸的裸铜线。该产品的市场价大约为RMB1800元。

以上这些探头和附件，均适用于市场上最流行的34401A、34410A和34411A 6位半数字万用表，也可用于一些其他品牌的高性能数字万用表。好了，最后以这篇广告式的文章结束了高性能万用表系列的介绍。技术文章也好，广告也罢，只要对从事测试工作的工程师有用，就算赤脚医生没有白忙活。

作者：电子工程专辑博主赤脚医生

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