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美国国家仪器 NI - 万用表

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    如何使用数字万用表测量的8项提示

    孙严军 2010-03-26 14:19

     

          

    更好地利用数字万用表测量的8项提示

                     提示1 避免因连接、测试线和数字万用表连线造成的测量误差
                       消除因接线所造成误差的最简单方法是进行调零测量。对于直流电压或电阻测量,要选择适合的测量量程,然后把探头接到一起并等待一个测量
                     — 这是最接近于零输入的情况 —
                     然后按调零(null)按钮。以下得到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。但这项这技术并不适合交流测量。交流转换器在量程的较低部分不能很好工作;Agilent
                     34401A 数字万用表的模拟转换器未规定低于10%满度时的技术指标。Agilent 34410A
                     和34411A数字万用表用数字技术,能一直测量到1%满度,但也不能用于测量短路。

                     连接
                       如果您用不同金属连接,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,但如果您正在测量小电压,或您的系统有许多连接,就需要认真对待这一问题。可认为这一热偶结是在DUT
                     处、继电器(多路转换器)处和您数字万用表处。使用铜 - 铜结可把这一偏置量减到最小。

                       在进行电阻测量时,您可使用偏置补偿测量任何偏置电压,并扣除这项误差。图1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。
                      


                                  图 1
                     使用两次测量的偏置补偿。第一次测量是标准欧姆测量;
                     第二次是测量热电动势产生的偏置量。电压表读数是这两次测量的差除以已知电流源。

                     连线
                       四线欧姆法是测量小电阻的最精确方法。用这种方法能自动扣除测试线电阻和接触电阻。四线电阻测量连接见图2。使用一个已知电流源和测量电阻器产生的电压,就能计算出未知电阻值。一组附加测试线用来承载至未知电阻器的电流,在它上面产生的电压可通过电压感应线测量。没有电流流过电压感应线,因此它也不会产生电压降。
                      


                     没有电流流过电压敏感线。 数字万用表用所测电压值除以已知电流,从而得到未知电阻值。

                     内部数字万用表偏置
                     自动归零用于消除数字万用表内部的误差源。在自动归零被启用时,数字万用表在每次测量后从内部断开输入信号,得到一个零读数。然后在接着的测量中减去该零读数。这样就避免了数字万用表输入电路中所存在偏置电压对测量精度的影响。四线测量中自动归零是始终启用的,但您可为提高测量速度而禁
                     用自动归零功能。当自动归零禁用时,数字万用表取一次零读数,然后把它从随后的所有测量中扣除。在您每次改变功能、量程或积分时间时,都会取一次新的零读数。

                     提示2 测量大电阻
                     稳定时间效应
                     与电阻器并联的电容会在最初连接后和量程改变后产生稳定时间误差。现代数字万用表插入一个触发延迟,它给出用于使测量达到稳定的时间。触发延迟的长度取决于所选的功能和量程。在电缆和装置的组合电容量小于数百pF
                     时,这些延迟对于电阻测量是足够的,但如果电阻器上有并联的电容,或您测
                     量的是高于100 kΩ
                     的电阻,默认的延迟也许是不够的。由于RC时间常数的影响,稳定可能需要相当长的时间。有些精密电阻器和多功能校准器使用并联的电容器(1000
                     pF 至100
                     μF),它和高值电阻器一起滤除由内部电路注入的噪声电流。由于电缆和其它装置中的介电吸收(浸润)效应,有可能会增加RC
                     时间常数,并要求更长的稳定时间。在这种情况下,您可能需要在进行测试前先增加触发延迟。

                     电容存在时的偏置补偿
                     如果电阻器上有并联电容,就可能需要关断偏置补偿。当偏置补偿在没有电流源的情况下取第二个读数时,它将测量任何电压偏置。但如果装置有长的稳定时间,就会造成有误差的偏置测量。数字万用表会把同样的触发延迟用于偏置测量,以试图避免稳定时间问题。增加触发延迟是使装置完全稳定的另一解
                     决方案。

                     高电阻测量中的连接
                     在您测量大电阻时,绝缘电阻和表面污染会造成相当大的误差。需采取各种预防措施保持高阻系统的“清洁”。测试线和夹具对绝缘材料和“肮脏”表面膜层吸湿所造成的泄漏非常敏感。与PTFE
                     Teflon绝缘体(109 Ω)相比,尼龙和PVC是相对差的绝缘体(1013 GΩ)。如果您在潮湿条件下测量1 MΩ
                     电阻,尼龙或PVC 绝缘体泄漏对误差的贡献很容易达到0.1%。

                     提示3 用直流偏置进行交流测量
                     许多信号包含AC和DC两种成份。例如不对称方波就包含这两种成份。许多声频信号中也含有由DC偏置电流产生的DC偏移,该电流用于驱动输出晶体管。有些情况需要测量DC+AC电压,而另一些情况可能只需要AC成份。对于这一声频例子,放大器增益就是把输入AC电压与输出AC
                     电压相比较。
                     大多数现代万用表在AC
                     RMS转换器前面使用一个隔直流电容器。它隔离DC电压,而允许万用表只测量AC值。更重要的是万用表可为实现最好的测量标度AC信号。例如在测量电源的AC纹波时,万用表隔离高电平的DC,而根据按AC成分选择的量程放大AC
                     信号。
                     为进行最精确的AC+DC测量,应独立测量这两种成分。万用表可通过使用适合的量程和抑制AC
                     成分的积分时间,实现所可能的最好DC测量。在进行AC测量时,要按AC成份选择适宜的量程。您可使用如下公式计算AC+DC
                     RMS 值:True RMSAC+DC = √ ( AC2 + DC2 )
                     Agilent 新的34410A 和34411A在进行AC 电压测量时使用隔直流电容器。AC
                     的测量采用数字技术,可得到更快的稳定时间,并能处理更高的峰值因子,这是在测量脉冲串时经常会遇到的情况。在测量脉冲时,要确保脉冲不包含高于万用表带宽的频率。34410A
                     和34411A能测量达300 kHz的AC信号。如果有大量AC成分的频率低于8 kHz,那么34410A 和34411A
                     会有带峰值检测的DC功能精确测量DC和AC成分。对于更高频率的信号,您可单独测量AC成分,再用公式计算AC+DC的测量结果。
                      


                     提示4 用数字万用表测量低频交流信号
                     大多数现代万用表可测量频率低至20 Hz
                     的AC信号。但有些应用要求测量更低频率的信号。为进行这样的测量,您需要选择适合的万用表,并进行适宜的配置。请看下面这些例子:
                     Agilent 34410A 和34411A 万用表使用数字采样技术,可进行低至3 Hz
                     的真有效值测量。它通过数字方法在慢滤波器时把稳定时间提高到2.5 s,为进行最好的测量,您应注意:
                     1. 设置正确的AC 滤波器非常重要。滤波器用于平滑真有效值转换器的输出。在频率低于20
                     Hz时,正确的设置是LOW。在LOW滤波器设置时,通过插入2.5 s延迟保证万用表稳定。用如下命令设置低滤波器。
                     VOLTage:AC:BANDwidth MIN
                     2. 如果您知道被测信号的最大电平,应设置手动量程,以帮助加快测量。每次低频测量的较长稳定时间将会显著减慢自动量程。
                     我们推荐您设置手动量程。
                     3. 34401A 用一个隔直流电容器阻断AC RMS 转换器测量直流信号。从而允许万用表用最好的量程测量AC
                     成份。在测量具有高输出阻抗的源时,为保证隔直流电容器的稳定,需要保证有充裕的时间。稳定时间不受AC 信号频率影响,但会受DC
                     信号中任何变化的影响。

                     The Agilent 3458A 有三种测量AC RMS 电压的方法; 它的同步采样模式能测量低至1 Hz
                     的信号。为把万用表配置为进行低频测量:
                     1. 选择同步采样模式:
                     SETACV: SYNC
                     2. 在您使用同步采样模式时,对于ACV 和ACDCV 功能,输入信号是DC 耦合的。在ACV 功能时,用数学方法把DC
                     成分从读数中扣除。这是重要的考虑,因为组合的AC 和DC 电压电平可能造成过载条件,即使AC电压本身并未超载。
                     3. 选择适宜的量程可加快测量,因为当您测量低频信号时,自动量程特性会造成延迟。
                     4. 为对波形采样,万用表需要确定信号周期。用ACBAND 命令确定暂停值。如果您未使用ACBAND
                     命令,万用表可能会在波形重复前暂停。
                     5.
                     同步采样模式用电平触发同步信号。但输入信号上的噪声有可能造成假的电平触发,而得到不精确的读数。重要的是选择能提供可靠触发源的电平。例如要避免正弦波的峰值,因为信号变化较慢,而噪声却很容易造成假触发。
                     6. 为得到精确的读数,要保证您周围的环境在电气上是“安静”的,并使用屏蔽测试线。启用电平滤波、LFILTER
                     ON,以降低对噪声的灵敏度。

                     配置34401A可采用与34410A和34411A相同的配置方法。34401A
                     用带有隔直流电容器的模拟电路转换有效值电压。它可测量低至3
                     Hz的信号。为达到最好测量结果,要选择低频滤波器、使用手动量程,并验证各种直流偏置是稳定的。当您使用慢滤波器时,即插入了7
                     s的延迟,从而保证了万用表的稳定。

                     提示5 选择用于数字万用表温度测量的传感器
                     有四种常用于数字万用表温度测量的传感器: 电阻温度探测器
                     (RTD)、热敏电阻、IC温度感应器件和热偶。它们各有自己的优点和缺点。
                     用热敏电阻得到更好的灵敏度
                     热敏电阻由半导体材料构成,可提供很高的灵敏度,但它们只有有限的温度范围,通常为-80°C
                     至150°C。热敏电阻的温度和电阻的关系是非线性的,因此变换算法非常复杂。Agilent 万用表用标准Hart-
                     Steinhart近似提供精确的变换,典型分辨率为0.08°C。

                     用RTD 得到更好的精度
                     电阻温度探测器(RTD)提供电阻和温度间非常精确和高度线性的关系,可测温度范围约为-200°C至500°C。如Agilent
                     34410A 这类现代万用表提供IEC 751 标准RTD 的温度测量,其灵敏度为 0.0385 Ω/°C。
                     IC 温度感应器件产生与摄氏度呈线性关系的电压
                     许多厂商提供能产生电压正比与摄氏度和华氏度的探头。这些探头通常使用IC 温度感应器件,例如National
                     Semiconductor
                     LM135系列。这类IC器件可覆盖-50°C至+150°C的温度范围。您能容易地按万用表显示的探头输出计算温度。例如270
                     mV 即相当于27°C。

                     提供极端温度测量的热偶
                     热偶可测量-210°C至1100°C的极宽温度范围,它坚固的结构能适应恶劣环境的要求。与其它类型的温度感应器件不同,热偶进行的是相对温度测量,因此还需要有一个进行绝对温度测量的参考结。但对大多数应用来说,增加一个外部参考结并不现实。我们推荐使用Agilent34970A数据记录仪和带内置参考结的34901A
                     20通道多路开关。34970A上也有内置的、适用于常用热偶的温度变换算法。

                     小结
                     为监视一个温度,热敏电阻和34410A
                     这样的万用表是简单的低价解决方案。要得到精确的温度读数,应使用RTD。在监视多个温度或高温时,专用数据记录仪是最好的选择。
                      

                     提示6 用万用表进行成组的测量
                     万用表一般使用两级触发系统;为得到一个读数,必须满足两套触发条件。图6示出在34401A
                     万用表中使用的两级触发模型。通常把采样数和触发数都设置为1,在接收到一个触发时取一个读数。也可增加采样数,也就是在接收到一个触发时取N
                     个读数。如果采样数保持为1,而把触发数增加到N,那么每次读数都要求触发。在这两种情况下,需要在各读数间插入触发延迟。
                     默认的触发延迟由万用表配置,从而实现测量的稳定,其变化决定于量程和功能。触发延迟可以手动设置。必须注意这一延迟是在软件中实现的,会有描写时间变动量。此外,测量时间也会有变化,因此难以用这种方案采样固定时间间隔的信号。图7展示使用触发延迟进行的一系列测量。
                     图8示出第二种触发模型。这是在34410A、34411A 和3458A
                     中使用的模型。它允许独立设置触发延迟和采样间的时间。此外,用采样环(n个读数)可更快地得到读数和实现最小的时间变动量。大多数采样环在硬件中实现,由最少的固件
                     保证一致性的定时。
                     34410A、34411A和3458A可配置为尽可能快地采样读数,但也可以使用定时器。
                     为配置突发测量,应设置触发延迟,以实现触发后和第一个读数前的稳定。用定时器设置读数间的精确时间间隔。34410A
                     和34411A有前面板数据记录能力,可简化突发测量的配置。
                      

                     提示7 用万用表检测峰值
                       万用表能很好地用直流功能采样低频信号。通常带宽限制为8
                     kHz或更低。传统上是用模拟峰值检测电路捕获和保持峰电压,直到A/D电路能够测量这一电压。这项技术提供高带宽,也可用于捕获持续时间很短的尖峰。在多通道系统中也使用这项技术,此时一个模数转换器与各通道上的峰探测器相连。这种常用技术能非常快地采样信号,保存它的极大值和极小值。
                       在许多应用中,示波器所显示噪声尖峰所包含的能量是较小的。噪声通常由 EMI 引入,并有可能屏蔽掉所感兴趣的信号 —
                     例如汽车引擎就会产生很大的EMI。物理量测量,如温度和油量传感器的测量结果通常改变很慢。这样就会在所使用的滤波器和较慢的A/D
                     中注入高频噪声。因此不需要用高速A/D采样滤波器的输出。
                       对于峰值的确定和测量,万用表是非常合适的工具。万用表提供信号调理(增益、衰减和低通滤波)及适宜的采样率(1
                     kSa/s至50
                     kSa/s)。大多数万用表有内置的运算功能,可用来确定最大值和最小值。为得到最高读数率,您可能要进行后处理,因为运算功能也许会减慢读数率。增读数速度的其它方法包括选择小的时隙,关断自动归零和显示。
                       表征信号和确定峰值是带有峰值检测特性Agilent 新34410A
                     和34411A万用表经常遇到的任务。在您监视一个直流信号时,可以用副显示示出高峰值、低峰值和峰峰值。无论万用表取何时隙设置,峰值检测特性始终以50
                     kSa/s 采样,并且不需要数学运算。图9示出每次读数后的常规峰读数更新。
                      


                     取得一个读数的一种替代方案是设置为一组读数,在一组直流读数中只返回一个峰值测量结果,如图10 所示。
                      


                     第三种方案是改变万用表的测量时隙时间,进行一次长时间的读数。这第三种方法如图11 所示。一次较长的测量返回一个峰值测量结果。
                      


                     34410A和34411A峰检测每20
                     μs采样一次信号。峰值将保持到下一次触发。您可改变测量时隙时间,从而把峰值保持较长时间。每次峰值测量都提供峰峰值、高峰值和低峰值。

                     提示8 用附件让万用表发挥最大的效能
                      


                     更容易地检测
                     您往往要把双电路板的检测: 观看造成探头的滑动。34401A、34410A 和定有效读数的读数的读数使您能集Agilent
                     34133A精密工作更为容易。这轻,并配有使用Agilent 专利点测头可帮助吸收小的滑刺入焊点中。
                      


                     高压和大电流探测
                     高压探头使您能用万用表安全地测量高压。Agilent 34136A高压探头由34401A、34410A 和34411A
                     使用,它有固定的输入阻抗模式(输入电阻为 10 MΩ)。该探头是1000:1的分压器,把电压表的测量能力扩展到40 kV
                     DC。

                     您可用 Agilent 34330A 电流分流器(如上图所示)测量直流和低频交流电流 (30 A,15 A
                     连续),它是精密的0.001 Ω电阻器,装在由环氧树脂密封的塑料盒中。该分流器通过1 A电流时的输出为1
                     mV。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。

                      


                     把探头和手册与仪器放在一起
                     您经常为寻找探头或用户手册而花费时间吗?如果把它们放在仪器的“背包”里,就始终知道它们的位置。Agilent
                     提供可放在我们常用万用表顶部的两种尺寸尼龙包34162A适于较短的仪器,如34410A和34411A 万用表。34161A
                     适合34401A 和34420A 万用表。
                      


                     要进行四线欧姆测量吗?
                     需购买另外的探头。
                     如果您要作四线欧姆测量,就需要第二套测试线。34138A测试线适用于34410A
                     和34411A。它包括一些很尖的探头和小的抓钩。Agilent34132A 豪华型测试线套件包括2
                     条测试线,可插拔的弹簧压着探钩线,鳄鱼夹,触针及尼龙袋。
                      


                     建立整洁的接线座,把偏置误差减到最小
                     Agilent 34171A 数字万用表输入端连接器座是一套两个连接器,它提供接线到所有5
                     个输入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。它适用于34401A、34410A和34411A。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。

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