數字萬用表原理以及數字萬用表結構和對串模噪聲的抑制
數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，也無數次共同探討測試相關的技術問題。但有意思的是，工程師們最關心最多的實際上就是一些基礎的問題，畢竟絕他們的主業(yè)不是測試測量技術。
工程師們最常問的問題是關于精確的直流和交流測量的。 他們經常會經歷一些困惑，如測量的誤差到底是多少、數字表測量顯示為什么不穩(wěn)定、不同的數字表測量結果為什么差別很大、交流有效值測量結果不可信等等。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這兩款高性能數字萬用表為例。34401A是HP公司在1993年的產品，至今仍然是全球銷售量最大的6位半數字表，中國有近10萬臺的擁有量。34410A是第一款LXI標準的數字萬用表。
首先介紹高精度數字萬用表的工作原理。6位半的數字表有著非常高的精度和分辨率。例如，如果測量5VDC，其分辨率可以達到1uV。在讀數的時候，我們希望是只有最后一位有跳動。如果在倒數第二位，甚至倒數第三位跳動，也就是6位數字顯示中只有3位或4位穩(wěn)定的，這時候的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果，首先要考慮到對串模噪聲的抑制。以下是數字萬用表的工作原理圖。
被測信號從前端輸入。實際上，對于絕大多數儀器來說，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志。信號通過前端的調理， 轉換成適合ADC的信號幅度。圖示中的AC RMS 是一個專用的電路，它的作用是對輸入交流信號進行有效值的運算。在最新的數字表中，如34410A，這個電路已經不存在了。
與示波器不一樣，高精度數字表中采用的是雙積分式ADC。這種ADC的特點是分辨率極高，對噪聲的抑制能力超強，適合于高分辨率、高精度的測量，但速度比較低。例如，6位半數字表采用的是22bit的ADC，8位半是28bit 的ADC. 數字表內部的工作原理如下圖所示
Vi是經過前端調理后的被測電壓，Vref 是內部參考電源。首先是開關(紅色表示)切合到Vi端， Vi對積分器中的電容進行充電。充電的時間是公頻周期的整倍數， 即20ms和其整倍數， 目的是抑制工頻噪聲(如下圖)。
充電結束后，電容上的電壓即等于Vi的平均值。這時將開關切合到Vref 上，在Vref 的控制下，電容進行固定斜率的放電。同時，用內部計數器記錄放電時間。Vi 就可以利用放電時間和斜率算得了。在這個過程中，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：
如果充電的時間在20ms (一個工頻周期，即1PLC)或其整倍數的時候，就可以抑制公頻噪聲。因此，對高精度測量來說，20ms的時間是必須的。當然，如果測量時間越長，例如10PLC， 當然會獲得更高的噪聲抑制比。但這樣會影響到測量的速度，特別是在高精度數據采集或自動化測試系統(tǒng)中。所以，測試速度和精度實際上是一對矛盾。在實際使用過程中，要折中考慮。
不同的數字萬用表在同樣的測量時間內，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 的測量時間，對工頻抑制比是60dB. 而對于34410A 新款的產品，在40ms的測量時間，工頻抑制比就可以達到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，因為美國是60Hz工頻周期。
如果供電工頻周期出現不穩(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頻率的關系。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
以上重點討論的是數字萬用表結構和對串模噪聲的抑制。可以看出，為了確保讀數的穩(wěn)定性和可重復性，我們要考慮到降低并抑制輸入的噪聲，根據測量速度和精度的要求合理設置測量時間，并選擇合適的數字萬用表。
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