有關(guān)儀器儀表內(nèi)阻測量的分析與探討

邯鄲市計(jì)量測試所 趙曉冬 溫戰(zhàn)龍 馬靜芳

有關(guān)儀器儀表內(nèi)阻測量的分析與探討

邯鄲市計(jì)量測試所 趙曉冬 溫戰(zhàn)龍 馬靜芳

內(nèi)阻測量直接對儀器儀表的測量值和輸出值造成影響，與儀器儀表的測量結(jié)果的準(zhǔn)確性息息相關(guān)。因此在進(jìn)行儀器儀表進(jìn)行測量時(shí)，應(yīng)認(rèn)識到內(nèi)阻測量的重要作用。本文根據(jù)幾種典型的計(jì)量儀器的特征，設(shè)計(jì)了內(nèi)阻測量的方案，并詳細(xì)分析探討了測量數(shù)據(jù)，對內(nèi)阻可能引起測量結(jié)果與實(shí)際出現(xiàn)偏差或者結(jié)論錯(cuò)誤的原因進(jìn)行分析，并提出具體解決措施。

儀器儀表；內(nèi)阻；測量分析；數(shù)字多用表

內(nèi)阻是每個(gè)儀器儀表都具有的特征，對測量值與輸出值的準(zhǔn)確性起著直接的影響作用。因此，對內(nèi)阻的含義以及測量方法正確認(rèn)識和理解，解決在檢定過程中出現(xiàn)的由于內(nèi)阻造成的問題十分必要。

在檢定過程中，常常出現(xiàn)的疑惑如為什么高內(nèi)阻是進(jìn)行數(shù)字多用表測量的必備需要，為什么指針式毫伏表不能在采用5520A多功能校準(zhǔn)源在330mV檔時(shí)被檢定出來，當(dāng)9500B示波器校準(zhǔn)儀的輸出內(nèi)阻設(shè)計(jì)為1MΩ或50Ω時(shí)其輸出的正弦波信號的內(nèi)阻是多少，當(dāng)輸出內(nèi)阻為50Ω的33250信號發(fā)生器，在使用數(shù)字多用表檢定出其實(shí)際信號發(fā)生器的設(shè)定值是電壓幅度二分之一等等，這些都是需要解決的問題，否則無法測出儀器儀表的準(zhǔn)確值。

1.5520A輸出電壓的內(nèi)阻測量

在對Fluke5520多功能校準(zhǔn)源進(jìn)行電壓輸出時(shí)，其內(nèi)阻測量方法是如圖一所示。

圖一中，5520A輸出電壓Vs的標(biāo)準(zhǔn)電阻內(nèi)阻為5520A，8508A數(shù)字多用表對BZ3和5520A輸出端電壓分別是V2、V1。8508A-LEAD為測試導(dǎo)線。

從表一中可以看出，當(dāng)5520A量程為330nV時(shí)，內(nèi)阻輸出為50Ω，由于指針式毫伏表內(nèi)阻值不高，通常只有幾十歐姆，且電源內(nèi)阻一定程度上有著分壓作用，因此，在對低內(nèi)阻指針式電壓進(jìn)行檢定時(shí)，必須保持5520A處于高量程輸出狀態(tài)。

2.8846數(shù)字多用表內(nèi)阻分析

8846A測量電壓原理圖如圖二所示。

在圖二中，F(xiàn)luke8846A電壓源為內(nèi)阻Rs和測量電壓Vs。使用8846進(jìn)行電壓測量時(shí)，其內(nèi)部構(gòu)造與一個(gè)電阻和一個(gè)電流表串聯(lián)相等效。其中電阻值為R表，測量值為I表。根據(jù)電壓測量公式，只有當(dāng)Rs比R表大時(shí)，才能使8846A測量電壓值在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。表二中對四種數(shù)字多用表電壓內(nèi)阻測量進(jìn)行了列舉。

在使用8846進(jìn)行測量電阻時(shí)，不管對對四線電阻或者二線電阻進(jìn)行測量，其固定原理是被測電阻必須由數(shù)字多用表輸出直流電流，其中直流電流必須是恒定不變的。同時(shí)對被測電阻的兩端電壓進(jìn)行測量，得出被測電阻阻值。在電阻測量時(shí)，應(yīng)注意，內(nèi)阻會直接影響測量電壓的準(zhǔn)確性，從而對測量的電阻值也造成影響。

3.E4404B頻譜分析儀的內(nèi)阻測量

圖三為E4404B內(nèi)阻測量原理圖。

根據(jù)E4404B頻譜分析儀規(guī)定要求，其輸入信號電平必須控制在30dBm范圍內(nèi)，不包括直流成分，輸入端阻抗值為50Ω，其中DC耦合使用頻率在9kHz到6.7GHz范圍內(nèi)，AC耦合使用頻率控制在100kHz到6.7GHz之間。

圖一 5520A輸出電壓內(nèi)阻測量原理圖

圖二 8846測量電壓原理圖

圖三 4404B內(nèi)阻測量原理圖

圖四 9500B輸出正弦波電壓的內(nèi)阻測量原理圖

在圖三中，5720A多功校準(zhǔn)源通過輸出電壓Vs給E4404B頻譜分析儀，對E4404B兩端電壓的有效值V1測量采用8846A數(shù)字多用表進(jìn)行測量。其中V2為E4404B自身電壓，5720的輸出內(nèi)阻為Rs，E4404B的輸入內(nèi)阻為R表。8846A與E4404B電壓測得值如表三所示。

從表三中可以看出，當(dāng)E4404B處于DC耦合模式下，其頻率在9kHz以上。E4404B與8846A的測量值處于一致的關(guān)系，測量值都為輸出信號的二分之一。由此可見，在DC耦合模式下，E4404B的內(nèi)阻與5720的內(nèi)阻相等，都為50Ω。當(dāng)E4404B處在AC耦合模式下，E4404B頻率在100kHz以下時(shí)，測出的電壓值超差十分嚴(yán)重。當(dāng)頻率在100kHz以上時(shí)，E4404B測得的電壓值剛好與5720A輸出電壓值的一般對等。當(dāng)頻率增加至250kHz時(shí)，E4404B與8846A測量值基本上趨近相等，這說明了當(dāng)測量信號在250kHz以上時(shí)，E4404B的輸入內(nèi)阻保持在50Ω。

表一 5520輸出電壓內(nèi)阻測量值

表二 數(shù)字多用表測量電壓的內(nèi)阻值

表三 E4404B頻譜分析儀內(nèi)阻測量值

表四 9500B輸出正弦波電壓的內(nèi)阻測量值

4.9500B輸出正弦波電壓的內(nèi)阻測量

9500B輸出正弦波峰峰值為V1，V1是用8508A數(shù)字多用表直接測量的電壓值，如圖四(1)所示。然后，將BZ3標(biāo)準(zhǔn)電阻串聯(lián)在9500B上，V2為用8508測得的BZ3兩端的電壓值。如圖四(2)所示。

其中，BZ3電阻值是RBZ3，RBZ3等于100Ω，9500B的輸出內(nèi)阻是RS，表四為9500B測出的輸出正弦波電壓值。其中9500B的輸出內(nèi)阻為RS’。

從表四中可以看出，當(dāng)9500B輸出直流電壓的時(shí)候，9500B的設(shè)定值幾乎與8508A數(shù)字多用表測出的電壓值相等，換句話說，9500B內(nèi)阻對負(fù)載上得出的電壓基本沒有影響，由此可見，9500B輸出直流電壓時(shí)，內(nèi)阻比較小。當(dāng)9500B輸出正弦波電壓時(shí)，當(dāng)輸出內(nèi)阻處在50Ω時(shí)，9500B測出的內(nèi)阻大小大約為50Ω，9500B的設(shè)定值大概是輸出電壓的幅度的二分之一。當(dāng)將輸出內(nèi)阻設(shè)置在1MΩ時(shí)，9500B測出的電阻值為25Ω，9500的設(shè)定值與輸出電壓的幅度相等。因此，只有9500B與示波器都設(shè)置為1MΩ或50Ω進(jìn)行阻抗匹配時(shí)，9500B輸出的電壓設(shè)定值正好可以在示波器端獲取。

對信號發(fā)生器如Fluke81、Agilent33250等，如果測出信號發(fā)生器的輸出幅度與實(shí)際設(shè)定值之間呈2倍關(guān)系沒那么輸出內(nèi)阻一定為50Ω，可以通過用數(shù)字多用表對其兩端電壓進(jìn)行測定。

5.結(jié)語

任何輸出輸入單元都存在內(nèi)阻，在低頻電路或直流電路中，內(nèi)阻只會對信號大小造成一定程度的影響，而在高頻測試中，內(nèi)阻不僅對信號大小造成影響，還可能引起信號由于傳輸路徑阻抗不相匹配造成失真現(xiàn)象，這對測量結(jié)果有著直接的影響。本文對5520A、8846A、E4404B、以及9500B四種儀器進(jìn)行分析其部分功能的內(nèi)阻測量，總結(jié)出測量內(nèi)阻的方法，對儀器內(nèi)阻對測量結(jié)果造成影響的原因進(jìn)行了闡述，對計(jì)量過程中由于內(nèi)阻出現(xiàn)的測量問題和疑惑進(jìn)行了較為仔細(xì)的分析，使檢定人員的測量分析技術(shù)的能力得到進(jìn)一步提高，促進(jìn)測量結(jié)果更加準(zhǔn)確。

隨著人們對儀器儀表測量參數(shù)精度要求的不斷提高，對儀表的內(nèi)阻測量也越來越嚴(yán)格。在對儀器儀表進(jìn)行測量時(shí)，首先應(yīng)認(rèn)識到內(nèi)阻測量與測量值和輸出值之間存在密切相連的關(guān)系。熟悉了解內(nèi)阻影響測量結(jié)果的因素以及常見測量過程中出現(xiàn)的問題，根據(jù)具體的內(nèi)阻測量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有效測定。

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趙曉冬（1979—），男，河北邯鄲人，2004年畢業(yè)于河北工程大學(xué)自動化專業(yè)，工學(xué)學(xué)士，助理工程師，現(xiàn)供職于邯鄲市計(jì)量測試所，研究方向：計(jì)量。

溫戰(zhàn)龍（1984—），男，河北廣平人，2007年畢業(yè)于河北師范大學(xué)匯華學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，學(xué)士，助理工程師，現(xiàn)供職于邯鄲市計(jì)量測試所，研究方向：計(jì)量。

馬靜芳（1980—），女，河北邯鄲人，2005年畢業(yè)于河北大學(xué)測控技術(shù)與儀器專業(yè)，學(xué)士，助理工程師，現(xiàn)供職于邯鄲市計(jì)量測試所，研究方向：化學(xué)計(jì)量。