高精度數(shù)字萬(wàn)用表恒流源和交流測(cè)量電路設(shè)計(jì)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 張 斌

高精度數(shù)字萬(wàn)用表恒流源和交流測(cè)量電路設(shè)計(jì)

中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所 張 斌

數(shù)字萬(wàn)用表作為基本電參量測(cè)試最常用的測(cè)試儀表，實(shí)現(xiàn)其高精度、低不確定度的測(cè)試設(shè)計(jì)難度較大。本文通過(guò)改進(jìn)高精度恒流源設(shè)計(jì)、交流變換電路設(shè)計(jì)等，提高了萬(wàn)用表的電阻和交流信號(hào)測(cè)試精度、降低了不確定度。

測(cè)試精度；小信號(hào)測(cè)試；不確定度

1 概述

高精度數(shù)字萬(wàn)用表是常用的基礎(chǔ)電測(cè)量?jī)x器，通常具有直流電壓/電流、交流電壓/電流、二線/四線電阻等測(cè)量功能，是高性能電子元器件篩選和電子設(shè)備維修最基本和最常用的測(cè)試設(shè)備，是對(duì)電參量測(cè)試基本工具，是電子設(shè)備研制、生產(chǎn)和維護(hù)所必不可少得工具。利用數(shù)字萬(wàn)用表對(duì)基本電參量精確測(cè)量功能，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電路板電子元器件故障的精準(zhǔn)測(cè)試，及時(shí)排除故障隱患。

2 恒流源電路設(shè)計(jì)

高精度恒流源的設(shè)計(jì)克服了導(dǎo)通電阻對(duì)輸出電流的影響。恒流源是電阻測(cè)量的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。電路設(shè)計(jì)率先采用低泄漏、小體積的多路開關(guān)MAX329作為電流切換元件，采用“采樣端”與“傳感端”分開的巧妙方法，消除了多路開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響，在不降低精度的前提下減小了體積。如圖3所示，UK4、UK5替代了3個(gè)傳統(tǒng)繼電器及二極管、三極管等附屬元件。其中UK4的第8腳漏電流很小僅為pA級(jí)，因此在第8腳與第5腳（或4腳）之間的導(dǎo)通電阻上幾乎沒(méi)有壓降，形成了“傳感端” ；而“采樣端”第9腳與12腳（或13腳）之間，盡管有壓降，但這里關(guān)注的僅是電流信號(hào)，不關(guān)注壓降。因此達(dá)到了不影響基準(zhǔn)電流精度和穩(wěn)定度的效果。

圖1 高準(zhǔn)確度恒流源核心電路

圖2 交流變換電路圖

3 交流變換電路設(shè)計(jì)

交流變換電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)消除了導(dǎo)通電阻對(duì)增益的影響。在交流測(cè)試電路中，用電子開關(guān)替代繼電器，必需考慮電子開關(guān)導(dǎo)通電阻（尤其是溫度漂移）對(duì)增益的影響。圖4給出了交流變換電路設(shè)計(jì)的交流電路原理圖，盡管將電子開關(guān)接入了反饋環(huán)中，但為了保證增益的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，對(duì)信號(hào)輸出環(huán)節(jié)進(jìn)行了改進(jìn)。

若按照傳統(tǒng)方法從U1B的第7腳輸出，整個(gè)電路的增益收到電子開關(guān)導(dǎo)通電阻的影響，使得變小，而且隨溫度變化，該導(dǎo)通電阻變化較大，使得電路增益對(duì)溫度極其敏感。如圖4所示，該電路設(shè)計(jì)相當(dāng)于輸出電壓從反饋環(huán)的有效電阻后端引出，由于在開關(guān)UK2的A側(cè)（DA、SxA）上的導(dǎo)通電阻幾乎沒(méi)有電流（由UA1A的偏置電流和UK2的漏電流共同決定），因此沒(méi)有壓降產(chǎn)生，克服了該導(dǎo)通電阻對(duì)增益準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響。交流信號(hào)電路完整電路圖如圖5所示，電路包括交流電壓衰減電路、交流信號(hào)放大電路、真有效值變換電路、比較整形電路4個(gè)部分。隔離電源變換出來(lái)的正負(fù)15V電源，需要經(jīng)過(guò)電感隔離和電容穩(wěn)壓后作為交流器件的電源+15A和-15A。

真有效值變換電路。C44和R56用于消除交流信號(hào)處理電路中的直流分量，N19B和N22的2個(gè)比例電阻及N26的第2組開關(guān)選擇信號(hào)進(jìn)入真有效值轉(zhuǎn)換前是放大1還是2倍，控制信號(hào)為AMPL；N22的另兩個(gè)比例電阻和N26的第1組開關(guān)用于選擇是衰減1或2倍后作為ACOUT（AMP7）進(jìn)入直流信號(hào)選擇電路，控制信號(hào)為AMPL。真有效值轉(zhuǎn)換芯片為AD637，其轉(zhuǎn)換前的放大和轉(zhuǎn)換后的衰減是為了確保較小信號(hào)也能在真有效值轉(zhuǎn)換時(shí)處于較大的狀態(tài)，以確保轉(zhuǎn)換的技術(shù)指標(biāo)。由于比例電阻溫度系數(shù)匹配，放大和衰減的誤差可以忽略不計(jì)，該部分的誤差主要是真有效值芯片的誤差E22，以及頻率因素造成的幅頻誤差E23。

比較整形電路。該部分電路是一個(gè)經(jīng)典的回差比較電路，比較器為L(zhǎng)M311，比較器工作允許選通控制信號(hào)為STROBE。

4 誤差拓?fù)浞治?/h2>

交流信號(hào)測(cè)量的準(zhǔn)確度要求比直流信號(hào)測(cè)量要低，因此交流信號(hào)的誤差來(lái)源只考慮分立精密電阻的比例溫度變化誤差E21為4ppm，真有效值轉(zhuǎn)換非線性誤差E22為最佳0.02%，可約定為0.1%，幅頻特性誤差E23為0.2%（幅頻特性修正后的指標(biāo)），這些誤差均按系統(tǒng)誤差合成，交流信號(hào)變換及真有效值轉(zhuǎn)換的誤差來(lái)源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 誤差拓?fù)浞治?/p>

歐姆電流源的誤差來(lái)源如圖4所示，變流電阻選擇是由3精密電阻比例變換實(shí)現(xiàn)，其溫度誤差E41為6ppm，I/V變換的泄露電流誤差e41對(duì)大電阻測(cè)量影響大，與PCB板的絕緣度有關(guān)，定義泄露電流變化誤差e41約為10pA。

圖4 誤差拓?fù)浞治?/p>

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了高精度數(shù)字萬(wàn)用表的恒流源和交流測(cè)量電路的一種設(shè)計(jì)方案并給出了誤差的拓?fù)浞治觥Ｕ麄€(gè)電路具有準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便成本較低等特點(diǎn)，但電路方案的設(shè)計(jì)還不夠完善,還有待進(jìn)一步的研究。

[1]徐萌,李智.恒流源在高精度數(shù)字萬(wàn)用表中的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)[J].電測(cè)及儀表,2009(05).

[2]陳尚松,雷加,郭慶.電子測(cè)量及儀器[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[3]童子權(quán),紀(jì)鐵軍.精密數(shù)字多用表測(cè)量電路設(shè)計(jì).