高性能數(shù)字萬用表在便攜式設(shè)備測(cè)量中的應(yīng)用技巧

便攜式設(shè)備測(cè)量的廣泛應(yīng)用

高性能通用型數(shù)字萬用表(以61/2位為例)，對(duì)許多應(yīng)用來說，它們有極高的性價(jià)比。無論是航空航天、通信、汽車、工業(yè)部門或消費(fèi)電子領(lǐng)域中，均存在便攜式設(shè)備的使用。在這些領(lǐng)域中的便攜式設(shè)備，均離不開應(yīng)用高性能數(shù)字萬用表對(duì)其各中重要參數(shù)的測(cè)量。同時(shí)也包括需要進(jìn)行DC和AC的測(cè)量。在迸行測(cè)量中發(fā)現(xiàn)使用高性能數(shù)字萬用表會(huì)非常容易，性能也很高。而本文將其高性能數(shù)字萬用表在便攜式設(shè)備部份參數(shù)測(cè)量應(yīng)用技巧作分析介紹。

無需PC的簡(jiǎn)單數(shù)據(jù)記錄

因懷疑空調(diào)機(jī)產(chǎn)生快速和寬范圍的溫度改變，故需測(cè)量計(jì)算機(jī)服務(wù)器機(jī)房的溫度變化，但卻在在午餐時(shí)間內(nèi)。如何能立即開始測(cè)量，又不耽誤預(yù)定的午餐時(shí)間呢？應(yīng)拿起高性能數(shù)字萬用表、探頭和電源線，把它們帶到計(jì)算機(jī)機(jī)房，定好傳感器探頭位置，選擇溫度測(cè)量功能和傳感器類型，按Data Log鍵(見圖1所示面扳)，設(shè)置1小時(shí)測(cè)量其間隔為1秒；按Trigger鍵開始測(cè)量過程，然后仍可去午餐。等測(cè)量已經(jīng)完成，讀數(shù)都已保存在非易失存儲(chǔ)器中，把數(shù)字萬用表帶回辦公室，接上LAN，啟動(dòng)PC的瀏覽器把讀數(shù)從瀏覽器剪切和粘貼到工程師的電子表格，交付打印的圖表。不需要用計(jì)算機(jī)進(jìn)行測(cè)量設(shè)置，高性能數(shù)字萬用表體積小，攜帶方便，工程師不需要為收集數(shù)據(jù)編寫或加載程序。

與峰值測(cè)量相組合的DCV測(cè)量。

直流電源的輸出往往存在著紋波。這些紋波電壓規(guī)定為某一特定或更低的電平，并需要進(jìn)行測(cè)試。交流信號(hào)的頻率通常與電網(wǎng)相關(guān)，但開關(guān)電源會(huì)有更高的頻率。例如圖2所示帶有交流成分的直流信號(hào)。

常用的測(cè)量方法是進(jìn)行DCV和ACV MS(峰值)這兩項(xiàng)測(cè)量。但這種測(cè)量方法也受到一些限制：兩次測(cè)量要花較多的時(shí)間，特別是改變功能和量程時(shí)；一般ACV RMS測(cè)量缺少重要的峰值信息；還需花時(shí)間通過數(shù)字處理得到峰值信息。

數(shù)字萬用表提供稱為峰值測(cè)量的輔助測(cè)量功能，它能在進(jìn)行精密DCV(或ACV)測(cè)量的同時(shí)激活。這里是對(duì)上述方法的改進(jìn)：?jiǎn)⒂梅逯禍y(cè)量功能，用一個(gè)或多個(gè)工頻積分時(shí)間進(jìn)行精確的DCV測(cè)量，用以抑制供電電源頻率和隨機(jī)噪聲；取回DCV和峰值測(cè)量數(shù)據(jù)。

峰值測(cè)量產(chǎn)生在DCV測(cè)量積分時(shí)間期間的20μs間隔，因此任何可檢測(cè)峰值的寬度至少應(yīng)達(dá)到20μs 。

從這兩項(xiàng)測(cè)量可確定的情況包括：DCV和峰峰數(shù)據(jù)在容限內(nèi)—通過；DCV正確，但峰峰值超出極限—失?。籇CV略有超差，但峰峰值很好—失敗。

第二和第三種情況的峰峰紋波電壓存有疑問。第二種情況可能有過大的噪聲尖峰，因?yàn)樗茨軓妮敵鲋袨V除。第三種情況可能屬失真，它產(chǎn)生的非對(duì)稱AC成分在DCV測(cè)量中增加了DC成分。而此時(shí)的紋波可能仍保持同樣的峰峰電壓。主測(cè)量失敗時(shí)需要有信號(hào)的更多信息。高性能數(shù)字萬用表提供50K讀數(shù)/秒的波形捕獲，可通過采樣得到其它診斷信息。

最小化其測(cè)試時(shí)間是生產(chǎn)制造中追求的目標(biāo)，因此與單獨(dú)進(jìn)行DCV和ACV測(cè)量，或數(shù)字化和處理信號(hào)相比，精確DCV測(cè)量和峰值測(cè)量的組合能顯著減少測(cè)試時(shí)間。所得到的另一好處是峰峰信息能更好說明電源輸出信號(hào)的質(zhì)量。

使用電平觸發(fā)的精確測(cè)量—手持式裝置電池工作期間的耗用電流

下面的波形(圖3)代表手持式裝置電池工作期間的耗用電流。要求是測(cè)量脈沖的平均直流值一僅在脈沖持續(xù)期間。這一脈沖沒有可用作同步外觸發(fā)的相關(guān)5V邏輯信號(hào)事件。最初會(huì)想到用大量高速測(cè)量捕獲這一異步事件是唯一可行的解決方案，繼而在計(jì)算機(jī)中處理波形得到結(jié)果。

對(duì)帶有模擬電平觸發(fā)的數(shù)字萬用表而言，這是相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)量。不需要由外部TTL脈沖啟動(dòng)觸發(fā)。把該數(shù)字萬用設(shè)置為在脈沖上升沿的某一點(diǎn)(量程百分?jǐn)?shù))處觸發(fā)。用觸發(fā)延遲保證測(cè)量在脈沖的“平坦”部分開始，把模數(shù)轉(zhuǎn)換器積分時(shí)間設(shè)置為能最大化測(cè)量精度，而不超出脈沖寬度持續(xù)時(shí)間的值。在這一例子中，對(duì)觸發(fā)電平的100μs延遲把測(cè)量起點(diǎn)放在上升沿通過后。數(shù)字萬用能用1ms積分時(shí)間進(jìn)行6l/2位的測(cè)量。此外，任何DC 測(cè)量都允許用峰峰測(cè)量功能捕獲信號(hào)的峰峰成分，如前面的例子所述。

用直接采樣ACV測(cè)試熒光燈的鎮(zhèn)流器

在熒光燈關(guān)閉時(shí)，燈管內(nèi)的水銀/蒸汽混合物號(hào)是不導(dǎo)電的。在加電時(shí)，需要用300VAC的電壓?jiǎn)?dòng)水銀輻射的氣體放電。通過低壓水銀蒸汽的電流放射紫外光。內(nèi)部磷涂層有效地把大部分紫外光轉(zhuǎn)換成可見光。根據(jù)燈管的瓦數(shù)，啟動(dòng)后只需要用低得多的電壓，通常為100VAC至175VAC的電壓保持放電。

需要用數(shù)字萬用表測(cè)試鎮(zhèn)流器電壓，以保證向燈管施加正確的電壓。這是一項(xiàng)ACV測(cè)量。許多數(shù)字萬用表，在ACV測(cè)量時(shí)都使用模擬RMS轉(zhuǎn)換器。雖然這些轉(zhuǎn)換器能夠測(cè)量高達(dá)1MHz的頻率成分，但不能告訴數(shù)字萬用表有關(guān)輸入中存在短持續(xù)期高壓尖峰的情況。這些短持續(xù)期尖峰對(duì)RMS成分的影響很小，因此得到的電壓測(cè)量結(jié)果與預(yù)計(jì)電壓可能有相當(dāng)大的偏差。

例如，鎮(zhèn)流器除了起輝所需的300VAC信號(hào)外，還可能產(chǎn)生lkV甚至更高的尖峰。數(shù)字萬用表得到的讀數(shù)可能為300VAC，偶而也讀到301VAC。測(cè)試系統(tǒng)就認(rèn)為一切良好—都在容限以內(nèi)。但卻沒有看到巨大的電壓尖峰對(duì)數(shù)字萬用表輸入部分的沖擊。如果數(shù)字萬用表沒有有效的輸入保護(hù)，在連續(xù)沖擊下的輸入電路就有可能損壞。

該數(shù)字萬用表用直接采樣技術(shù)進(jìn)行AC RMS測(cè)量。相對(duì)于模擬RMS計(jì)算，直接采樣技術(shù)帶來了四項(xiàng)好處：10倍快的AC測(cè)量，對(duì)高頻正弦波的精度改進(jìn)，峰峰信息，以及波峰因素不會(huì)使精度降級(jí)。

對(duì)輸入信號(hào)的過采樣能檢測(cè)到窄而高的電壓尖峰，使數(shù)字萬用表能夠把尖峰作為過載錯(cuò)誤條件響應(yīng)。這一信息告訴測(cè)試工程師在數(shù)字萬用表的接線或鎮(zhèn)流器內(nèi)有問題存在。解決方案非常簡(jiǎn)單，只需在夾具中增加一級(jí)濾波，以抑制到達(dá)數(shù)字萬用表輸入端的尖峰?？傊?，測(cè)試工程師可從數(shù)字萬用表提供的信息“看到”信號(hào)中的真實(shí)成分。直接采樣AC技術(shù)提供對(duì)信號(hào)成分的可視能力，并能同時(shí)進(jìn)行有效值和峰值測(cè)量。

可測(cè)試手持式裝置各種工作條件下的耗用電流—能類似示波器波形捕獲的電平觸發(fā)

宇航和汽車應(yīng)用有大量的機(jī)電信號(hào)。它們來自振動(dòng)、拉伸和壓縮試驗(yàn)臺(tái)的機(jī)械部件。這些信號(hào)的頻率成分相當(dāng)?shù)?，通常低?kHz。例如典型加速度計(jì)的帶寬為2.5kHz。對(duì)于這種類型的信號(hào)(見圖4所示)，數(shù)字萬用表提供具有如下能力的波形捕獲：50kHz采樣率41/2位，使用低抖動(dòng)的采樣定時(shí)器；相對(duì)平坦的帶寬響應(yīng)(0.1dB，3kHz；0．6dB，8kHz)；模擬電平觸發(fā)；預(yù)觸發(fā)和后觸發(fā)采樣；1M讀數(shù)保存；270k讀數(shù)/秒訪問讀數(shù)保存。

除了物理量測(cè)量外，功能測(cè)試應(yīng)用中產(chǎn)生的電信號(hào)通常也低于8kHz：300Hz至3kHz的語音信號(hào)，手持式裝置，例如移動(dòng)電話、數(shù)碼相機(jī)或PDA中的電池耗用電流，以及其它低頻成分的信號(hào)。在電子工業(yè)中經(jīng)常需要進(jìn)行手持式裝置耗用電流測(cè)量：因?yàn)殚L的電池壽命是客戶滿意度的一項(xiàng)重要因素。了解手持式裝置各種工作條件下的耗用電流是非常重要的。

一些電源能夠采樣向被測(cè)裝置提供的電流波形-并達(dá)到微安級(jí)的精度。例如AgilentN6700電源就有這樣的能力。但這種測(cè)量?jī)H限于電源輸出的電流。當(dāng)測(cè)試系統(tǒng)確定從電池流出過大的電流時(shí)，測(cè)試手持式裝置各部分的許多其它測(cè)試點(diǎn)看到的應(yīng)是好或是不好、需要多長時(shí)間。這就要求波形捕獲檢查電流的定時(shí)。

圖4中的波形是數(shù)碼相機(jī)的耗用電流，它僅在拍照時(shí)激活。此時(shí)它是電流分路器上的電壓。波形代表著自動(dòng)聚焦的機(jī)械運(yùn)動(dòng)、處理照片、驅(qū)動(dòng)顯示和狀態(tài)LED，以及把結(jié)果保存在Flash存儲(chǔ)器中。該數(shù)字萬用表的電平觸發(fā)適用于任何測(cè)量功能。此時(shí)的DCV的測(cè)量以50K采樣/秒進(jìn)行。對(duì)于1M 讀數(shù)，能以這樣的速率保存20s的數(shù)據(jù)。預(yù)觸發(fā)和后觸發(fā)允許您圍繞事件建立類似示波器的波形捕獲。數(shù)字萬用表將進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，直至遇到電平觸發(fā)。它會(huì)保留測(cè)量的預(yù)觸發(fā)計(jì)數(shù)，然后開始后觸發(fā)測(cè)量計(jì)數(shù)。這是等待異步事件的一項(xiàng)極好技術(shù)，在預(yù)觸發(fā)計(jì)數(shù)與后觸發(fā)計(jì)數(shù)間不存在測(cè)量的不連續(xù)。

使用多臺(tái)數(shù)字萬用表的直接接到傳感器上同時(shí)測(cè)量

在汽車和航空航天行業(yè)，往往需要同時(shí)測(cè)量放置在機(jī)電設(shè)備上的多個(gè)傳感器。在使用開關(guān)，特別是FET(場(chǎng)效應(yīng)管)開關(guān)時(shí)，要對(duì)高壓進(jìn)行不經(jīng)衰減的高速掃描是非常困難的。實(shí)現(xiàn)對(duì)極為不同電壓電平信號(hào)的高速掃描，或運(yùn)行不同的測(cè)量功能也都是非常困難的。在這類情況下，可把多臺(tái)高性能數(shù)字萬用表直接接到傳感器上，并把所有的外觸發(fā)輸入并行地接到同一觸發(fā)事件(見圖5所示)。

高性能數(shù)字萬用表通過外觸發(fā)輸入的硬件耦合接到測(cè)量引擎。測(cè)量反應(yīng)時(shí)間或抖動(dòng)小于1μs，因此多臺(tái)以50K讀數(shù)/秒運(yùn)行的數(shù)字萬用表實(shí)際上能在同一時(shí)刻開始采樣。該每臺(tái)數(shù)字萬用表保存1M讀數(shù)，即并行地保存20秒的捕獲數(shù)據(jù)。用4臺(tái)數(shù)字萬用表實(shí)現(xiàn)200K讀數(shù)/秒的有效讀數(shù)率，然后從每臺(tái)數(shù)字萬用表讀數(shù)保存中連續(xù)地以50K速率，或以270K讀數(shù)/秒的突發(fā)速率取出讀數(shù)。

這一應(yīng)用的獨(dú)特之處您是可向同事借用這4臺(tái)數(shù)字萬用表。它設(shè)置容易，并能把設(shè)置狀態(tài)復(fù)制到每一臺(tái)儀器，100MbitLAN或USB 2.0接口能容易地實(shí)現(xiàn)這一數(shù)據(jù)率。

如何設(shè)置快速直流測(cè)量

控制直流測(cè)量速度有5項(xiàng)要素：自動(dòng)歸零，自動(dòng)量程，積分時(shí)間，自動(dòng)觸發(fā)延遲，峰值測(cè)量。

自動(dòng)歸零、自動(dòng)量程和峰值測(cè)量都有內(nèi)部軟件指導(dǎo)下的機(jī)械裝置執(zhí)行，用以控制數(shù)字萬用表內(nèi)部的運(yùn)行。這一動(dòng)作在最好條件下也被限制于2000讀數(shù)/秒。為實(shí)現(xiàn)高于2K讀數(shù)/秒的讀數(shù)率，必須選擇固定量程和禁用峰值測(cè)量，關(guān)斷自動(dòng)歸零。

自動(dòng)歸零在每次測(cè)量施加信號(hào)后進(jìn)行。內(nèi)部電路不介入施加信號(hào)，而把輸入端至模數(shù)轉(zhuǎn)換器的信號(hào)通路短路。測(cè)量所存在的偏移，并將其從實(shí)際測(cè)量結(jié)果中扣除。這意味著每次測(cè)量都要取兩個(gè)讀數(shù)。關(guān)斷自動(dòng)歸零可節(jié)省時(shí)間，因?yàn)榇藭r(shí)只進(jìn)行一次測(cè)量，并且沒有軟件和機(jī)械裝置的參與。

自動(dòng)量程對(duì)施加信號(hào)進(jìn)行預(yù)先測(cè)量，以嘗試和確定能實(shí)現(xiàn)最高分辨率測(cè)量的最佳量程。這些數(shù)字萬用表的自動(dòng)量程非?？?，能容易地跟蹤120Hz信號(hào)。但當(dāng)從10V或10MΩ量程跳到更高量程時(shí)，自動(dòng)量程也需要較長的時(shí)間。關(guān)斷自動(dòng)量程的同時(shí)也切斷了軟件和機(jī)械裝置參與。

積分時(shí)間是模數(shù)轉(zhuǎn)換器花在積分施加信號(hào)上的時(shí)間。高性能數(shù)字萬用表的最小積分時(shí)間分別為100μs和20μs。積分時(shí)間分辨率為20μs；因此34411A的最高采樣率是50K讀數(shù)/秒-20μs積分時(shí)間。次高讀數(shù)率為25K讀數(shù)/秒-40μs積分時(shí)間。

自動(dòng)觸發(fā)延遲足可編程的設(shè)置。它是默認(rèn)啟用的。在啟用后，數(shù)字萬用表根據(jù)功能、量程和積分時(shí)間推薦一個(gè)延遲時(shí)間。這一延遲與觸發(fā)子系統(tǒng)有關(guān)。如果禁用，它就對(duì)所有功能禁用。

峰值測(cè)量在進(jìn)行精確直流測(cè)量時(shí)使用。此時(shí)的測(cè)量積分時(shí)間通常為一個(gè)或多個(gè)PLC，峰值測(cè)量可在61/2位直流測(cè)量時(shí)啟用，并仍能實(shí)現(xiàn)1000讀數(shù)/秒。

下面是實(shí)現(xiàn)DCV功能最高測(cè)量速度的SCPI命令例子：

CONF：VOLT：DC

VOLT：ZERO：AUTO OFF

VOLT：RANGE 1，0

VOLT：APER MIN

或VOLT：NPLC MIN

TRIG：DELAY：AUTO OFF

TRIG：DELAY 0

電阻和溫度也可使用同樣的命令-但您必須把VOLT變?yōu)镃URR，RES，F(xiàn)RES或TEMP。

在進(jìn)行四線歐姆測(cè)量時(shí)也許不能關(guān)斷自動(dòng)歸零。溫度測(cè)量完全是電阻測(cè)量，可以是兩線或四線的測(cè)量。

如何設(shè)置快速交流測(cè)量

影響交流測(cè)量速度的關(guān)鍵因素是：AC濾波器設(shè)置，自動(dòng)量程，自動(dòng)觸發(fā)延遲。所有交流測(cè)量的速度都被限制為500讀數(shù)/秒或更低。根據(jù)上述三項(xiàng)因素的設(shè)置情況，測(cè)量可能會(huì)更慢。交流濾波器在所有交流測(cè)量中普遍被采用，它也是影響速度的最重要因素。

自動(dòng)量程對(duì)測(cè)量速度沒有明顯影響，直到高壓信號(hào)使執(zhí)行繼電器改變量程。自動(dòng)觸發(fā)延遲對(duì)測(cè)量速度降低的影響主要取決于交流濾波器選擇。下面是實(shí)現(xiàn)ACV最高測(cè)量速度的SCPI(可編程儀器的標(biāo)準(zhǔn)命令)命令例子：

CONF：VOLT：AC

VOLT：AC：BAND 200

VOLT：AC：RANGE 1.0

TRIG：DELAY：AUTO OFF

TRIG：DELAY 0

ACI使用同樣的命令—只是用CURR代替VOLT。對(duì)于頻率來說，F(xiàn)REQ：APER命令規(guī)定了0.001，0.01，0.1或1s的閘門時(shí)間，除AC濾波器選擇外，它也會(huì)影響讀數(shù)率。

峰峰測(cè)量不會(huì)減慢AC RMS測(cè)量。

內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器

高性能數(shù)字萬用表配有內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，它提供強(qiáng)有力的配置、診斷和編程工具。您需要的只是LAN連接、網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和數(shù)字萬用表的IP地址。只要您的計(jì)算機(jī)能夠訪問eBay.com，也就能從任何地方訪問高性能數(shù)字萬用表。不需要使用其它軟件完成對(duì)數(shù)字萬用表的配置。數(shù)字萬用表可配置為DHCP(從外部主機(jī)得到IP地址)，AutoIP(數(shù)字萬用表分配它自己的IP地址)，也可手動(dòng)分配IP。只要您知道這一IP地址，就能容易地把它送入網(wǎng)絡(luò)瀏覽器的URL。您可同時(shí)連接到3個(gè)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。

結(jié)論

高性能數(shù)字萬用表提供如同臺(tái)式儀器的易用性，以及測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用所必須的各項(xiàng)性能。無論所應(yīng)用是需要一般性測(cè)量，精密直流和交流測(cè)量，捕獲機(jī)電機(jī)波形，或是高吞吐率和高程序執(zhí)行速度均能覆蓋的眾多測(cè)量功能特能很好地滿足您的應(yīng)用要求。

當(dāng)今62/1高性能數(shù)字萬用表己有幾家廠商可提供，有共性也有各自的特征，值此側(cè)重以Agilent的34410A和3441lA型為例作說明。