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仔细阅读DMM说明书
从资料上看, 数字多用表 (DMM) 的模式有几百种之多。为了挑选出合用的 DMM 是一件很伤脑筋的事。问题是如何找到价钱适当而性能符合需要的 DMM。在选择之前, 先要确定需要测量的量值是什么。
你做精密的计量工作吗 ? 真的是用到第 7 位或 第 8 位数字进行测量吗 ? 如果是, 就应选购高准确度的台面式 DMM, 因为它的稳定性很好。如要用在定制系统中可选择 6 1/2位的能与 PXI和 VXI 兼容的 DMM 。
一般说来, 有许多 DMM 的准确度和分辨率都很高, 但是要求测量的结果并不一定要有这么高的准确度和分辨率。虽然分辨率是 DMM 设计上的精确性能, 但是实现高准确度的测量毕竟有赖于测量技术的优劣。例如用 8 1/2位 DMM 做测量, 必须十分小心谨慎和有经验, 否则光有高档 DMM 不一定能测量出好的结果来。
另一方面 , 有许多低档 DMM 也可能是恰当的选择对象。如果只要求测量准确度是 5%, 测量功能又不多，那就选购低档的 DMM 。 DMM 都能测的基本量： 交、直流电压、电流和电阻。
有些人的测量需求处在以上两种极端情况之间。选购什么样的 DMM 就难以下定决心。因为他们要求有较高的测量准确度和分辨率, 又要价钱便宜。 若要做出最好的选择, 建议他们仔细阅读说明书和有关脚注资料。
阅读小体字脚注
有多种高准确度的台面式 DMM 和低档手持式 DMM 。但是各种 DMM 的技术指标表达式缺乏一致性。例如直流电压的准确度有的表示为读数的 % 再加上量程的 % 。有的表示为读数的 % 加上几多个计数, 还有的表表示为读数的 % 再加几伏特。对于一种特定的 DMM 来说 , 如果知道了它的满度值对应多少个计数, 就能把一种表达式换算成另一种表达式。以上三种表达式都经常见到。
但是在什么样的测试条件下所说的准确度才能实现呢? 从说明书中可以看到, 规定测试条件为： 准确度在 DMM 计量校准后一年之内有效, 而且环境温度是 23 ℃土 5 ℃。其它尚有 90 天的准确度和 24 小时准确度的时间限制。 DMM 的准确度各种各样, 无法直接进行比较, 除非是都在同样的有效时间段内来比较。另外, 在加电后预热一定时间后才能达到准确度要求。
有些 DMM 内有一个集成的参考标准源, 有自校准能力, 就是说这种 DMM 即使处在 23 ℃土 5 ℃ 环境之外使用也能保证它的测量准确度。例如 National 仪器公司的 PXI-4070 型 DMM, 即使处在 0 ℃ -50 ℃环境中, 经过自校准后也能保证它的测量准确度。如果一台 DMM 在校准温度范围以外使用, 而未经校准, 其测量准确度指标必定会降低。例如若考虑到它的温度系数： ± ( 读数的 5ppm+ 量程的 1ppm) /0C , 它在 50 ℃而不是在 28 ℃ (50 ℃是 23 ℃± 5 ℃的上限 ) 进行测量要有附加的误差 : ± ( 读数的 11Oppm+ 量程的 22ppm ) 。对于某些 DMM 来说, 附加的误差可能远远大于它在说明书上规定的准确度。
说明中的小字体脚注就是对规定准确度限定条件的补充。但是给出 6 个甚至 10 个或 12 个脚注还是不足以说清问题。例如测量交流电压和电流时, 其频率也会影响测量结果。一个厂家把频率以一种方式分段给出它的影响量, 而另一个厂家又以另一种方式给频率分段。 例如一家把 60Hz( 或 50Hz) 包括在 10Hz—3kHz 段内, 而另一家又把它包括在 45Hz—50OHz 频段内, 它们都用许多个脚注来说明其全部想告诉用户的内容。
波峰系数也存在同样的问题。波峰系数定义为峰值除以它的有效值。一般说来, 波峰系数大的信号只是偶而与它的平均值偏差较大。放峰系数大对应着的测量误差也较大。一个脚注限定一个交流信号的准确度指标, 还必须限制被测信号的波峰系数在可以允许的范围之内, 才能保证测量的准确度。
除信号形状对测量结果有影响外, 信号的大小和频率也必须限制在某一定范围之内才能保证测量结果的准确性。否则 DMM 的输入电路会被损坏。例如 Fluke 的 170 系列中的 DMM, 限制输入信号的电压与它频率的乘积 V -Hz 要小于 1 × 10↑7 。有许多 DMM 都有 1000Vac 量程, 允许信号频率是 在 10 kHz 以下。
测量的读数率与分辨率有直接的联系。例如 Signametrics SMX2044 是一种 6 1/2 位的 DMM 。在如此分辨率上对应的读数率是 30 个读数/每秒。若要增加读数率就必须降低分辨率 （ 即减少位数 ) 。例如任选一种 DMM, 它的读数率是 1000 个读数 / 每秒 , 它的分辨率是 4 1/2 位。类似制约关系也适用于其它厂家的高分辨率 DMM 。在脚注里说明了读数率和分辨率之间的制约关系。
许多 DMM 有不同的满度量程, 难以相互比较 , 例如有两个不同的 DMM, 都有电压量程, 旁边都有乘 10 因数 , 但是一个 DMM 的起始量程是 4V, 另一个起始量程是 1V 。如用它们都测量 1OV 。一个用 1V × 1O = 1OV 来测, 另一个则需用 4V X 1O = 40V 来测。前者正好是用满量程测10V, 后者则用 40V 量测 10V,1OV 只是 4OV 满 度值 25% 。由于两个 DMM 之间存在 4 个因数 , 它们的满度分辨率就不一样了。但是在做 10V 测量时用的是它们的实际分辨率。这就是说, 在 4OV 表的最低位上存在令人讨厌的噪声比用 1OV 表测 1OV 时的噪声大 4 倍。
对低价 DMM, 总的准确度没有限定条件。就此事询问过有关的厂家代表, 他们说, 测量仪器的准确度与使用技巧有很大关系, 他们建议 DMM 应当每年校准一次。这虽是含糊其辞的回答, 但用其建议的方式校准 DMM 增强了使用者对测量准确度的信心。
测量电阻也存在一些问题
测量电阻是另外一件事, 它的细节说明差别很大。大多数方法是电流集中流过被测电阻, 测出其两端之间的电压降就可算出电阻值。如果出现在被测电阻上的开路电压太高, 就有问题了。 Signamertrics 公司 CEO Tee.Sheffer 先生说过：“我在展览会上见到过某些 DMM, 在表演时加在被测电阻上的电压大于 10V, 这个电压成为一种源, 能激起振荡, 造成很大的测量误差。”有消息称, 加在被测电阻上的电压必须是低伏特值。例如Fluke179 型 DMM, 所有电阻量程的开路电压小于 1.5V 。
在测量电阻时并非所有电流都流过被测电阻, 总有一小部分被旁路过去, 这样会造成测量误差。某些型号的 DMM 能消除掉这个误差电压, 使欧姆读数更准确。也有许多种电阻, 其本身就有与之相连的小电压源。例如在测量电路中, 不同金属相接在不同温度下会产生微伏级的误差电压。心电图机 (EKG) 的电极贴在患者的皮肤上, 由于皮肤自然存在着盐份和湿气 , 必然产生较大的误差电压。
所谓消除欧姆误差电压的做法是用两次测量法, 第一次用有电流源测电压值, 第二次关掉电流源后再测电阻上的误差电压。第一次电压值减去第二次电压值 ( 误差电压 ), 然后计算出被测电阻值。
还有一种方法也能消除误差电压和由于连续测量被测电阻本身发热造成的误差电压。方法是使电流源大小相等而极性相反地加到被测电阻上测两次电阻值, 不同于前述的开关电流源测量法。本方法保证两次测量用的电流的大小是恒定的。如果两次连续测量在几个毫秒内测完, 环境温度和电阻值仍然是恒定的。这种测法表明在计算电阻值时比简单的误差电压修正法包含的噪声少 50% 。
测量电阻还有比两线法更准的方法, 即 4 线法和 6 线法。两线法是把连续被测电阻导线也接到 DMM 上, 连接线的电阻也算在被测电阻值里, 无法将它们分开。 4 线法或称kelvin 法测电阻, 用一对导线接电流源, 另一对线 ( 感知线 ) 把被测电阻上电压降引人 DMM 进行测量。由于流过感知线的电流很小, 所以测量的电阻值更接近真实值。特别是测量低值电阻时, 连接导线的电阻值可与被测电阻值属同一量级, 误差很大。若用 4 线法测低值电阻可排除引线电阻, 使测量准确性更好。在测大值电阻时, 无论怎样都会有旁路电流存在, 对被测电阻采用保护措施可以解决旁路电流造成的误差。然而通常是用两线测量大值电阻时才采用保护措施。 .
用 DMM 也能做 6 线测量电阻,4 线法再加两条保护线。 6 线法通常用来测量接在电阻网络中的某一个电阻。网络中的其它与被测电阻相接的电阻都接到保护端上。这样便把被测电阻从中有效地隔离出来。被测电阻每端的端电压和保护端上的电压三者是由互相分开的电源产生的, 这样也可把感知线电阻造成的误差排除了。
就典型而论, 高分辨率仪器具备 6 线测量功能。 4 线法通用于 4 位—5 位的 DMM 。这些测量方法都以脚注方式说明。如果没有脚注说明只能采用两线法测电阻。
发展趋势和特色
除了不断改进电压、电流和电阻测量功能外, 最新式的 DMM 还有其它性能。例如 keithley 公司的 2701 型 DMM, 它基本上是个 6 1/2 位表, 也具备了扩展插槽, 用于接人多路信号的 I /O 卡。采用适当选件后, 这种 DMM 既能测量又能控制多个测试设备里的被测件。 .
以前占有大体积而功能不多的仪器, 现在变成了测试系统中的集成块而且功能性有了很大改进。keithley 公司的销售经理 QiWang 说：“keithley 公司已经采用先进的 IC, 其优点是有更多的功能和更高的性能, 结构成体积更小的仪器。今天的更小尺寸的 ICs 可以把更多的件数装入一个给定的空间, 这 样就能加进一个专用的微处理器, 提高了运行速度和管理以太网 (Ethernet) 的数据传输工作。”
现在来说以太网和与之相关的 LAN 的连接问题。 Agilent 技术公司的工程师 MarkBailey 说：“有关连接问题最终必然是 DMM 工业中积极探索的一个领域。 GPIB 和 RS-232 接口在某些情况下开始被 LAN 和 USB 接口所代替。”
Fluke 公司向用户做了调查, 看看用户们需要什么样的 DMM 。根据该公司老资格的产品计划专家 chuckBowden 的说法,“要在机械结构, 电性能和软件方面进行革新。 DMM 的装电池盖和磁性挂环和手提皮带要统一起来, 看是小事但很重要。要用真有效值代替平均值。在工业设备中都采用了开关电源和调速马达, 这样就增多了非线性负载。不革新 DMM 怎么行!”
Signametrics 公司 Sheffer 在革新该公司的 DMM 时说过：“ 要给现有的 DMM 加进新的运算法, 新的测量功能和电流源。需要扩展的功能有：测温度, 热电偶线性比, 提高测电流灵敏度, 使其分辨率达到 1OPA 。从而使用户的测试系统缩小体积和降低成本。”
另一个例子是 ,National 仪器公司的 NIPXl- 407O Flex DMM 产品经理 Kevin Bisking 说过：“DMM 的新结构有三个独立的插槽,3-U 仪器的测量速率可从 100 次读数 / 每秒 (6 1/2 位即 22-b) 调到 1.8 兆次读数 / 每秒 (10-b), 机内有在板参考源和自校准。校准周期定为两年, 一般工业用标准仪器的标准期定为一年。
技术革新不限于 DMM 的传统功能。例如Omega 工程公司生产的 OMEGASAYS@ 型 DMM 的特点有非接触式红外线测温功能, 由机内射出的激光点导向做周期性照射。测得的温度以五种语言之一告诉用户。
或许这项技术应能代替过分详细的 DMM 的说明资料。当信号接到 DMM 输人端上,DMM 就能即刻宣告信号的值和频率、温度、波峰系数, 所用的读数速步, 精确的不确定度以及电压赫兹积 V • Hz 的 限制。或许不再考虑这些特色了
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