數(shù)字表恒流源和交流測量電路設(shè)計分析

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【摘要】數(shù)字萬用表作為基本電參量測試最常用的測試儀表，實現(xiàn)其高精度、低不確定度的測試設(shè)計難度較大。本文通過改進高精度恒流源設(shè)計、交流變換電路設(shè)計等，提高了萬用表的電阻和交流信號測試精度、降低了不確定度。

【關(guān)鍵詞】測試精度；小信號測試；不確定度

1概述

高精度數(shù)字萬用表是常用的基礎(chǔ)電測量儀器，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試設(shè)備，是對電參量測試基本工具，是電子設(shè)備研制、生產(chǎn)和維護所必不可少得工具。利用數(shù)字萬用表對基本電參量精確測量功能，可以實現(xiàn)對電路板電子元器件故障的精準(zhǔn)測試，及時排除故障隱患。

2恒流源電路設(shè)計

高精度恒流源的設(shè)計克服了導(dǎo)通電阻對輸出電流的影響。恒流源是電阻測量的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。電路設(shè)計率先采用低泄漏、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。，UK4、UK5替代了3個傳統(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，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，不關(guān)注壓降。因此達到了不影響基準(zhǔn)電流精度和穩(wěn)定度的效果.

3交流變換電路設(shè)計

交流變換電路的設(shè)計實現(xiàn)消除了導(dǎo)通電阻對增益的影響。在交流測試電路中，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）對增益的影響。圖4給出了交流變換電路設(shè)計的交流電路原理圖，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，對信號輸出環(huán)節(jié)進行了改進。若按照傳統(tǒng)方法從U1B的第7腳輸出，整個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，使得電路增益對溫度極其敏感，該電路設(shè)計相當(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)通電阻幾乎沒有電流（由UA1A的偏置電流和UK2的漏電流共同決定），因此沒有壓降產(chǎn)生，克服了該導(dǎo)通電阻對增益準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性的影響。交流信號電路完整電路圖，電路包括交流電壓衰減電路、交流信號放大電路、真有效值變換電路、比較整形電路4個部分。隔離電源變換出來的正負15V電源，需要經(jīng)過電感隔離和電容穩(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用于消除交流信號處理電路中的直流分量，N19B和N22的2個比例電阻及N26的第2組開關(guān)選擇信號進入真有效值轉(zhuǎn)換前是放大1還是2倍，控制信號為AMPL；N22的另兩個比例電阻和N26的第1組開關(guān)用于選擇是衰減1或2倍后作為ACOUT（AMP7）進入直流信號選擇電路，控制信號為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也能在真有效值轉(zhuǎn)換時處于較大的狀態(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，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。該部分電路是一個經(jīng)典的回差比較電路，比較器為LM311，比較器工作允許選通控制信號為STROBE。

4誤差拓撲分析

交流信號測量的準(zhǔn)確度要求比直流信號測量要低，因此交流信號的誤差來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，歐姆電流源的誤差來源如圖4所示，變流電阻選擇是由3精密電阻比例變換實現(xiàn)，其溫度誤差E41為6ppm，I/V變換的泄露電流誤差e41對大電阻測量影響大，與PCB板的絕緣度有關(guān)，定義泄露電流變化誤差e41約為10pA。

5結(jié)束語

本文介紹了高精度數(shù)字萬用表的恒流源和交流測量電路的一種設(shè)計方案并給出了誤差的拓撲分析。整個電路具有準(zhǔn)確度高、結(jié)構(gòu)簡單、操作方便成本較低等特點，但電路方案的設(shè)計還不夠完善,還有待進一步的研究。

參考文獻

[1]徐萌,李智.恒流源在高精度數(shù)字萬用表中的設(shè)計及實現(xiàn)[J].電測及儀表,2009(05).

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作者:張斌 單位:中國電子科技集團公司第四十一研究所