電子測量與儀器第七章精密直流電流電壓和電阻測量技術(shù)課件

第七章精密直流電流、電壓和電阻測量技術(shù)(精密測量的基礎(chǔ)知識)7.1一個電源測量的實例7.2精密直流測量的任務(wù)7.3測量的極限理論7.4精密測量的常用儀器7.5精密測量電路設(shè)計基礎(chǔ)儀器科學(xué)與工程系7.1

一個電源測量的實例要求：設(shè)計一測量系統(tǒng)的前置放大電路，測量電池的輸出電壓。被測目標(biāo)：可認(rèn)為是一電池，輸出直流電壓范圍在±2V，即-2V<Va-Vb<2V，輸出阻抗在107～109Ω。已有器件：理想的A/D，理想的2.5V基準(zhǔn)，+3.3V電源。A/D的信號輸入范圍為0~2.5V，精度為4位半，即±1999.9mV，誤差不超過3個字，使用溫度范圍18~28℃。設(shè)計電路并標(biāo)出運(yùn)放的型號以及電阻和電容的規(guī)格。1.電源的內(nèi)阻很大2.測量精度要求高：0.3mV(41/2位AD精度核算是15bits)3.電壓變換，-2V<Va-Vb<2VAD：0~2.5V范圍內(nèi)1.由1、2兩項，要求放大器的輸入偏置電流極?。?.電阻R1、R2適當(dāng)。

R1=R2,同一批電阻該選什么樣的放大器呢？7.3

測量的極限理論

數(shù)字多用表（DMM）測量：直流電壓>1μV

直流電流>1μA

時，OK!

電阻值<1GΩ

測量接近極限理論的低電平信號時，要求儀器具有更高的靈敏度，此時要用到：靜電計（Electrometer

）皮安表（pAM）納伏表（nVM）等高端儀器。測量的理論極限：

測量靈敏度的理論極限取決于在電路中電阻所產(chǎn)生的噪聲，電阻噪聲與電阻阻值、帶寬和絕對溫度乘積的平方根成正比。

也就是說，在一個1Ω的電阻上產(chǎn)生的1μV的信號能夠檢測到，但是在1MΩ的電阻上產(chǎn)生的1μV的信號，用同樣的儀器就有可能檢測不到，因為此時的電阻噪聲增大了1000倍。K－波爾茲曼常數(shù)K=1.38×10-23J/KT－絕對溫度R－電阻值B－工作帶寬如：K－波爾茲曼常數(shù)K=1.38×10-23J/KT－絕對溫度17℃(256K)R－電阻值500kΩB－工作帶寬4MHz7.4

精密測量的常用儀器1、靜電計(Electrometer)

原理：靜電感應(yīng)的原理。（靜電感應(yīng)傳感器）阻抗變換器量程轉(zhuǎn)換器交流放大相敏檢波振動金屬片振蕩器調(diào)零電源顯示信號還原靜電感應(yīng)T高輸入阻抗被測對象指針式簡易靜電計?靜電計級運(yùn)算放大器（OPA128）?世界上最靈敏度的靜電計：可以測出穿過電路的單個電子的數(shù)量。耶魯大學(xué)，RF-SET(射頻-單電子晶體管)技術(shù)Electrometer-GradeOPERATIONALAMPLIFIER—OPA128Electrometer-GradeCMMR=90dB特點(diǎn)：A、輸入電阻非常大，幾十或幾百TΩ。

B、輸入偏置電流非常小，幾十上百fA。使用場合：A、電流小于10nA.B、電阻大于1GΩ.C、電源內(nèi)阻較高(≥100MΩ).D、電荷測量.E、接近噪聲極限區(qū)域的測量。靜電計C法拉第筒被測物體靜電計R取樣電阻VIx靜電計RR0Vx靜電計CC0Vx電荷測量：測電壓求電荷，Q＝CV電容C高絕緣阻抗防漏電(聚乙烯)電流測量(皮安表)寄生電容→充電時間→電阻R≤1011高壓測量：電阻分壓式(上圖)

電容分壓式(下圖)選用耐高壓電阻/電容AdvantestR8240數(shù)字靜電計6517A型靜電計/高阻系統(tǒng)?

電流測量范圍1fA-20mA

?

電壓測量范圍10μV-200V

?

電阻測量可達(dá)1016Ω

?

電荷測量范圍10fC-2μCKeithleyEST102靜電計實例：2、數(shù)字多用表(DMM)

數(shù)字多用表品種繁多，范圍很寬。包括從廉價的31/2手持儀表到高精度的系統(tǒng)式數(shù)字多用表。滿足不同精度的測量需求。單點(diǎn)測量。關(guān)注準(zhǔn)確度、負(fù)載影響等幾個基本參數(shù)。3、納伏表(nVM)

電壓表。測量低源內(nèi)阻的電壓信號的最佳選擇。4、皮安表(pAM)

安培表。低輸入端壓降，電流靈敏度較靜電計低，價格也相對較低。8、微歐計歐姆計。適宜低電阻測量，最小測量10μΩ。特點(diǎn)：四線技術(shù)：減小測試電纜和連接器帶來的誤差.

偏置補(bǔ)償：脈沖式測量電流，消除熱電動勢.

干電路測試：限制被測電阻兩端的電壓（一般<20mV），避免擊穿觸點(diǎn)（面）氧化膜帶來誤差.

以上所介紹的儀器/模塊，是精密測量里常用的儀器/模塊，它們之間具有相同點(diǎn)，也有區(qū)別之處，主要是為了滿足不同的層次應(yīng)用需求。RrVIsIv四線技術(shù)噪聲電壓1kV1V1mV1μV1nV1pV10310010-310-610-910-12帶寬1001031061091012源電阻靜電計數(shù)字多用表納伏表納伏表前置放大器101510-3*№*典型的DMM、nVM、nVPreAmp、Electrometer

的測量極限7.5

精密測量的電路設(shè)計基礎(chǔ)放大器的基本工作原理V1V2公共點(diǎn)VoVo=A(V1-V2)?開環(huán)增益非常大，104~106?引入反饋，可使輸入端電壓(V1-V2)差降低至接近零?“虛短、虛斷、虛地”上面的電路可做靜電計電壓表或納伏表的前置放大器：對放大器的要求對放大電阻的要求靜電計電壓表低偏置電流，高輸入阻抗多用作阻抗變換得到1:1的電壓增益，RA短路，RB開路。納伏表前置放大器低輸入噪聲電壓放大用，設(shè)置RA、RB使得放大器典型增益為103。思考：為何沒有在+端加接地電阻？2、安培計電路思考：怎么用普通的萬用表測量電流？(串聯(lián)，注意極性)電流測量的兩種基本技術(shù)：分流安培計、反饋安培計。V2V1VoVo=IINRS(1+RA/RB)RARBIINRS(1)分流放大器RS值盡可能小:(a)小阻值電阻穩(wěn)定性好。(溫度，時間，電壓系數(shù))(b)時間常數(shù)小，儀器響應(yīng)時間更短。(A)分流安培計V1IINVoVo=-IINRFRF(2)反饋放大器(a)電路總的靈敏度由反饋電阻RF決定。(b)運(yùn)算放大器迫使V1≈0.不需象分流放大器一樣，輸入端需要上升到V+。(c)電路的上升時間由運(yùn)算放大器決定。(B)反饋安培計用反饋式的放大器可以構(gòu)成一般的反饋安培計、高速皮安計、對數(shù)皮安計。VoC1R1RFCFIIN(5)高速皮安計(a)反饋皮安表的反應(yīng)時間受反饋電阻的并聯(lián)寄生電容限制。(b)改善皮安表反饋時間：方法一：改善或消除寄生的電容。(器件選擇，連線)方法二：如左圖，使RFCF=R1C1，此時的性能與無寄生電容時的性能相同?？偨Y(jié)：A、反饋式放大器具有較好的性能。

B、DMM及老式的靜電計使用分流的方法，皮安表和靜電表電流表多使用反饋式放大器。3、庫侖計電路

用電容代替反饋電阻，即成為庫侖計。電荷放大器也是這個原理。測量電荷的基本方法是將被測電荷傳送給已知容量的電容器，測量該已知電容的電壓。RFVoCF反饋式庫侖計：測量電荷：Q=CFV(3)帶保護(hù)歐姆模式的靜電計歐姆計改善前一電路響應(yīng)速度慢的問題：關(guān)系:改進(jìn):將+輸入節(jié)點(diǎn)(包括電路板及電纜)用運(yùn)放的輸出電壓環(huán)圍保護(hù)起來，VO=V1，CS兩端的電壓相等，大大消除了電容的影響。還可降低輸入電纜泄漏電阻的影響。VoV1IVSR內(nèi)置電流源CSRX兩芯電纜(4)靜電計電壓表+外接電流源(5)數(shù)字電壓表測量高阻對于低阻抗數(shù)字電壓表，要求電流源另帶一個電壓緩沖輸出。由已知電流源測電壓，得到電阻值。V1RxIRxI×1VOV1輸出靜電計電壓表數(shù)字多用表帶跟隨器輸出的恒流源5、低阻歐姆計電路

低阻值電阻測量要注意電纜，放大器的影響：

將高阻測量的靜電電壓計改成納伏計，并用四線法消除引線電阻的影響。(1)納伏表+外部電流源能夠測量阻值很低的電阻（＜μΩ）。V1RxI納伏表(2)數(shù)字多用表歐姆計(比率技術(shù))RXR1R2R3R4RSRSRREFVSENSEVREF參考HI參考LO取樣HI取樣LO輸出HI取樣HI取樣LO輸出LO僅可用方式連接(a)電阻值：RX=RREF·(VSENSE/VREF)(b)電阻器RS：二線/四線自動選擇功能(c)取樣電路高阻抗輸入R1，R2，R3，R4=引線電阻(3)微歐姆計(四線比率技術(shù))(a)電阻值：RX=RREF·(VSENSE/VREF)(b)四線比率技術(shù)RXR1R2R3R4RSRSRREFVSENSEVREF參考HI參考LO取樣HI取樣LO源HI取樣HI取樣LO源LO(4)脈沖模式下的微姆計(a)消除寄生偏置電壓。(由于取樣放大器偏置電流引起)(b)測量兩次，閉合S1測得VSENSE1，打開S1測得VSENSE2。于是：電阻值：RX=RREF·[(VSENSE1-VSENSE2)/VREF]RXR1R2R3R4RSRSRREFVSENSEVREF參考HI參考LO取樣HI取樣LO源HI取樣HI取樣LO源LOS1VX(5)微歐計中干電路測試(a)干電路測試：限制加在被測體上的電壓(<20mV)，在電流源端增加電阻器RSH。(b)被測電阻：RX=VSENSE/[VREF/RREF-VSH/RSH]RXR1R2R3R4RSRREFVSHVREF參考HI參考LO取樣HI取樣LO參考HI取樣HI取樣LO參考LOVSENSE分流HI分流HIRSH6、完整儀器(1)數(shù)字式靜電計安培庫侖電壓歐姆功能/量程輸入HILO零點(diǎn)檢測電壓、歐姆安培、庫侖前置放大器輸出保護(hù)輸出2V模擬輸出微處理器顯示器IEEE-488A/D變換器量程放大器輸入歐姆變換器直流衰減器交流衰減器精密基準(zhǔn)A/D變換器數(shù)字顯示交流變換器精密分流器數(shù)字輸出（IEEE-488，RS-232，LAN）(2)數(shù)字多用表(DMM)(a)多數(shù)DDM有五種測量功能：直流電壓、交流電壓、歐姆、直流電流、交流電流。(b)交流變換器：將交流信號變換成直流信號。(c)歐姆變換器：給出直流模擬信號以進(jìn)行電阻測量。A/D變換器

顯示IEEE488RS232微處理器偏置補(bǔ)償器量程開關(guān)低噪聲前置放大器DCV輸入(3)納伏表(a)測量非常低的電壓專用。(b)放大器：輸