原创 高精度数字表揭秘系列（九）：消除内部偏置和引线造成的误差

 1. 仪器的内偏置产生的误差和消除方法

不知您是否有这样的经验：将数字万用表的电压输入端口短路，启动万用表DC测量功能，发现其读数可能不是0。 根据我们的常识，既然已经短路了，这时两端的电压应该是0V， 这是什么原因呢？

当不同金属连接时，就会构成一个热偶结。热偶结产生随温度变化的电压。这一电压虽然很低，可能在微伏级，但数字表也能显示出来。但如果您正在测量小电压，这是可能会带来足够大的误差。事实上，数字万用表内部就有诸多的热偶结，如下图所示。 这些热偶结造成了即使电压测量回路短路，电压显示可能不是0的情况.

可以用仪器自动归零的功能消除该误差源。在自动归零被启用时，数字万用表在每次测量前， 从内部断开输入信号，得到一个零读数， 在之后的测量中减去该零读数，从而消除偏置电压对测量精度的影响。这种方法的缺点就是会降低测试速度。例如，在自动化测试系统中，每测量一个数据都要进行两次测量， 从而使测试速度降低50%。 一个有效的办法就是在开始一组测量之前，程序控制仪表做一次自动归零，之后关闭这个功能，直到下一组测量的开始。这样既保证了精度，又不影响测试速度。

 2. 外部引线造成的测量误差

外部引线可能带来两方面的误差，一是接线的热偶结，二是引线电阻。前者会对DC和电阻测量带来影响，后者会影响电阻的测量。

克服接线热偶结误差的方法之一是采用相同材质接线，可以最大程度降低热偶结带来的偏置误差； 另外一个办法就是调零测量。对于直流电压或电阻测量，要选择适合的测量量程，然后把探头短路并等待一个测量，读数稳定后按调零(null)按钮。之后测量的读数将扣除调零测量的结果。调零测量非常适合直流和电阻测量功能。

电阻测量过程中通常会用到2线和4线连接方法， 这在中学的物理课上就学过。2线测量用于较大电阻测量，这也是最简单的电阻测量方法。这种测量中，引线的电阻会被引入到测量结果中:

 

在4线测量中，电压测量和电流测量分别由两个独立的测量单元测量完成。电压测量端接在电阻端，而且又是高阻输入，通过的电流微乎其微。因此可以消除引线电阻。

在进行电阻测量时，有时电阻两端可能有偏置电压。您可使用偏置补偿测量任何偏置电压，并扣除这项误差。下图示出在偏置补偿测量中进行的两次测量，第一次测量带有电流源，第二次测量没有电流源。把第一个读数减第二个读数，再除以已知的电流源电流值，就得到实际电阻值。由于测量中要取两个读数，因此读数速度会降低，但测量精度将提高。偏置补偿既可用于两线，也可用于四线电阻测量。安捷伦的34410A, 34411A 和3458A就具备这种功能。

 3. 探头和接线的带宽， 阻抗匹配

有些工程师会用万用表测量信号的有效值。这些信号的带宽可能从几十赫兹到兆赫兹级。例如在几个月之前，有位老师就打电话找我，反映利用安捷伦的3458A 8位半数字表测量8MHz正弦波信号有效值时，出现了巨大的误差。后来经过分析和验证，发现了该误差来自两个方面，即阻抗匹配和探头的带宽。万用表输入是高阻状态，而信号源是50欧姆低阻输出。如果不进行阻抗匹配，就会造成信号在传输线中的反射，因此要采用相关附件进行匹配。当阻抗匹配问题解决后，就要考虑探头带宽了。万用表配备的标准探头只有百KHz级，如果信号带宽超过1MHz， 信号幅度就会造成很大衰减。因此要考虑选用高带宽探头，同时要考虑探头的阻抗匹配的问题。