原创 高性能数字万用表在便携式设备测量中的应用技巧

高性能数字万用表在便携式设备测量中的应用技巧

        高性能通用型数字万用表(以61/2位为例)，对许多应用来说，它们有极高的性价比。无论是航空航天、通信、汽车、工业部门或消费电子领域中，均存在便携式设备的使用。在这些领域中的便携式设备，均离不开应用高性能数字万用表对其各中重要参数的测量。同时也包括需要进行DC和AC的测量。在迸行测量中发现使用高性能数字万用表会非常容易，性能也很高。而本文将其高性能数字万用表在便携式设备部份参数测量应用技巧作分析介绍。

无需PC的简单数据记录

        因怀疑空调机产生快速和宽范围的温度改变，故需测量计算机服务器机房的温度变化，但却在在午餐时间内。如何能立即开始测量，又不耽误预定的午餐时间呢？应拿起高性能数字万用表、探头和电源线，把它们带到计算机机房，定好传感器探头位置，选择温度测量功能和传感器类型，按Data Log键(见图1所示面扳)，设置1小时测量其间隔为1秒；按Trigger键开始测量过程，然后仍可去午餐。等测量已经完成，读数都已保存在非易失存储器中，把数字万用表带回办公室，接上LAN，启动PC的浏览器把读数从浏览器剪切和粘贴到工程师的电子表格，交付打印的图表。不需要用计算机进行测量设置，高性能数字万用表体积小，携带方便，工程师不需要为收集数据编写或加载程序。

与峰值测量相组合的DCV测量。

        直流电源的输出往往存在着纹波。这些纹波电压规定为某一特定或更低的电平，并需要进行测试。交流信号的频率通常与电网相关，但开关电源会有更高的频率。例如图2所示带有交流成分的直流信号。

        常用的测量方法是进行DCV和ACV RMS(峰值)这两项测量。但这种测量方法也受到一些限制：两次测量要花较多的时间，特别是改变功能和量程时；一般ACV RMS测量缺少重要的峰值信息；还需花时间通过数字处理得到峰值信息。

        数字万用表提供称为峰值测量的辅助测量功能，它能在进行精密DCV(或ACV)测量的同时激活。这里是对上述方法的改进：启用峰值测量功能，用一个或多个工频积分时间进行精确的DCV测量，用以抑制供电电源频率和随机噪声；取回DCV和峰值测量数据。

        峰值测量产生在DCV测量积分时间期间的20μs间隔，因此任何可检测峰值的宽度至少应达到20μs 。

        从这两项测量可确定的情况包括：DCV和峰峰数据在容限内—通过；DCV正确，但峰峰值超出极限—失败；DCV略有超差，但峰峰值很好—失败。

        第二和第三种情况的峰峰纹波电压存有疑问。第二种情况可能有过大的噪声尖峰，因为它未能从输出中滤除。第三种情况可能属失真，它产生的非对称AC成分在DCV测量中增加了DC成分。而此时的纹波可能仍保持同样的峰峰电压。主测量失败时需要有信号的更多信息。高性能数字万用表提供50K读数/秒的波形捕获，可通过采样得到其它诊断信息。

        最小化其测试时间是生产制造中追求的目标，因此与单独进行DCV和ACV测量，或数字化和处理信号相比，精确DCV测量和峰值测量的组合能显著减少测试时间。所得到的另一好处是峰峰信息能更好说明电源输出信号的质量。

使用电平触发的精确测量—手持式装置电池工作期间的耗用电流

        下面的波形(图3)代表手持式装置电池工作期间的耗用电流。要求是测量脉冲的平均直流值一仅在脉冲持续期间。这一脉冲没有可用作同步外触发的相关5V逻辑信号事件。最初会想到用大量高速测量捕获这一异步事件是唯一可行的解决方案，继而在计算机中处理波形得到结果。

        对带有模拟电平触发的数字万用表而言，这是相对简单的测量。不需要由外部TTL脉冲启动触发。把该数字万用设置为在脉冲上升沿的某一点(量程百分数)处触发。用触发延迟保证测量在脉冲的“平坦”部分开始，把模数转换器积分时间设置为能最大化测量精度，而不超出脉冲宽度持续时间的值。在这一例子中，对触发电平的100μs延迟把测量起点放在上升沿通过后。数字万用能用1ms积分时间进行6l/2位的测量。此外，任何DC 测量都允许用峰峰测量功能捕获信号的峰峰成分，如前面的例子所述。

用直接采样ACV测试荧光灯的镇流器

        在荧光灯关闭时，灯管内的水银/蒸汽混合物号是不导电的。在加电时，需要用300VAC的电压启动水银辐射的气体放电。通过低压水银蒸汽的电流放射紫外光。内部磷涂层有效地把大部分紫外光转换成可见光。根据灯管的瓦数，启动后只需要用低得多的电压，通常为100VAC至175VAC的电压保持放电。

        需要用数字万用表测试镇流器电压，以保证向灯管施加正确的电压。这是一项ACV测量。许多数字万用表，在ACV测量时都使用模拟RMS转换器。虽然这些转换器能够测量高达1MHz的频率成分，但不能告诉数字万用表有关输入中存在短持续期高压尖峰的情况。这些短持续期尖峰对RMS成分的影响很小，因此得到的电压测量结果与预计电压可能有相当大的偏差。

        例如，镇流器除了起辉所需的300VAC信号外，还可能产生lkV甚至更高的尖峰。数字万用表得到的读数可能为300VAC，偶而也读到301VAC。测试系统就认为一切良好—都在容限以内。但却没有看到巨大的电压尖峰对数字万用表输入部分的冲击。如果数字万用表没有有效的输入保护，在连续冲击下的输入电路就有可能损坏。

        该数字万用表用直接采样技术进行AC RMS测量。相对于模拟RMS计算，直接采样技术带来了四项好处：10倍快的AC测量，对高频正弦波的精度改进，峰峰信息，以及波峰因素不会使精度降级。

        对输入信号的过采样能检测到窄而高的电压尖峰，使数字万用表能够把尖峰作为过载错误条件响应。这一信息告诉测试工程师在数字万用表的接线或镇流器内有问题存在。解决方案非常简单，只需在夹具中增加一级滤波，以抑制到达数字万用表输入端的尖峰。总之，测试工程师可从数字万用表提供的信息“看到”信号中的真实成分。直接采样AC技术提供对信号成分的可视能力，并能同时进行有效值和峰值测量。

可测试手持式装置各种工作条件下的耗用电流—能类似示波器波形捕获的电平触发

        宇航和汽车应用有大量的机电信号。它们来自振动、拉伸和压缩试验台的机械部件。这些信号的频率成分相当低，通常低于8kHz。例如典型加速度计的带宽为2.5kHz。对于这种类型的信号(见图4所示)，数字万用表提供具有如下能力的波形捕获：50kHz采样率41/2位，使用低抖动的采样定时器；相对平坦的带宽响应(<0.1dB，3kHz；<0．6dB，8kHz)；模拟电平触发；预触发和后触发采样；1M读数保存；270k读数/秒访问读数保存。

        除了物理量测量外，功能测试应用中产生的电信号通常也低于8kHz：300Hz至3kHz的语音信号，手持式装置，例如移动电话、数码相机或PDA中的电池耗用电流，以及其它低频成分的信号。在电子工业中经常需要进行手持式装置耗用电流测量：因为长的电池寿命是客户满意度的一项重要因素。了解手持式装置各种工作条件下的耗用电流是非常重要的。

        一些电源能够采样向被测装置提供的电流波形-并达到微安级的精度。例如AgilentN6700电源就有这样的能力。但这种测量仅限于电源输出的电流。当测试系统确定从电池流出过大的电流时，测试手持式装置各部分的许多其它测试点看到的应是好或是不好、需要多长时间。这就要求波形捕获检查电流的定时。

        图4中的波形是数码相机的耗用电流，它仅在拍照时激活。此时它是电流分路器上的电压。波形代表着自动聚焦的机械运动、处理照片、驱动显示和状态LED，以及把结果保存在Flash存储器中。该数字万用表的电平触发适用于任何测量功能。此时的DCV的测量以50K采样/秒进行。对于1M 读数，能以这样的速率保存20s的数据。预触发和后触发允许您围绕事件建立类似示波器的波形捕获。数字万用表将进行连续测量，直至遇到电平触发。它会保留测量的预触发计数，然后开始后触发测量计数。这是等待异步事件的一项极好技术，在预触发计数与后触发计数间不存在测量的不连续。

使用多台数字万用表的直接接到传感器上同时测量

        在汽车和航空航天行业，往往需要同时测量放置在机电设备上的多个传感器。在使用开关，特别是FET(场效应管)开关时，要对高压进行不经衰减的高速扫描是非常困难的。实现对极为不同电压电平信号的高速扫描，或运行不同的测量功能也都是非常困难的。在这类情况下，可把多台高性能数字万用表直接接到传感器上，并把所有的外触发输入并行地接到同一触发事件(见图5所示)。

        高性能数字万用表通过外触发输入的硬件耦合接到测量引擎。测量反应时间或抖动小于1μs，因此多台以50K读数/秒运行的数字万用表实际上能在同一时刻开始采样。该每台数字万用表保存1M读数，即并行地保存20秒的捕获数据。用4台数字万用表实现200K读数/秒的有效读数率，然后从每台数字万用表读数保存中连续地以50K速率，或以270K读数/秒的突发速率取出读数。

        这一应用的独特之处您是可向同事借用这4台数字万用表。它设置容易，并能把设置状态复制到每一台仪器，100MbitLAN或USB 2.0接口能容易地实现这一数据率。

如何设置快速直流测量

        控制直流测量速度有5项要素：自动归零，自动量程，积分时间，自动触发延迟，峰值测量。

        自动归零、自动量程和峰值测量都有内部软件指导下的机械装置执行，用以控制数字万用表内部的运行。这一动作在最好条件下也被限制于2000读数/秒。为实现高于2K读数/秒的读数率，必须选择固定量程和禁用峰值测量，关断自动归零。

        自动归零在每次测量施加信号后进行。内部电路不介入施加信号，而把输入端至模数转换器的信号通路短路。测量所存在的偏移，并将其从实际测量结果中扣除。这意味着每次测量都要取两个读数。关断自动归零可节省时间，因为此时只进行一次测量，并且没有软件和机械装置的参与。

        自动量程对施加信号进行预先测量，以尝试和确定能实现最高分辨率测量的最佳量程。这些数字万用表的自动量程非常快，能容易地跟踪120Hz信号。但当从10V或10MΩ量程跳到更高量程时，自动量程也需要较长的时间。关断自动量程的同时也切断了软件和机械装置参与。

        积分时间是模数转换器花在积分施加信号上的时间。高性能数字万用表的最小积分时间分别为100μs和20μs。积分时间分辨率为20μs；因此34411A的最高采样率是50K读数/秒-20μs积分时间。次高读数率为25K读数/秒-40μs积分时间。

        自动触发延迟足可编程的设置。它是默认启用的。在启用后，数字万用表根据功能、量程和积分时间推荐一个延迟时间。这一延迟与触发子系统有关。如果禁用，它就对所有功能禁用。

        峰值测量在进行精确直流测量时使用。此时的测量积分时间通常为一个或多个PLC，峰值测量可在61/2位直流测量时启用，并仍能实现1000读数/秒。

下面是实现DCV功能最高测量速度的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

        积分时间设置至MIN。MIN对于34410A足100μs，对于高性能数字万用表是20μs。DCI、电阻和温度也可使用同样的命令-但您必须把VOLT变为CURR，RES，FRES或TEMP。

        在进行四线欧姆测量时也许不能关断自动归零。温度测量完全是电阻测量，可以是两线或四线的测量。

如何设置快速交流测量

        影响交流测量速度的关键因素是：AC滤波器设置，自动量程，自动触发延迟。所有交流测量的速度都被限制为500读数/秒或更低。根据上述三项因素的设置情况，测量可能会更慢。交流滤波器在所有交流测量中普遍被采用，它也是影响速度的最重要因素。

        自动量程对测量速度没有明显影响，直到高压信号使执行继电器改变量程。自动触发延迟对测量速度降低的影响主要取决于交流滤波器选择。下面是实现ACV最高测量速度的SCPI(可编程仪器的标准命令)命令例子：

CONF：VOLT：AC

VOLT：AC：BAND 200

VOLT：AC：RANGE 1.0

TRIG：DELAY：AUTO OFF

TRIG：DELAY 0

        ACI使用同样的命令—只是用CURR代替VOLT。对于频率来说，FREQ：APER命令规定了0.001，0.01，0.1或1s的闸门时间，除AC滤波器选择外，它也会影响读数率。

        峰峰测量不会减慢AC RMS测量。

内置的网络服务器

        高性能数字万用表配有内置的网络服务器，它提供强有力的配置、诊断和编程工具。您需要的只是LAN连接、网络浏览器和数字万用表的IP地址。只要您的计算机能够访问eBay.com，也就能从任何地方访问高性能数字万用表。不需要使用其它软件完成对数字万用表的配置。数字万用表可配置为DHCP(从外部主机得到IP地址)，AutoIP(数字万用表分配它自己的IP地址)，也可手动分配IP。只要您知道这一IP地址，就能容易地把它送入网络浏览器的URL。您可同时连接到3个网络浏览器。

结论

        高性能数字万用表提供如同台式仪器的易用性，以及测试系统应用所必须的各项性能。无论所应用是需要一般性测量，精密直流和交流测量，捕获机电机波形，或是高吞吐率和高程序执行速度均能覆盖的众多测量功能特能很好地满足您的应用要求。

        当今62/1高性能数字万用表己有几家厂商可提供，有共性也有各自的特征，值此侧重以Agilent的34410A和3441lA型为例作说明。