高精度數字萬用表恒流源和交流測量電路設計

中國電子科技集團公司第四十一研究所 張 斌

高精度數字萬用表恒流源和交流測量電路設計

中國電子科技集團公司第四十一研究所 張 斌

數字萬用表作為基本電參量測試最常用的測試儀表，實現其高精度、低不確定度的測試設計難度較大。本文通過改進高精度恒流源設計、交流變換電路設計等，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。

測試精度；小信號測試；不確定度

1 概述

高精度數字萬用表是常用的基礎電測量儀器，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備維修最基本和最常用的測試設備，是對電參量測試基本工具，是電子設備研制、生產和維護所必不可少得工具。利用數字萬用表對基本電參量精確測量功能，可以實現對電路板電子元器件故障的精準測試，及時排除故障隱患。

2 恒流源電路設計

高精度恒流源的設計克服了導通電阻對輸出電流的影響。恒流源是電阻測量的基礎和關鍵。電路設計率先采用低泄漏、小體積的多路開關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，消除了多路開關導通電阻的影響，在不降低精度的前提下減小了體積。如圖3所示，UK4、UK5替代了3個傳統繼電器及二極管、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，但這里關注的僅是電流信號，不關注壓降。因此達到了不影響基準電流精度和穩定度的效果。

圖1 高準確度恒流源核心電路

圖2 交流變換電路圖

3 交流變換電路設計

交流變換電路的設計實現消除了導通電阻對增益的影響。在交流測試電路中，用電子開關替代繼電器，必需考慮電子開關導通電阻（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計的交流電路原理圖，盡管將電子開關接入了反饋環中，但為了保證增益的準確性和穩定性，對信號輸出環節進行了改進。

若按照傳統方法從U1B的第7腳輸出，整個電路的增益收到電子開關導通電阻的影響，使得變小，而且隨溫度變化，該導通電阻變化較大，使得電路增益對溫度極其敏感。如圖4所示，該電路設計相當于輸出電壓從反饋環的有效電阻后端引出，由于在開關UK2的A側（DA、SxA）上的導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），因此沒有壓降產生，克服了該導通電阻對增益準確度和穩定性的影響。交流信號電路完整電路圖如圖5所示，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，需要經過電感隔離和電容穩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組開關選擇信號進入真有效值轉換前是放大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。真有效值轉換芯片為AD637，其轉換前的放大和轉換后的衰減是為了確保較小信號也能在真有效值轉換時處于較大的狀態，以確保轉換的技術指標。由于比例電阻溫度系數匹配，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），這些誤差均按系統誤差合成，交流信號變換及真有效值轉換的誤差來源拓撲結構如圖3所示。

圖3 誤差拓撲分析

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，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，定義泄露電流變化誤差e41約為10pA。

圖4 誤差拓撲分析

5 結束語

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

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

[2]陳尚松,雷加,郭慶.電子測量及儀器[M].北京:電子工業出版社,2005.

[3]童子權,紀鐵軍.精密數字多用表測量電路設計.