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数字表恒流源和交流测量电路设计分析论文
【摘要】数字万用表作为基本电参量测试最常用的测试仪表，实现其高精度、低不确定度的测试设计难度较大。本文通过改进高精度恒流源设计、交流变换电路设计等，提高了万用表的电阻和交流信号测试精度、降低了不确定度。
【关键词】测试精度；小信号测试；不确定度
1、概述
高精度数字万用表是常用的基础电测量仪器，通常具有直流电压/电流、交流电压/电流、二线/四线电阻等测量功能，是高性能电子元器件筛选和电子设备维修最基本和最常用的测试设备，是对电参量测试基本工具，是电子设备研制、生产和维护所必不可少得工具。利用数字万用表对基本电参量精确测量功能，可以实现对电路板电子元器件故障的精准测试，及时排除故障隐患。
2、恒流源电路设计
高精度恒流源的设计克服了导通电阻对输出电流的影响。恒流源是电阻测量的基础和关键。电路设计率先采用低泄漏、小体积的多路开关MAX329作为电流切换元件，采用“采样端”与“传感端”分开的巧妙方法，消除了多路开关导通电阻的影响，在不降低精度的前提下减小了体积。，UK4、UK5替代了3个传统继电器及二极管、三极管等附属元件。其中UK4的第8脚漏电流很小仅为pA级，因此在第8脚与第5脚（或4脚）之间的导通电阻上几乎没有压降，形成了“传感端”；而“采样端”第9脚与12脚（或13脚）之间，尽管有压降，但这里关注的仅是电流信号，不关注压降。因此达到了不影响基准电流精度和稳定度的效果.
3、交流变换电路设计
交流变换电路的设计实现消除了导通电阻对增益的影响。在交流测试电路中，用电子开关替代继电器，必需考虑电子开关导通电阻（尤其是温度漂移）对增益的影响。图4给出了交流变换电路设计的交流电路原理图，尽管将电子开关接入了反馈环中，但为了保证增益的准确性和稳定性，对信号输出环节进行了改进。若按照传统方法从U1B的第7脚输出，整个电路的增益收到电子开关导通电阻的影响，使得变小，而且随温度变化，该导通电阻变化较大，使得电路增益对温度极其敏感，该电路设计相当于输出电压从反馈环的有效电阻后端引出，由于在开关UK2的A侧（DA、SxA）上的导通电阻几乎没有电流（由UA1A的偏置电流和UK2的漏电流共同决定），因此没有压降产生，克服了该导通电阻对增益准确度和稳定性的影响。交流信号电路完整电路图，电路包括交流电压衰减电路、交流信号放大电路、真有效值变换电路、比较整形电路4个部分。隔离电源变换出来的正负15V电源，需要经过电感隔离和电容稳压后作为交流器件的电源+15A和-15A。真有效值变换电路。C44和R56用于消除交流信号处理电路中的直流分量，N19B和N22的2个比例电阻及N26的第2组开关选择信号进入真有效值转换前是放大1还是2倍，控制信号为AMPL；N22的另两个比例电阻和N26的第1组开关用于选择是衰减1或2倍后作为ACOUT（AMP7）进入直流信号选择电路，控制信号为AMPL。真有效值转换芯片为AD637，其转换前的放大和转换后的衰减是为了确保较小信号也能在真有效值转换时处于较大的状态，以确保转换的技术指标。由于比例电阻温度系数匹配，放大和衰减的误差可以忽略不计，该部分的误差主要是真有效值芯片的误差E22，以及频率因素造成的幅频误差E23。比较整形电路。该部分电路是一个经典的回差比较电路，比较器为LM311，比较器工作允许选通控制信号为STROBE。
4、误差拓扑分析
交流信号测量的准确度要求比直流信号测量要低，因此交流信号的误差来源只考虑分立精密电阻的比例温度变化误差E21为4ppm，真有效值转换非线性误差E22为最佳0.02%，可约定为0.1%，幅频特性误差E23为0.2%（幅频特性修正后的指标），这些误差均按系统误差合成，欧姆电流源的误差来源如图4所示，变流电阻选择是由3精密电阻比例变换实现，其温度误差E41为6ppm，I/V变换的泄露电流误差e41对大电阻测量影响大，与PCB板的绝缘度有关，定义泄露电流变化误差e41约为10pA。
5、结束语
本文介绍了高精度数字万用表的恒流源和交流测量电路的一种设计方案并给出了误差的拓扑分析。整个电路具有准确度高、结构简单、操作方便成本较低等特点，但电路方案的设计还不够完善,还有待进一步的研究。
参考文献
[1]徐萌,李智.恒流源在高精度数字万用表中的设计及实现[J].电测及仪表,2009(05).
[2]陈尚松,雷加,郭庆.电子测量及仪器[M].北京:电子工业出版社,2005.
[3]童子权,纪铁军.精密数字多用表测量电路设计.
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