高性能數字萬(wàn)用表在便攜式設備測量中的應用技巧

便攜式設備測量的廣泛應用

高性能通用型數字萬(wàn)用表(以61/2位為例)，對許多應用來(lái)說(shuō)，它們有極高的性?xún)r(jià)比。無(wú)論是航空航天、通信、汽車(chē)、工業(yè)部門(mén)或消費電子領(lǐng)域中，均存在便攜式設備的使用。在這些領(lǐng)域中的便攜式設備，均離不開(kāi)應用高性能數字萬(wàn)用表對其各中重要參數的測量。同時(shí)也包括需要進(jìn)行DC和AC的測量。在迸行測量中發(fā)現使用高性能數字萬(wàn)用表會(huì )非常容易，性能也很高。而本文將其高性能數字萬(wàn)用表在便攜式設備部份參數測量應用技巧作分析介紹。

無(wú)需PC的簡(jiǎn)單數據記錄

因懷疑空調機產(chǎn)生快速和寬范圍的溫度改變，故需測量計算機服務(wù)器機房的溫度變化，但卻在在午餐時(shí)間內。如何能立即開(kāi)始測量，又不耽誤預定的午餐時(shí)間呢？應拿起高性能數字萬(wàn)用表、探頭和電源線(xiàn)，把它們帶到計算機機房，定好傳感器探頭位置，選擇溫度測量功能和傳感器類(lèi)型，按Data Log鍵(見(jiàn)圖1所示面扳)，設置1小時(shí)測量其間隔為1秒；按Trigger鍵開(kāi)始測量過(guò)程，然后仍可去午餐。等測量已經(jīng)完成，讀數都已保存在非易失存儲器中，把數字萬(wàn)用表帶回辦公室，接上LAN，啟動(dòng)PC的瀏覽器把讀數從瀏覽器剪切和粘貼到工程師的電子表格，交付打印的圖表。不需要用計算機進(jìn)行測量設置，高性能數字萬(wàn)用表體積小，攜帶方便，工程師不需要為收集數據編寫(xiě)或加載程序。

與峰值測量相組合的DCV測量。

直流電源的輸出往往存在著(zhù)紋波。這些紋波電壓規定為某一特定或更低的電平，并需要進(jìn)行測試。交流信號的頻率通常與電網(wǎng)相關(guān)，但開(kāi)關(guān)電源會(huì )有更高的頻率。例如圖2所示帶有交流成分的直流信號。

常用的測量方法是進(jìn)行DCV和ACV MS(峰值)這兩項測量。但這種測量方法也受到一些限制：兩次測量要花較多的時(shí)間，特別是改變功能和量程時(shí)；一般ACV RMS測量缺少重要的峰值信息；還需花時(shí)間通過(guò)數字處理得到峰值信息。

數字萬(wàn)用表提供稱(chēng)為峰值測量的輔助測量功能，它能在進(jìn)行精密DCV(或ACV)測量的同時(shí)激活。這里是對上述方法的改進(jìn)：?jiǎn)⒂梅逯禍y量功能，用一個(gè)或多個(gè)工頻積分時(shí)間進(jìn)行精確的DCV測量，用以抑制供電電源頻率和隨機噪聲；取回DCV和峰值測量數據。

峰值測量產(chǎn)生在DCV測量積分時(shí)間期間的20μs間隔，因此任何可檢測峰值的寬度至少應達到20μs 。

從這兩項測量可確定的情況包括：DCV和峰峰數據在容限內—通過(guò)；DCV正確，但峰峰值超出極限—失??；DCV略有超差，但峰峰值很好—失敗。

第二和第三種情況的峰峰紋波電壓存有疑問(wèn)。第二種情況可能有過(guò)大的噪聲尖峰，因為它未能從輸出中濾除。第三種情況可能屬失真，它產(chǎn)生的非對稱(chēng)AC成分在DCV測量中增加了DC成分。而此時(shí)的紋波可能仍保持同樣的峰峰電壓。主測量失敗時(shí)需要有信號的更多信息。高性能數字萬(wàn)用表提供50K讀數/秒的波形捕獲，可通過(guò)采樣得到其它診斷信息。

最小化其測試時(shí)間是生產(chǎn)制造中追求的目標，因此與單獨進(jìn)行DCV和ACV測量，或數字化和處理信號相比，精確DCV測量和峰值測量的組合能顯著(zhù)減少測試時(shí)間。所得到的另一好處是峰峰信息能更好說(shuō)明電源輸出信號的質(zhì)量。

使用電平觸發(fā)的精確測量—手持式裝置電池工作期間的耗用電流

下面的波形(圖3)代表手持式裝置電池工作期間的耗用電流。要求是測量脈沖的平均直流值一僅在脈沖持續期間。這一脈沖沒(méi)有可用作同步外觸發(fā)的相關(guān)5V邏輯信號事件。最初會(huì )想到用大量高速測量捕獲這一異步事件是唯一可行的解決方案，繼而在計算機中處理波形得到結果。

對帶有模擬電平觸發(fā)的數字萬(wàn)用表而言，這是相對簡(jiǎn)單的測量。不需要由外部TTL脈沖啟動(dòng)觸發(fā)。把該數字萬(wàn)用設置為在脈沖上升沿的某一點(diǎn)(量程百分數)處觸發(fā)。用觸發(fā)延遲保證測量在脈沖的“平坦”部分開(kāi)始，把模數轉換器積分時(shí)間設置為能最大化測量精度，而不超出脈沖寬度持續時(shí)間的值。在這一例子中，對觸發(fā)電平的100μs延遲把測量起點(diǎn)放在上升沿通過(guò)后。數字萬(wàn)用能用1ms積分時(shí)間進(jìn)行6l/2位的測量。此外，任何DC 測量都允許用峰峰測量功能捕獲信號的峰峰成分，如前面的例子所述。

用直接采樣ACV測試熒光燈的鎮流器

在熒光燈關(guān)閉時(shí)，燈管內的水銀/蒸汽混合物號是不導電的。在加電時(shí)，需要用300VAC的電壓?jiǎn)?dòng)水銀輻射的氣體放電。通過(guò)低壓水銀蒸汽的電流放射紫外光。內部磷涂層有效地把大部分紫外光轉換成可見(jiàn)光。根據燈管的瓦數，啟動(dòng)后只需要用低得多的電壓，通常為100VAC至175VAC的電壓保持放電。

需要用數字萬(wàn)用表測試鎮流器電壓，以保證向燈管施加正確的電壓。這是一項ACV測量。許多數字萬(wàn)用表，在A(yíng)CV測量時(shí)都使用模擬RMS轉換器。雖然這些轉換器能夠測量高達1MHz的頻率成分，但不能告訴數字萬(wàn)用表有關(guān)輸入中存在短持續期高壓尖峰的情況。這些短持續期尖峰對RMS成分的影響很小，因此得到的電壓測量結果與預計電壓可能有相當大的偏差。

例如，鎮流器除了起輝所需的300VAC信號外，還可能產(chǎn)生lkV甚至更高的尖峰。數字萬(wàn)用表得到的讀數可能為300VAC，偶而也讀到301VAC。測試系統就認為一切良好—都在容限以?xún)?。但卻沒(méi)有看到巨大的電壓尖峰對數字萬(wàn)用表輸入部分的沖擊。如果數字萬(wàn)用表沒(méi)有有效的輸入保護，在連續沖擊下的輸入電路就有可能損壞。

該數字萬(wàn)用表用直接采樣技術(shù)進(jìn)行AC RMS測量。相對于模擬RMS計算，直接采樣技術(shù)帶來(lái)了四項好處：10倍快的AC測量，對高頻正弦波的精度改進(jìn)，峰峰信息，以及波峰因素不會(huì )使精度降級。

對輸入信號的過(guò)采樣能檢測到窄而高的電壓尖峰，使數字萬(wàn)用表能夠把尖峰作為過(guò)載錯誤條件響應。這一信息告訴測試工程師在數字萬(wàn)用表的接線(xiàn)或鎮流器內有問(wèn)題存在。解決方案非常簡(jiǎn)單，只需在夾具中增加一級濾波，以抑制到達數字萬(wàn)用表輸入端的尖峰?？傊?，測試工程師可從數字萬(wàn)用表提供的信息“看到”信號中的真實(shí)成分。直接采樣AC技術(shù)提供對信號成分的可視能力，并能同時(shí)進(jìn)行有效值和峰值測量。

可測試手持式裝置各種工作條件下的耗用電流—能類(lèi)似示波器波形捕獲的電平觸發(fā)

宇航和汽車(chē)應用有大量的機電信號。它們來(lái)自振動(dòng)、拉伸和壓縮試驗臺的機械部件。這些信號的頻率成分相當低，通常低于8kHz。例如典型加速度計的帶寬為2.5kHz。對于這種類(lèi)型的信號(見(jiàn)圖4所示)，數字萬(wàn)用表提供具有如下能力的波形捕獲：50kHz采樣率41/2位，使用低抖動(dòng)的采樣定時(shí)器；相對平坦的帶寬響應(0.1dB，3kHz；0．6dB，8kHz)；模擬電平觸發(fā)；預觸發(fā)和后觸發(fā)采樣；1M讀數保存；270k讀數/秒訪(fǎng)問(wèn)讀數保存。

除了物理量測量外，功能測試應用中產(chǎn)生的電信號通常也低于8kHz：300Hz至3kHz的語(yǔ)音信號，手持式裝置，例如移動(dòng)電話(huà)、數碼相機或PDA中的電池耗用電流，以及其它低頻成分的信號。在電子工業(yè)中經(jīng)常需要進(jìn)行手持式裝置耗用電流測量：因為長(cháng)的電池壽命是客戶(hù)滿(mǎn)意度的一項重要因素。了解手持式裝置各種工作條件下的耗用電流是非常重要的。

一些電源能夠采樣向被測裝置提供的電流波形-并達到微安級的精度。例如AgilentN6700電源就有這樣的能力。但這種測量?jì)H限于電源輸出的電流。當測試系統確定從電池流出過(guò)大的電流時(shí)，測試手持式裝置各部分的許多其它測試點(diǎn)看到的應是好或是不好、需要多長(cháng)時(shí)間。這就要求波形捕獲檢查電流的定時(shí)。

圖4中的波形是數碼相機的耗用電流，它僅在拍照時(shí)激活。此時(shí)它是電流分路器上的電壓。波形代表著(zhù)自動(dòng)聚焦的機械運動(dòng)、處理照片、驅動(dòng)顯示和狀態(tài)LED，以及把結果保存在Flash存儲器中。該數字萬(wàn)用表的電平觸發(fā)適用于任何測量功能。此時(shí)的DCV的測量以50K采樣/秒進(jìn)行。對于1M 讀數，能以這樣的速率保存20s的數據。預觸發(fā)和后觸發(fā)允許您圍繞事件建立類(lèi)似示波器的波形捕獲。數字萬(wàn)用表將進(jìn)行連續測量，直至遇到電平觸發(fā)。它會(huì )保留測量的預觸發(fā)計數，然后開(kāi)始后觸發(fā)測量計數。這是等待異步事件的一項極好技術(shù)，在預觸發(fā)計數與后觸發(fā)計數間不存在測量的不連續。

使用多臺數字萬(wàn)用表的直接接到傳感器上同時(shí)測量

在汽車(chē)和航空航天行業(yè)，往往需要同時(shí)測量放置在機電設備上的多個(gè)傳感器。在使用開(kāi)關(guān)，特別是FET(場(chǎng)效應管)開(kāi)關(guān)時(shí)，要對高壓進(jìn)行不經(jīng)衰減的高速掃描是非常困難的。實(shí)現對極為不同電壓電平信號的高速掃描，或運行不同的測量功能也都是非常困難的。在這類(lèi)情況下，可把多臺高性能數字萬(wàn)用表直接接到傳感器上，并把所有的外觸發(fā)輸入并行地接到同一觸發(fā)事件(見(jiàn)圖5所示)。

高性能數字萬(wàn)用表通過(guò)外觸發(fā)輸入的硬件耦合接到測量引擎。測量反應時(shí)間或抖動(dòng)小于1μs，因此多臺以50K讀數/秒運行的數字萬(wàn)用表實(shí)際上能在同一時(shí)刻開(kāi)始采樣。該每臺數字萬(wàn)用表保存1M讀數，即并行地保存20秒的捕獲數據。用4臺數字萬(wàn)用表實(shí)現200K讀數/秒的有效讀數率，然后從每臺數字萬(wàn)用表讀數保存中連續地以50K速率，或以270K讀數/秒的突發(fā)速率取出讀數。

這一應用的獨特之處您是可向同事借用這4臺數字萬(wàn)用表。它設置容易，并能把設置狀態(tài)復制到每一臺儀器，100MbitLAN或USB 2.0接口能容易地實(shí)現這一數據率。

如何設置快速直流測量

控制直流測量速度有5項要素：自動(dòng)歸零，自動(dòng)量程，積分時(shí)間，自動(dòng)觸發(fā)延遲，峰值測量。

自動(dòng)歸零、自動(dòng)量程和峰值測量都有內部軟件指導下的機械裝置執行，用以控制數字萬(wàn)用表內部的運行。這一動(dòng)作在最好條件下也被限制于2000讀數/秒。為實(shí)現高于2K讀數/秒的讀數率，必須選擇固定量程和禁用峰值測量，關(guān)斷自動(dòng)歸零。

自動(dòng)歸零在每次測量施加信號后進(jìn)行。內部電路不介入施加信號，而把輸入端至模數轉換器的信號通路短路。測量所存在的偏移，并將其從實(shí)際測量結果中扣除。這意味著(zhù)每次測量都要取兩個(gè)讀數。關(guān)斷自動(dòng)歸零可節省時(shí)間，因為此時(shí)只進(jìn)行一次測量，并且沒(méi)有軟件和機械裝置的參與。

自動(dòng)量程對施加信號進(jìn)行預先測量，以嘗試和確定能實(shí)現最高分辨率測量的最佳量程。這些數字萬(wàn)用表的自動(dòng)量程非?？?，能容易地跟蹤120Hz信號。但當從10V或10MΩ量程跳到更高量程時(shí)，自動(dòng)量程也需要較長(cháng)的時(shí)間。關(guān)斷自動(dòng)量程的同時(shí)也切斷了軟件和機械裝置參與。

積分時(shí)間是模數轉換器花在積分施加信號上的時(shí)間。高性能數字萬(wàn)用表的最小積分時(shí)間分別為100μs和20μs。積分時(shí)間分辨率為20μs；因此34411A的最高采樣率是50K讀數/秒-20μs積分時(shí)間。次高讀數率為25K讀數/秒-40μs積分時(shí)間。

自動(dòng)觸發(fā)延遲足可編程的設置。它是默認啟用的。在啟用后，數字萬(wàn)用表根據功能、量程和積分時(shí)間推薦一個(gè)延遲時(shí)間。這一延遲與觸發(fā)子系統有關(guān)。如果禁用，它就對所有功能禁用。

峰值測量在進(jìn)行精確直流測量時(shí)使用。此時(shí)的測量積分時(shí)間通常為一個(gè)或多個(gè)PLC，峰值測量可在61/2位直流測量時(shí)啟用，并仍能實(shí)現1000讀數/秒。

下面是實(shí)現DCV功能最高測量速度的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

電阻和溫度也可使用同樣的命令-但您必須把VOLT變?yōu)镃URR，RES，FRES或TEMP。

在進(jìn)行四線(xiàn)歐姆測量時(shí)也許不能關(guān)斷自動(dòng)歸零。溫度測量完全是電阻測量，可以是兩線(xiàn)或四線(xiàn)的測量。

如何設置快速交流測量

影響交流測量速度的關(guān)鍵因素是：AC濾波器設置，自動(dòng)量程，自動(dòng)觸發(fā)延遲。所有交流測量的速度都被限制為500讀數/秒或更低。根據上述三項因素的設置情況，測量可能會(huì )更慢。交流濾波器在所有交流測量中普遍被采用，它也是影響速度的最重要因素。

自動(dòng)量程對測量速度沒(méi)有明顯影響，直到高壓信號使執行繼電器改變量程。自動(dòng)觸發(fā)延遲對測量速度降低的影響主要取決于交流濾波器選擇。下面是實(shí)現ACV最高測量速度的SCPI(可編程儀器的標準命令)命令例子：

CONF：VOLT：AC

VOLT：AC：BAND 200

VOLT：AC：RANGE 1.0

TRIG：DELAY：AUTO OFF

TRIG：DELAY 0

ACI使用同樣的命令—只是用CURR代替VOLT。對于頻率來(lái)說(shuō)，FREQ：APER命令規定了0.001，0.01，0.1或1s的閘門(mén)時(shí)間，除AC濾波器選擇外，它也會(huì )影響讀數率。

峰峰測量不會(huì )減慢AC RMS測量。

內置的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器

高性能數字萬(wàn)用表配有內置的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器，它提供強有力的配置、診斷和編程工具。您需要的只是LAN連接、網(wǎng)絡(luò )瀏覽器和數字萬(wàn)用表的IP地址。只要您的計算機能夠訪(fǎng)問(wèn)eBay.com，也就能從任何地方訪(fǎng)問(wèn)高性能數字萬(wàn)用表。不需要使用其它軟件完成對數字萬(wàn)用表的配置。數字萬(wàn)用表可配置為DHCP(從外部主機得到IP地址)，AutoIP(數字萬(wàn)用表分配它自己的IP地址)，也可手動(dòng)分配IP。只要您知道這一IP地址，就能容易地把它送入網(wǎng)絡(luò )瀏覽器的URL。您可同時(shí)連接到3個(gè)網(wǎng)絡(luò )瀏覽器。

結論

高性能數字萬(wàn)用表提供如同臺式儀器的易用性，以及測試系統應用所必須的各項性能。無(wú)論所應用是需要一般性測量，精密直流和交流測量，捕獲機電機波形，或是高吞吐率和高程序執行速度均能覆蓋的眾多測量功能特能很好地滿(mǎn)足您的應用要求。

當今62/1高性能數字萬(wàn)用表己有幾家廠(chǎng)商可提供，有共性也有各自的特征，值此側重以Agilent的34410A和3441lA型為例作說(shuō)明。