深入了解NI PXI 4071 七位半數(shù)字萬用表架構(gòu)

1. 概述

NI在2002年發(fā)布了具有開創(chuàng)性的六位半FlexDMM PXI-4070。這個(gè)產(chǎn)品為工程師提供了傳統(tǒng)精密儀器中內(nèi)在測(cè)量挑戰(zhàn)的解決方案——改善有限的測(cè)量吞吐量和靈活性。FlexDMM通過能夠提供與售價(jià)數(shù)千美元的更高分辨率的數(shù)字萬用表（DMM）相媲美的測(cè)量吞吐量，克服了這些挑戰(zhàn)。NI在其發(fā)布之后，繼續(xù)對(duì)FlexDMM進(jìn)行創(chuàng)新，其中包括：

• 將最高速測(cè)量模式下的吞吐量提高了一倍
• 增加了1.8 MS/s的隔離高電壓數(shù)字化儀模式
• 發(fā)布了PXI-4070的PCI版本
• 發(fā)布了PXI-4072六位半FlexDMM和LCR儀表

最新的產(chǎn)品是NI PXI-4071七位半FlexDMM。全新的PXI-4071 FlexDMM提供了26比特精度和分辨率，與之前的FlexDMM設(shè)備相比，分辨率高出10倍，精度最多可提高60％。PXI-4071還提供了非常寬的測(cè)量范圍，如表1所示，因此您可以測(cè)量從±10 nV直至1000 V的直流電壓，±1 pA直至3 A的電流，10 µΩ直至5 GΩ的電阻，還能夠進(jìn)行頻率/周期測(cè)量以及二極管測(cè)量。FlexDMM具有隔離數(shù)字化儀模式特性，您能夠以高達(dá)1.8 MS/s的采樣速率，在所有電壓和電流模式下，對(duì)直流耦合波形進(jìn)行采集。本文檔提供了FlexDMM與傳統(tǒng)數(shù)字萬用表模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）以及體系結(jié)構(gòu)的詳細(xì)比較。

表1：FlexDMM輸入比較
1僅適用于PXI-4072

2. 傳動(dòng)數(shù)字萬用表的限制

傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表通常重視分辨率和精度，而不關(guān)注高速采集功能。當(dāng)然，作為一個(gè)基本的物理函數(shù)，在噪聲性能與速度之間有內(nèi)在局限性。電阻的Johnson噪聲是理論限制的一種，另外半導(dǎo)體設(shè)備技術(shù)還包含另一些實(shí)際局限性。但是您有許多其他選擇可以幫助您實(shí)現(xiàn)最高可能的測(cè)量性能。

某些專用的高分辨率數(shù)字萬用表能夠提供高分辨率和高采集速度，但是其價(jià)格十分昂貴，通常在8000美元左右，而且只能用于占用大量系統(tǒng)或工作臺(tái)空間的完整機(jī)架配置。
另一個(gè)數(shù)字萬用表速度限制是由傳統(tǒng)的硬件平臺(tái)驅(qū)動(dòng)的，即GPIB（IEEE 488）接口總線。自1970年以來使用的接口盡管是速度、靈活性和成本折中的產(chǎn)物，依然被公認(rèn)為是標(biāo)準(zhǔn)的接口。大多數(shù)傳統(tǒng)的“箱式”數(shù)字萬用表使用這個(gè)接口，雖然現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了使用USB和以太網(wǎng)等其他總線標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)數(shù)字萬用表。所有這些接口都通過將信息發(fā)送給儀器并等待響應(yīng)與數(shù)字萬用表進(jìn)行通信，這比在PXI模塊化儀器中使用的基于寄存器的訪問速度慢。

直至嘗試替換GPIB接口之后，數(shù)字萬用表在速度和精度的基本限制仍然是在這些產(chǎn)品中使用的ADC帶來的。為了更好地理解所使用的技術(shù)，您需要在性能方面進(jìn)行更為細(xì)致地分析。

雙斜坡ADC技術(shù)

從歷史角度來看，精確A/D轉(zhuǎn)換最古老但卻是最長用的形式之一是雙斜坡ADC。這個(gè)技術(shù)自1950年以來就一直被廣泛使用。它本質(zhì)上是一個(gè)兩步的過程：首先，輸入電壓（代表需要測(cè)量的信號(hào)）被轉(zhuǎn)換為電流，通過開關(guān)S1，施加在積分器的輸入上。當(dāng)積分器連接到輸入之后（積分循環(huán)或孔徑的開始），積分逐漸增加直至積分循環(huán)或孔徑的結(jié)束，這時(shí)輸入與積分器斷開連接?，F(xiàn)在，精確的已知電流通過開關(guān)S2連接到積分器上，積分器漸漸減小直至跨越零點(diǎn)。在這個(gè)時(shí)候，高分辨率的計(jì)數(shù)器開始測(cè)量積分器從開始下降至零點(diǎn)所花費(fèi)的時(shí)間。測(cè)量得到的時(shí)間相對(duì)于積分時(shí)間和參考是與輸入信號(hào)幅值成正比的。見圖1。

這個(gè)方法現(xiàn)在仍然用于許多高分辨率的數(shù)字萬用表中。它具有簡單性和精確性的優(yōu)點(diǎn)。延長積分次數(shù)，您可以將分辨率提高到理論限制。但是，以下設(shè)計(jì)局限將最終影響產(chǎn)品性能：

• 必須補(bǔ)償積分電容的電介質(zhì)吸收，即便對(duì)于需要復(fù)雜標(biāo)定過程的高質(zhì)量積分電容也需要補(bǔ)償。
• 和參考源一樣，信號(hào)必須通過門打開或關(guān)閉。這個(gè)過程可能會(huì)將電荷注入到輸入信號(hào)中。電荷注入可能會(huì)導(dǎo)致輸入相關(guān)的誤差（非線性），在較高分辨率下（六位半或更高）這些誤差難以補(bǔ)償。
• 下降時(shí)間大大降低了測(cè)量速度。下降速度越快，由比較延遲、電荷注入等帶來的誤差也會(huì)更大。

有些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在積分器之前使用跨導(dǎo)，將電壓轉(zhuǎn)化為電流，之后使用“電流驅(qū)動(dòng)”網(wǎng)絡(luò)將電荷注入降至最低。不幸的是，這個(gè)附加的模塊會(huì)引入額外的復(fù)雜度和可能的誤差。

盡管存在這些設(shè)計(jì)上的局限性，雙斜坡轉(zhuǎn)換器用于大量數(shù)字萬用表中，從最常見的工作臺(tái)或現(xiàn)場(chǎng)服務(wù)工具直至高精度、度量學(xué)級(jí)別的高分辨率數(shù)字萬用表。與大多數(shù)集成A/D技術(shù)相同，它們具有提供較好噪聲抑止的優(yōu)點(diǎn)。將積分周期設(shè)置為1/PLC（電源線頻率）的倍數(shù)，可以使A/D抑止線頻率噪聲——這是我們希望得到的結(jié)果。

使用下降A(chǔ)DC技術(shù)實(shí)現(xiàn)電荷平衡

許多制造商通過使用下降A(chǔ)/D技術(shù)實(shí)現(xiàn)電荷平衡，克服了雙斜坡轉(zhuǎn)換器的電介質(zhì)吸收和速度問題。這個(gè)技術(shù)在本質(zhì)上與雙斜坡相似，但是在積分周期中對(duì)參考信號(hào)施加了量化增量。這通常被稱為“調(diào)制”。每個(gè)增量代表了一定固定數(shù)量的最后計(jì)數(shù)。參閱圖2。

在積分階段，在圖2中用t孔徑表示，S1被打開，Vx被施加在R1上，它表示積分斜坡開始。反電流以固定間隔通過開關(guān)S2和S3進(jìn)行施加。這樣就可以“平衡”對(duì)C1的充電。每次將S5連接到VR的時(shí)候，都會(huì)產(chǎn)生測(cè)量計(jì)數(shù)。實(shí)際上，對(duì)于更高分辨率的測(cè)量（延長積分次數(shù)）而言，大多數(shù)計(jì)數(shù)是在t孔徑階段產(chǎn)生的。在電荷平衡階段的末尾，和雙斜坡轉(zhuǎn)換器的情形一樣，將對(duì)積分器施加一個(gè)精確的參考電流。積分器將逐漸下降直到跨越零點(diǎn)。測(cè)量是從在積分階段中積累的計(jì)數(shù)計(jì)算得到的，通過和在下降階段積累的計(jì)數(shù)的加權(quán)求和。制造商使用兩個(gè)或更多的下降參考，這樣可以得到更快的下降階段提高速度，還可以減緩“最終斜坡”得到更高的精度。

盡管您可以利用下降A(chǔ)/D的電荷平衡大大改進(jìn)積分電容的電介質(zhì)吸收問題，它還具有雙斜坡轉(zhuǎn)換器的性能優(yōu)點(diǎn)。（實(shí)際上，有些雙斜坡轉(zhuǎn)換器使用多個(gè)下降斜坡。）由于在電荷平衡階段產(chǎn)生的計(jì)數(shù)大大降低了任何下降誤差，因此大大提高了速度，下降速度也大大加快。然而，由于需要加載和釋放積分器，如果您進(jìn)行多個(gè)測(cè)量或者對(duì)一個(gè)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，就會(huì)出現(xiàn)顯著的死區(qū)時(shí)間。

這個(gè)類型的ADC自從1970年以來就已經(jīng)投入了商業(yè)使用，之后發(fā)生了巨大的演變。早期版本使用與電壓頻率轉(zhuǎn)換器相似的調(diào)制器。它們由于頻率寄生參數(shù)的作用，受到線性問題的影響，因此在轉(zhuǎn)換速度上受到了限制。在1980年中期，這個(gè)技術(shù)經(jīng)過改進(jìn)，包含了“常頻率”調(diào)制器，該技術(shù)直到今天還被廣泛使用。這大大提高了這些轉(zhuǎn)換器的最終性能和生產(chǎn)力。

Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器技術(shù)

Sigma-Delta轉(zhuǎn)換器又稱為噪聲整形ADC，最早是從電子通信業(yè)中發(fā)展起來的?，F(xiàn)在，這個(gè)技術(shù)已經(jīng)被廣泛用于作為多家制造商的商業(yè)成品A/D構(gòu)造模塊的基礎(chǔ)。在過去的十幾年中，盡管在這個(gè)領(lǐng)域中取得了長足的進(jìn)步（這是由在音頻與電子通信對(duì)高動(dòng)態(tài)范圍轉(zhuǎn)換不斷增長的需求所推動(dòng)的），大量的研究仍在不斷進(jìn)行中?，F(xiàn)在一些模塊化數(shù)字萬用表（PXI、PCI以及VXI）使用sigma-delta ADC作為采集引擎的核心。它們還常常用于對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化，用于：

• 動(dòng)態(tài)信號(hào)分析（DSA）
• 商業(yè)與消費(fèi)者音頻及語音
• 例如振動(dòng)、張力和溫度等物理參數(shù)，其中中頻數(shù)字化就已足夠

Sigma-delta轉(zhuǎn)換器的基本方塊圖如圖3所示。

Sigma-delta轉(zhuǎn)換器的基本構(gòu)造模塊是積分器、單比特ADC和DAC（數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器）以及數(shù)字濾波器。您可以通過將積分器環(huán)節(jié)與數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)組合在一起，完成噪聲整形。您有多種方法可以實(shí)現(xiàn)這些模塊。關(guān)于積分器環(huán)節(jié)、數(shù)字濾波器環(huán)節(jié)以及A/D與D/A轉(zhuǎn)換器比特等等的最佳個(gè)數(shù)存在不同的意見。但是，基本的工作構(gòu)造單元仍然是基本相似的。調(diào)制器由單比特電荷平衡反饋回路組成，它與之前所描述的相似。由于單比特ADC具有良好的內(nèi)在精度和單調(diào)性，它是得到良好線性性的關(guān)鍵。

使用商業(yè)可用的sigma-delta轉(zhuǎn)換器有許多優(yōu)點(diǎn)：

• 它們能夠大致達(dá)到線性，并且提供良好的差分線性性（DNL）
• 您可以非常有效地控制信號(hào)噪聲
• 它們能夠進(jìn)行自我采樣和跟蹤（無需采樣與保持電路）
• 它們通常成本較低

但是，使用高分辨率數(shù)字萬用表的商業(yè)sigma-delta ADC具有一些局限性：

• 由于通過數(shù)字濾波器帶來的流水線延遲導(dǎo)致的速度限制，特別是在掃描應(yīng)用中
• 盡管通常是線性、低噪聲的，制造商規(guī)格會(huì)將精度限制為五位半（19比特）
• 調(diào)制“基調(diào)”可能進(jìn)入通帶中，在高分辨率下導(dǎo)致問題
• 不能很好的控制采樣過程中速度-噪聲折中、采集時(shí)間等

3. NI FlexDMM技術(shù)

FlexADC是NI FlexDMM家族（PXI-4072、PXI-4071、PXI-4070以及PCI-4070）的核心。FlexADC提供了需要實(shí)現(xiàn)高速高精度測(cè)量的噪聲、線性、速度和靈活性。在圖4中顯示的FlexADC是基于商業(yè)高速ADC技術(shù)和定制的sigma-delta轉(zhuǎn)換器的組合實(shí)現(xiàn)的。這個(gè)組合為高達(dá)七位半的精度和穩(wěn)定性對(duì)線性和噪聲進(jìn)行了優(yōu)化，還提供了高達(dá)1.8 MS/s的數(shù)字化采樣速率。

圖4中的方塊圖給出了FlexADC如何工作的簡化模型。在低速下，電路利用了sigma-delta轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)。反饋DAC是為實(shí)現(xiàn)極低的噪聲和卓越的線性性而設(shè)計(jì)的。低通濾波器提供了在所有分辨率下實(shí)現(xiàn)高效性能所必須的噪聲整型。由于超高精度的1.8 MS/s的調(diào)制器提供了極高的分辨率，所以并不需要使用下降電路。1.8 MS/s的調(diào)制器與快速采樣ADC可以在高速條件下結(jié)合在一起，提供了連續(xù)采樣數(shù)字化。數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）提供了實(shí)時(shí)序列、標(biāo)定、線性化、交流真實(shí)rms計(jì)算、抽取以及用于直流函數(shù)的加權(quán)噪聲濾波器。

FlexADC具有以下優(yōu)點(diǎn)：

• FlexDMM獨(dú)特的體系結(jié)構(gòu)在七位半分辨率下提供7 S/s直至在四位半分辨率下提供10 kS/s的連續(xù)可變讀取速率，如圖5所示。
• 您可以將FlexADC作為數(shù)字化儀以最高1.8 MS/s的采樣速率進(jìn)行工作。
• 由于使用了定制的sigma-delta調(diào)制器，噪聲定型與數(shù)字濾波為數(shù)字萬用表和數(shù)字化儀應(yīng)用使用進(jìn)行了優(yōu)化。
• 與其他ADC轉(zhuǎn)換技術(shù)不同，無需將輸入信號(hào)打開或關(guān)閉。因此，您可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)信號(hào)采集。
• 您可以實(shí)現(xiàn)直接ACV轉(zhuǎn)換和頻率響應(yīng)標(biāo)定，而無需使用傳統(tǒng)的模擬交流Trms轉(zhuǎn)換器和用于平整度修正的模擬“修邊器”。
• 通過使用合適的噪聲成型算法，您可以大大降低在所有函數(shù)中的輸入信號(hào)噪聲（見直流噪聲抑止）。
• 在對(duì)信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化之后，您可以用NI LabVIEW軟件實(shí)現(xiàn)基于主機(jī)的高級(jí)函數(shù)，從而得到幾乎沒有窮盡的信號(hào)特征選項(xiàng)（快速傅立葉變換、計(jì)算阻抗、交流峰值系數(shù)、峰值、交流平均等等）。

表2比較了四種ADC的體系結(jié)構(gòu)：

4. 低噪聲、高可靠性的前端體系結(jié)構(gòu)

所有FlexDMM都帶有最為穩(wěn)定的板載參考源。FlexDMM作為電壓參考源可以使用能夠提供卓越性能的著名的熱穩(wěn)定參考源。這個(gè)電壓參考源經(jīng)過熱屏蔽，可以提供最佳性能。最后得到的最大參考溫度系數(shù)小于0.3 ppm/ºC。這個(gè)設(shè)備的時(shí)間穩(wěn)定性在8 ppm/年這個(gè)數(shù)量級(jí)上。在相同價(jià)格范圍內(nèi)的其他數(shù)字萬用表都無法提供這個(gè)參考源及由其所帶來的穩(wěn)定性。這就是FlexDMM提供兩年精度保證的原因。

電阻函數(shù)是以一個(gè)10 kΩ高度穩(wěn)定的金屬絲電阻為參考的，它原來是為要求嚴(yán)格的航天應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。這個(gè)組件的溫度系數(shù)低于0.8 ppm/ºC，時(shí)間穩(wěn)定性小于25 ppm/年。

固態(tài)輸入信號(hào)調(diào)理

在大多數(shù)傳統(tǒng)數(shù)字萬用表中的主要測(cè)量誤差源是電磁繼電開關(guān)。由于接觸感應(yīng)的熱電壓偏置可能會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定和漂移。FlexDMM設(shè)備去掉了除了DCV、ACV和電阻回路中的一個(gè)繼電器之外所有的繼電器。在這個(gè)繼電器中，特殊的繼電器接觸配置能夠抵消熱誤差。這個(gè)繼電器只有在自我標(biāo)定的時(shí)候才打開。所有用于函數(shù)和范圍變換的測(cè)量相關(guān)的開關(guān)都是由低溫、高可靠性的固態(tài)開關(guān)完成的。因此，電磁繼電器老化問題能夠完全消除。圖6顯示了最為靈敏范圍100 mV范圍內(nèi)，一晝夜的性能漂移。每個(gè)分割是500 nV。在相同條件下，使用傳統(tǒng)的六位半數(shù)字萬用表和全機(jī)架八位半數(shù)字萬用表的相同測(cè)量結(jié)果如圖6所示。

線性性

線性性作為數(shù)字萬用表傳遞函數(shù)“質(zhì)量”的度量，在轉(zhuǎn)換組件特征應(yīng)用中十分重要，能夠提供相比商用ADC更好的DNL與INL（基本非線性性）性能。FlexADC是為保持DNL和INL的良好線性性而設(shè)計(jì)的。由于線性性決定了自我標(biāo)定功能的可重復(fù)性，因此十分重要。圖7曲線展示了在10 V范圍內(nèi)，從-10 V到+10 V測(cè)量得到的典型FlexDMM線性性曲線。

傳統(tǒng)的六位半和七位半數(shù)字萬用表是在特定溫度下標(biāo)定的，標(biāo)定是在一定限制的溫度范圍內(nèi)完成的，通常為±5 ºC（在某些情形下甚至是±1 ºC）。因此，在數(shù)字萬用表在這個(gè)溫度范圍之外使用時(shí)，由于溫度系數(shù)的影響，其精度規(guī)格也會(huì)降低，通常對(duì)于每ºC，精度規(guī)格大約降低10％。因此，在指定范圍之外10 ºC左右，就可能產(chǎn)生指定測(cè)量誤差兩倍的誤差，這在需要絕對(duì)精度的情形下是個(gè)嚴(yán)重的問題。

如果溫度變化超出了這些范圍，同時(shí)還需要嚴(yán)格的誤差規(guī)格，就需要在新的溫度下進(jìn)行重新標(biāo)定。舉例而言，對(duì)于傳統(tǒng)七位半數(shù)字萬用表的10 VDC范圍，數(shù)字萬用表可能具有如下精度：
一年精度：對(duì)于溫度 = 23±5 ºC（讀數(shù)24 ppm + 范圍 4 ppm）

在這種規(guī)格下，如果您在輸入施加5 V，得到的誤差是：
5 V 的24 ppm + 10 V的4 ppm = 160 µV，在溫度范圍18至28 ºC

這是一種指定精度的傳統(tǒng)方法。如果環(huán)境溫度超出了18至28 ºC的范圍，您就需要使用溫度系數(shù)（tempco）對(duì)精度“降級(jí)”。要在18至28 ºC的范圍之外得到指定精度的唯一傳統(tǒng)方法是對(duì)系統(tǒng)在期望溫度下進(jìn)行完全重新標(biāo)定。當(dāng)然，這通常是不現(xiàn)實(shí)并且昂貴的。在上述例子中，可能由于將大量儀器堆放在一起，但是通風(fēng)不佳，數(shù)字萬用表的環(huán)境溫度是50 ºC，那么溫度系數(shù)為：
溫度系數(shù) = (讀數(shù)2 ppm +范圍1 ppm)/ºC，額外誤差為：

22 ºC x 溫度系數(shù) = (讀數(shù)44 ppm +范圍22 ppm)，即600 µV的總不確定性。在50 ºC環(huán)境溫度下，誤差可能比指定的一年精度差四倍。

確保PPM級(jí)別的精度

為了消除由于這些效應(yīng)導(dǎo)致的誤差，所有FlexDMM設(shè)備都為直流電壓（VDC）、電阻、二極管和數(shù)字化儀模式提供了專用自我標(biāo)定功能。由于以下原因，這個(gè)功能是重要的：

1、自我標(biāo)定功能修正所有的信號(hào)路徑增益和數(shù)字萬用表內(nèi)部的偏置誤差，調(diào)整為之前描述過的精確高穩(wěn)定性的內(nèi)部電壓參考源。

2、自我標(biāo)定對(duì)于所有電阻電流源、增益和偏置誤差都是有效的。對(duì)于電阻而言，所有誤差都按照內(nèi)部單一的10 kW精確電阻進(jìn)行修正。

3、自我標(biāo)定需要一分鐘，并且對(duì)所有范圍的電壓、電阻和數(shù)字化儀功能進(jìn)行重新標(biāo)定。在傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表中，完成這個(gè)功能需要10分鐘以上。

使用自我標(biāo)定，即便是在傳統(tǒng)的18至28 ºC之外的溫度范圍，也可以得到可用于任何工作溫度的精確穩(wěn)定的數(shù)字萬用表。對(duì)于上述實(shí)例而言，使用自我標(biāo)定由于溫度系數(shù)帶來的額外誤差，將完全適用于90天和兩年規(guī)格：

使用自我標(biāo)定的溫度系數(shù)：< (讀數(shù)0.3 ppm + 范圍0.01 ppm)/ºC
這代表了在整個(gè)FlexDMM的工作溫度范圍內(nèi)精度的大幅提升。表3總結(jié)了這些結(jié)果。

表3：實(shí)例總結(jié)——在10 V范圍內(nèi)測(cè)量5 V的不確定性分析

注意使用帶有自我標(biāo)定功能的FlexDMM在50 ºC下的精度，相比傳統(tǒng)方法而言提高了七倍。表4將自我標(biāo)定與傳統(tǒng)的“工廠”標(biāo)定進(jìn)行了比較。

表4：標(biāo)定比較

6. 電壓測(cè)量體系結(jié)構(gòu)

在提供高穩(wěn)定性、度量等級(jí)的直流和交流電壓功能時(shí)，并沒有對(duì)其它方面折衷。使FlexDMM能夠達(dá)到這樣性能的幾個(gè)重要因素包括：

• 微型表面安裝、高性能、精確組件的可用性和質(zhì)量在過去的10年中得到了巨大的提高
• 尺寸更小并且緊密排列的電子封裝實(shí)際上提高了性能，尤其是在精確組件之間的熱量跟蹤
• 為ACV計(jì)算和頻率響應(yīng)標(biāo)定使用FlexADC和DSP將信號(hào)調(diào)理簡化為一個(gè)公共通道，因此減少了組件、復(fù)雜性和切換
• 不使用“前—后”開關(guān)（在箱式數(shù)字萬用表中十分常見），簡化了輸入布局，降低了關(guān)鍵電路信號(hào)路徑阻抗，提高了信號(hào)完整度
• 作為PXI系統(tǒng)機(jī)箱中的常見組件，電源在測(cè)量模塊上不占用空間

高電壓體系結(jié)構(gòu)

使用NI PXI-4071，您可以測(cè)量1000 VDC以及CAT I級(jí)別下的700 VAC Trms。為了在超小型PXI模塊中精確測(cè)量1000 V，您必須考慮組件故障、電壓分離、衰減器設(shè)計(jì)以及前端電路的功率耗散限制。

單一10 MΩ輸入衰減器

過去，數(shù)字萬用表在前端信號(hào)調(diào)理電路中使用1 MΩ和10 MΩ衰減器。1 MΩ衰減器用于為700 VAC信號(hào)提供信號(hào)調(diào)理，消耗超過0.5 W。對(duì)于微型精確組件而言，這是一個(gè)困難的要求。控制溫度系數(shù)帶來的誤差對(duì)于較大的組件而言也是一項(xiàng)挑戰(zhàn)。因此，需要避免使用1 MΩ衰減器。另一個(gè)在傳統(tǒng)數(shù)字萬用表中使用1 MΩ衰減器的原因是寬交流帶寬。傳統(tǒng)的10 MΩ衰減器設(shè)計(jì)無法達(dá)到1 MΩ衰減器設(shè)計(jì)相同的交流帶寬等級(jí)。

PXI-4071 FlexDMM利用創(chuàng)新的分級(jí)設(shè)計(jì)去掉了在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中降低寬帶寬性能的衰減器電容。這個(gè)環(huán)節(jié)在圖8中顯示，經(jīng)過仔細(xì)的設(shè)計(jì)和布局，最小化寄生電容，能夠負(fù)載輸入衰減器網(wǎng)絡(luò)RN的100 kΩ衰減器。使用附加的由R1-R4以及U1構(gòu)成的分級(jí)環(huán)節(jié)，可以確保平穩(wěn)的階躍響應(yīng)。更為重要的是得到的特征響應(yīng)與單極RC十分接近，這對(duì)于數(shù)字化儀和直流階躍響應(yīng)是十分重要的。

圖8：PXI-4071分級(jí)環(huán)節(jié)

第二，PXI-4071使用數(shù)字交流DSP平整度修正，在不使用補(bǔ)償電容的情況下，對(duì)殘余衰減器平整度進(jìn)行補(bǔ)償。在要求單一衰減器能夠完成交流rms、精確直流和數(shù)字化儀信號(hào)的情況下，這兩種補(bǔ)償方法與其他方法相比，帶來了數(shù)量級(jí)上的提升。

組件故障與電壓分離

高電壓測(cè)量最嚴(yán)峻的問題是范圍選擇開關(guān)（繼電器）故障。過去，數(shù)字萬用表使用高電壓繼電器。高電壓繼電器開關(guān)與高可靠性很難在同一個(gè)封裝中同時(shí)得到，更不用說在微型封裝中了。

為了滿足這兩個(gè)要求，PXI-4071實(shí)現(xiàn)了全新的固態(tài)設(shè)備用于范圍選擇。在關(guān)閉狀態(tài)下，它能夠承受1000 V以上的電壓。這個(gè)設(shè)備不存在傳統(tǒng)電磁繼電器的可靠性問題，因?yàn)椴淮嬖诟唠妷洪_關(guān)容易破壞的接觸部分，也不存在接觸壽命限制。固態(tài)輸入信號(hào)調(diào)理的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)是優(yōu)秀的低壓直流熱性能，在不足5000美元的設(shè)備中，這種1000 V數(shù)字萬用表組合是史無前例的。

通過使用固態(tài)高壓開關(guān)，避免使用1 MW分割器，使用DSP避免使用標(biāo)定組件，您可以在增加板卡表面區(qū)域可用性的情況下，滿足電壓間距的要求。您現(xiàn)在可以對(duì)布局進(jìn)行調(diào)節(jié)，滿足CAT I對(duì)1000 V PXI儀器的要求。

直流噪聲抑止

直流噪聲抑止是在所有FlexDMM設(shè)備上用于直流測(cè)量的專用NI特性。FlexDMM返回的每個(gè)讀數(shù)實(shí)際上是多個(gè)高速采樣的數(shù)學(xué)結(jié)果。通過調(diào)節(jié)這些采樣的相對(duì)加權(quán)，您可以調(diào)節(jié)對(duì)不同干擾頻率的靈敏度。有三種不同的加權(quán)方式可以使用——普通、二階、高階。

普通

如果您選擇普通直流噪聲抑止，所有采樣平等地進(jìn)行加權(quán)。這個(gè)過程與大多數(shù)傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表相似，提供了f0倍數(shù)頻率下的良好抑止，其中f0= 1/t孔徑，孔徑時(shí)間對(duì)于測(cè)量是選定的。圖9顯示了普通加權(quán)和噪聲抑止結(jié)果關(guān)于頻率的函數(shù)。注意僅在靠近f0倍數(shù)的頻率下可以得到較好的抑止。

二階

二階直流噪聲抑止對(duì)測(cè)量采樣使用了三角加權(quán)，如圖10所示。注意在f0的偶數(shù)倍頻下得到了非常好的抑止，同時(shí)相比普通采樣加權(quán)而言，隨著頻率增加，抑止提高得很快。請(qǐng)注意，響應(yīng)范圍相比普通加權(quán)更寬，這樣可以在噪聲頻率下對(duì)輕微變化得到更低的靈敏度。如果您希望得到比普通直流噪聲抑止更好的電源線噪聲抑止，您可以使用二階直流噪聲抑止，但是無法通過降低采樣速度得到高階噪聲抑止。舉例而言，對(duì)于60 Hz的電源線頻率，您可以將孔徑設(shè)置為33.333 ms。

高階

圖11顯示了高階采樣加權(quán)和得到的噪聲抑止關(guān)于頻率的函數(shù)。請(qǐng)注意噪聲抑止從4f0附近開始加強(qiáng)，在4.5f0以上變得很強(qiáng)。使用高階直流噪聲抑止，在高于4.6f0的任何頻率下，對(duì)于噪聲幾乎沒有靈敏度。在任何高于46 Hz的頻率，帶有高階直流噪聲抑止、100 ms孔徑（10讀數(shù)/s）的FlexDMM能夠在電壓范圍10V，干擾電源線噪聲大于1 V的情況下，提供完全的六位半精度。這相當(dāng)于普通模式抑止模式高于110 dB的水平，對(duì)電源線頻率的變化不敏感。

表5總結(jié)了三種直流噪聲抑止設(shè)置之間的不同。

表5：直流噪聲抑止設(shè)置

交流電壓測(cè)量

交流信號(hào)通常用rms幅值表示，這是其總能量的度量。RMS代表均方根；要計(jì)算一個(gè)波形的均方根，您必須對(duì)信號(hào)電平的平方求平均值，然后取其平方根。盡管大多數(shù)數(shù)字萬用表使用模擬域的非線性信號(hào)處理，F(xiàn)lexDMM使用板載DSP計(jì)算交流波形數(shù)字化采樣的rms數(shù)值。結(jié)果是安靜、精確、快速穩(wěn)定的交流讀數(shù)。數(shù)字算法自動(dòng)抑止信號(hào)中的直流分量，使它能夠繞過穩(wěn)定較慢的輸入電容器。為了測(cè)量包含大直流偏置的小交流電壓——例如直流電源的紋波，F(xiàn)lexDMM提供了標(biāo)準(zhǔn)交流電壓模式，耦合電容能夠消除偏置，因此FlexDMM可以使用最靈敏的范圍。

FlexDMM使用的rms算法要求波形的四個(gè)周期（循環(huán)）得到一個(gè)穩(wěn)定的讀數(shù)。舉例而言，它要求4 ms的測(cè)量孔徑，精確測(cè)量一個(gè)1 kHz正弦波形。這個(gè)方法帶來的優(yōu)點(diǎn)是能夠提高系統(tǒng)性能。使用傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表，必須要等待模擬Trms轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定，之后才能進(jìn)行測(cè)量。使用FlexDMM，則不會(huì)產(chǎn)生Trms轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定時(shí)間。FlexDMM能夠更快得到交流讀數(shù)的優(yōu)點(diǎn)在使用開關(guān)的系統(tǒng)中十分明顯。

進(jìn)行rms計(jì)算的數(shù)字方法也提供了精確的優(yōu)點(diǎn)。這個(gè)算法與峰值系數(shù)全然無關(guān)，并能夠得到十分穩(wěn)定的讀數(shù)。傳統(tǒng)的數(shù)字萬用表能夠確保交流精度是整個(gè)量程的10％，F(xiàn)lexDMM確保交流精度是整個(gè)量程的1％，甚至在全量程0.1％以下，也可以得到有效讀數(shù)。

7. 電流測(cè)量體系結(jié)構(gòu)

擴(kuò)展數(shù)字萬用表電流測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍是為了滿足不斷增長的用戶需求。在大電流端，您可能需要監(jiān)視電池、電路或是電磁設(shè)備負(fù)載性能?，F(xiàn)在的集成電子設(shè)備需要更多功率。因此，對(duì)高于1 A的設(shè)備進(jìn)行測(cè)試和特征分析的需求正在增加。在小電流端，許多現(xiàn)在的應(yīng)用程序，例如半導(dǎo)體設(shè)備“關(guān)閉”特性需要達(dá)到微安或納安的水平。

PXI-4071能夠通過實(shí)現(xiàn)全新的固態(tài)電流測(cè)量配置，能夠提供從1 µA至3 A的八種直流電流范圍和從100 µA至3 A的六個(gè)交流rms電流范圍。1µA范圍能夠提供達(dá)到1 pA（10-12A）的靈敏度。要同時(shí)提供大電流和小電流支持需要一種獨(dú)特的電路設(shè)計(jì)方法。高電壓、過流保護(hù)和低泄漏測(cè)量在歷史上是互相排斥的。FlexDMM實(shí)現(xiàn)了獨(dú)特的設(shè)計(jì)方法，在圖12中給出了方塊圖。這張大大簡化的示意圖顯示了在PXI-4071中使用的五個(gè)電流范圍。

圖12：簡化的PXI-4071電流信號(hào)調(diào)理

為電流范圍選擇使用固態(tài)設(shè)備，可以在較小的物理空間中達(dá)到更高的可靠性和改進(jìn)的保護(hù)。此外，兩種電流范圍選擇設(shè)備Q3以及Q4，實(shí)際上是在過載時(shí)工作，從而可以保護(hù)高穩(wěn)定性的電流傳感電阻，為最為苛刻的應(yīng)用提供所需的魯棒性。

8. 1.8 MS/s隔離數(shù)字化儀體系結(jié)構(gòu)

PXI-4071 FlexDMM還具有對(duì)高達(dá)1000 VDC和700 VAC（1000 Vp）輸入，以最大采樣速率1.8 MS/s采集直流耦合波形的功能。您可以簡單地改變采樣率，將數(shù)字化儀分辨率從10比特提高到23比特，如圖13所示。有了隔離數(shù)字化儀功能，由于不必購買分離的數(shù)字化儀，減小了測(cè)試系統(tǒng)尺寸和維護(hù)成本，F(xiàn)lexDMM能夠最小化整體測(cè)試系統(tǒng)成本。

通過將LabVIEW圖形化開發(fā)軟件與FlexDMM的隔離數(shù)字化儀模式結(jié)合在一起，您可以在時(shí)域和頻域中分析瞬態(tài)和其他不重復(fù)高壓交流波形。其他高分辨率數(shù)字萬用表都不會(huì)具有此項(xiàng)功能。

舉例而言，汽車行業(yè)中常用的應(yīng)用是測(cè)量點(diǎn)火線圈的回掃電壓。點(diǎn)火線圈使用高電壓驅(qū)動(dòng)引擎中的火花塞，是用主線圈和次級(jí)線圈構(gòu)成的。次級(jí)線圈通常比主線圈的圈數(shù)多，因?yàn)橄鄬?duì)于主線圈的圈數(shù)比乘以電壓可以得到輸出電壓。當(dāng)電流突然消失時(shí)，磁場(chǎng)的變化會(huì)在次級(jí)線圈上感應(yīng)出一個(gè)大電壓（+20,000 V）。這個(gè)電壓被傳送至火花塞。

由于在次級(jí)線圈上的電壓非常高，測(cè)試實(shí)際上是在主線圈上完成的。根據(jù)點(diǎn)火線圈不同，回掃波形通常在10µs數(shù)量及和40至400 V的峰值電壓。在這個(gè)波形上完成的測(cè)量通常是峰值點(diǎn)火電壓、保留時(shí)間和結(jié)束時(shí)間。使用FlexDMM數(shù)字化儀功能和LabVIEW分析函數(shù)，您可以建立回掃電壓測(cè)量系統(tǒng)。

隔離數(shù)字化儀的優(yōu)點(diǎn)

有了隔離特性，您可以安全地在存在大共模信號(hào)的情況下，對(duì)小電壓進(jìn)行測(cè)量。隔離的三大優(yōu)點(diǎn)是：

• 增強(qiáng)抑止——隔離提高了測(cè)量系統(tǒng)抑止共模電壓的能力。共模電壓是“共同”存在與測(cè)量設(shè)備正級(jí)輸入和負(fù)極輸入，但并非測(cè)量信號(hào)一部分的信號(hào)。舉例而言，共模電壓在燃料電池中一般為數(shù)百伏特。
• 改進(jìn)安全性——隔離建立了絕緣屏障，您可以在保護(hù)設(shè)備免受大瞬態(tài)電壓毛刺的影響，進(jìn)行浮動(dòng)測(cè)量。適當(dāng)隔離的測(cè)量電路通?？梢猿惺芨哂? kV的毛刺。
• 提高精度——隔離通過防止物理接地回路，提高了測(cè)量精度。接地回路是常見的誤差和噪聲源，是因?yàn)闇y(cè)量系統(tǒng)包含多個(gè)不同電勢(shì)的地帶來的結(jié)果。

9. 電阻測(cè)量體系結(jié)構(gòu)

FlexDMM包含完整的電阻測(cè)量特性。它提供了2線和4線電阻測(cè)量功能。4線技術(shù)用于使用長導(dǎo)線和開關(guān)導(dǎo)致“測(cè)試端”電阻偏置，導(dǎo)致測(cè)量小電阻測(cè)量困難時(shí)使用。但是，有時(shí)加入偏置電壓也會(huì)導(dǎo)致很大的誤差。

偏置補(bǔ)償電阻
在這些情形下，F(xiàn)lexDMM提供了偏置補(bǔ)償電阻測(cè)量，它對(duì)于許多電子測(cè)量應(yīng)用中的偏置電壓不靈敏：

1. 開關(guān)系統(tǒng)使用無補(bǔ)償?shù)穆菥€繼電器（無補(bǔ)償螺線繼電器可能包含高于10µV的補(bǔ)償電壓，它是由在設(shè)備玻璃罩中使用的Kovar接頭材料導(dǎo)致的）
2. 回路電阻測(cè)量（舉例而言，在對(duì)被測(cè)電路施加電源時(shí)，對(duì)電源導(dǎo)體的電阻進(jìn)行測(cè)量）
3. 測(cè)量電池的源電阻、前向偏置二極管的動(dòng)態(tài)電阻等等

在上述的情形1中，（測(cè)試系統(tǒng)通常使用優(yōu)化的開關(guān)搭建，而不是單純?yōu)榱穗娮铚y(cè)量的任務(wù)）請(qǐng)檢查該句。舉例而言，螺線繼電器由于其可預(yù)測(cè)的阻抗特性和高可靠性，在射頻測(cè)試系統(tǒng)中十分常見。在這樣的系統(tǒng)中，您可能還會(huì)希望能夠希望測(cè)量被測(cè)單元的電阻，而同時(shí)，螺線繼電器也可能已經(jīng)在系統(tǒng)中使用。

在情形2中，一個(gè)實(shí)例是在加電的情況下，對(duì)電源總線的電阻進(jìn)行測(cè)量。（注意：您需要在進(jìn)行這些測(cè)試的時(shí)候特別小心。）假設(shè)電阻是10 mΩ范圍附近，如果有100 mA電流通過這個(gè)電阻，兩端的電壓降是：

在100范圍的無偏置補(bǔ)償?shù)臄?shù)字萬用表會(huì)認(rèn)為電阻為1 Ω，因?yàn)樗J(rèn)為電壓是由它內(nèi)部的1 mA電流源通過被測(cè)導(dǎo)線產(chǎn)生的，無法判別其中的區(qū)別。在啟用FlexDMM和偏置補(bǔ)償電阻之后，就能夠區(qū)分并抑止1 mV偏置，從而可以得到正確的電阻值。

圖14：電圖15：電流關(guān)閉的第二次測(cè)量循環(huán) 圖15：電流關(guān)閉的第二次測(cè)量循環(huán)

這個(gè)測(cè)量包含兩個(gè)步驟。第一步在打開電流源的情況下測(cè)量，如圖14所示。第二步在關(guān)閉電流源的情況下測(cè)量，如圖15所示。最后結(jié)果是兩次測(cè)量的差。由于偏置電壓在兩次測(cè)量中都存在，可以將它除去，不進(jìn)入電阻計(jì)算，如下所示。

VOCO= VM1- VM2= (ISRX+ VTHERMAL) - VTHERMAL= ISRX

因此：

RX= VOCO/IS

10. 總結(jié)

NI基于FlexADC技術(shù)，開發(fā)了全新高性能的單槽3U PXI-4071 FlexDMM。使用商業(yè)可用的高速數(shù)字化儀、DSP技術(shù)和主機(jī)計(jì)算機(jī)的處理能力，傳統(tǒng)數(shù)字萬用表的許多常見的導(dǎo)致誤差模擬模塊已經(jīng)被取代。自我標(biāo)定可以提供在整個(gè)0至55 ºC工作溫度范圍內(nèi)的最佳精度，其標(biāo)定周期為兩年。作為世界范圍內(nèi)最快、最精確的PXI數(shù)字萬用表，由于結(jié)合了許多十分穩(wěn)定的內(nèi)建參考元素，所以和其它大部分傳統(tǒng)數(shù)字萬用表比起來，具有更強(qiáng)大的特性和性能。