經(jīng)驗分享：教你如何測量高精度直流電壓

一位同事曾經(jīng)問道，“測試中我該如何測量微伏電壓？”高精度直流電壓測量可能十分復雜。測量過程中，時間就是金錢。因此，實現(xiàn)快速準確的測量一直是一項挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)的優(yōu)化技術采用了高精度放大器電路和速度更快的測量裝置。要在最短的時間內(nèi)實現(xiàn)最佳測量，上述二者仍然是必要條件，但尚不足夠。穩(wěn)定延遲時間和信號噪聲之間的逆反關系取決于測量裝置驅(qū)動電路的等效噪聲帶寬。被測器件（DUT）和測量儀器定義了系統(tǒng)特性，把穩(wěn)定延遲時間和寬帶噪聲緊密聯(lián)系在了一起。

如果電路帶寬為零，噪聲也將為零，我們可能利用一個樣本來進行測量，但電路將永不會穩(wěn)定，直流誤差將達100%。因而，過低的帶寬將造成測量時間過長。另一方面，如果電路的帶寬無窮大，穩(wěn)定延遲時間將為零，不過寬帶噪聲也將是無窮大，這樣我們就缺乏足夠的測量值來進行平均。于是，放大器速度越快，高精度下電壓測量所需的時間實際上可能反而越長。

讓我們來探討一下這種關系。在測試序列中，DUT的輸出必須在一個電壓階躍之后穩(wěn)定在預定義的誤差范圍內(nèi)。假設是單極階躍響應，穩(wěn)定時間將直接取決于帶寬的大小。

每一次電壓測量都包含有DUT、放大器和電阻產(chǎn)生的寬帶噪聲。放大器產(chǎn)生電壓電流噪聲；電阻產(chǎn)生Johnson噪聲。由于濾波器的滾降特性不是無限陡峭的，在–3dB截止值之后的區(qū)域，噪聲變得不太重要。有效噪聲帶寬把這一區(qū)域的噪聲也考慮在內(nèi)了。

若定寬帶噪聲和有效噪聲帶寬一定，則所需的樣本數(shù)量由測量容許誤差決定?；窘y(tǒng)計給出了噪聲數(shù)量一定時，要獲得98%的置信水平所需要的平均樣本數(shù)量。平均值的這種偏差反映了單直流電壓測量的可重復性。實現(xiàn)高分辨率測量的問題很多，本文無法面面俱到。下面我們將討論解決總體問題的重要性。

穩(wěn)定延遲時間。如果電路中的某個元件存在穩(wěn)定時間問題，就會增加了總體的測量時間。壓擺率有限是常見的原因。一般總是采用小信號穩(wěn)定時間來計算。電介質(zhì)吸收是一個有害問題，故需謹慎選擇濾波器電容。

穩(wěn)定目標。這些目標值的設定很容易過于偏小，如0.0001%，結(jié)果引起測量時間的動態(tài)增加。由于目標受步進大小影響，在步進大小為測量動態(tài)范圍的一小部分時，應采用較大的目標。可能需要對不同的測量序列分別設置帶寬。

誤差電壓。對所有測量值來說，容許誤差電壓往往設置得太小。統(tǒng)計數(shù)據(jù)表明，若使用若1.6的Student T表值，98%的時間內(nèi)測量偏差將在容許誤差范圍內(nèi)。

電壓參考。這可能引入噪聲。在D/A轉(zhuǎn)換器的情況中，這些噪聲可能與代碼有關。

寬帶噪聲。使用高質(zhì)頻譜分析儀直接測量電路的寬帶噪聲。典型電路噪聲源數(shù)量相同的情況下，用紙張進行精確計算是相當冗長乏味的，且容易出錯。

測量精度和分辨率。測試工程實踐一般要求測量裝置的分辨率數(shù)量級大于容許誤差，但事實上總是假定測量裝置的精度和分辨率遠小于實際測量中的容許誤差。

放大器。在信號鏈中使用低噪運算放大器。這是一個好辦法，可使電阻值保持很低，但又沒有低到因放大器產(chǎn)生電流驅(qū)動和熱問題的程度。

測試成本的要求需要對傳統(tǒng)的緩慢高精度測量進行優(yōu)化。這種技術讓我們得以把測量時間減至最短，節(jié)省了金錢，同時也是測試設計中的一次嘗試。