高性能數(shù)字萬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(shù)字萬用表(以61/2位為例)，對許多應用來說，它們有極高的性價比。無論是航空航天、通信、汽車、工業(yè)部門或消費電子領域中，均存在便攜式設備的使用。在這些領域中的便攜式設備，均離不開應用高性能數(shù)字萬用表對其各中重要參數(shù)的測量。同時也包括需要進行DC和AC的測量。在迸行測量中發(fā)現(xiàn)使用高性能數(shù)字萬用表會非常容易，性能也很高。而本文將其高性能數(shù)字萬用表在便攜式設備部份參數(shù)測量應用技巧作分析介紹。

無需PC的簡單數(shù)據(jù)記錄

因懷疑空調機產生快速和寬范圍的溫度改變，故需測量計算機服務器機房的溫度變化，但卻在在午餐時間內。如何能立即開始測量，又不耽誤預定的午餐時間呢？應拿起高性能數(shù)字萬用表、探頭和電源線，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型，按Data Log鍵(見圖1所示面扳)，設置1小時測量其間隔為1秒；按Trigger鍵開始測量過程，然后仍可去午餐。等測量已經(jīng)完成，讀數(shù)都已保存在非易失存儲器中，把數(shù)字萬用表帶回辦公室，接上LAN，啟動PC的瀏覽器把讀數(shù)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。不需要用計算機進行測量設置，高性能數(shù)字萬用表體積小，攜帶方便，工程師不需要為收集數(shù)據(jù)編寫或加載程序。

與峰值測量相組合的DCV測量。

直流電源的輸出往往存在著紋波。這些紋波電壓規(guī)定為某一特定或更低的電平，并需要進行測試。交流信號的頻率通常與電網(wǎng)相關，但開關電源會有更高的頻率。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間，特別是改變功能和量程時；一般ACV RMS測量缺少重要的峰值信息；還需花時間通過數(shù)字處理得到峰值信息。

數(shù)字萬用表提供稱為峰值測量的輔助測量功能，它能在進行精密DCV(或ACV)測量的同時激活。這里是對上述方法的改進：啟用峰值測量功能，用一個或多個工頻積分時間進行精確的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(shù)據(jù)。

峰值測量產生在DCV測量積分時間期間的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(shù)據(jù)在容限內—通過；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。第二種情況可能有過大的噪聲尖峰，因為它未能從輸出中濾除。第三種情況可能屬失真，它產生的非對稱AC成分在DCV測量中增加了DC成分。而此時的紋波可能仍保持同樣的峰峰電壓。主測量失敗時需要有信號的更多信息。高性能數(shù)字萬用表提供50K讀數(shù)/秒的波形捕獲，可通過采樣得到其它診斷信息。

最小化其測試時間是生產制造中追求的目標，因此與單獨進行DCV和ACV測量，或數(shù)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減少測試時間。所得到的另一好處是峰峰信息能更好說明電源輸出信號的質量。

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(xù)期間。這一脈沖沒有可用作同步外觸發(fā)的相關5V邏輯信號事件。最初會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(shù)字萬用表而言，這是相對簡單的測量。不需要由外部TTL脈沖啟動觸發(fā)。把該數(shù)字萬用設置為在脈沖上升沿的某一點(量程百分數(shù))處觸發(fā)。用觸發(fā)延遲保證測量在脈沖的“平坦”部分開始，把模數(shù)轉換器積分時間設置為能最大化測量精度，而不超出脈沖寬度持續(xù)時間的值。在這一例子中，對觸發(fā)電平的100μs延遲把測量起點放在上升沿通過后。數(shù)字萬用能用1ms積分時間進行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(zhèn)流器

在熒光燈關閉時，燈管內的水銀/蒸汽混合物號是不導電的。在加電時，需要用300VAC的電壓啟動水銀輻射的氣體放電。通過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光。根據(jù)燈管的瓦數(shù)，啟動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(shù)字萬用表測試鎮(zhèn)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(shù)字萬用表，在ACV測量時都使用模擬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(shù)字萬用表有關輸入中存在短持續(xù)期高壓尖峰的情況。這些短持續(xù)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(zhèn)流器除了起輝所需的300VAC信號外，還可能產生lkV甚至更高的尖峰。數(shù)字萬用表得到的讀數(shù)可能為300VAC，偶而也讀到301VAC。測試系統(tǒng)就認為一切良好—都在容限以內。但卻沒有看到巨大的電壓尖峰對數(shù)字萬用表輸入部分的沖擊。如果數(shù)字萬用表沒有有效的輸入保護，在連續(xù)沖擊下的輸入電路就有可能損壞。

該數(shù)字萬用表用直接采樣技術進行AC RMS測量。相對于模擬RMS計算，直接采樣技術帶來了四項好處：10倍快的AC測量，對高頻正弦波的精度改進，峰峰信息，以及波峰因素不會使精度降級。

對輸入信號的過采樣能檢測到窄而高的電壓尖峰，使數(shù)字萬用表能夠把尖峰作為過載錯誤條件響應。這一信息告訴測試工程師在數(shù)字萬用表的接線或鎮(zhèn)流器內有問題存在。解決方案非常簡單，只需在夾具中增加一級濾波，以抑制到達數(shù)字萬用表輸入端的尖峰?？傊?，測試工程師可從數(shù)字萬用表提供的信息“看到”信號中的真實成分。直接采樣AC技術提供對信號成分的可視能力，并能同時進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—能類似示波器波形捕獲的電平觸發(fā)

宇航和汽車應用有大量的機電信號。它們來自振動、拉伸和壓縮試驗臺的機械部件。這些信號的頻率成分相當?shù)停ǔ５陀?kHz。例如典型加速度計的帶寬為2.5kHz。對于這種類型的信號(見圖4所示)，數(shù)字萬用表提供具有如下能力的波形捕獲：50kHz采樣率41/2位，使用低抖動的采樣定時器；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(shù)保存；270k讀數(shù)/秒訪問讀數(shù)保存。

除了物理量測量外，功能測試應用中產生的電信號通常也低于8kHz：300Hz至3kHz的語音信號，手持式裝置，例如移動電話、數(shù)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)常需要進行手持式裝置耗用電流測量：因為長的電池壽命是客戶滿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。但這種測量僅限于電源輸出的電流。當測試系統(tǒng)確定從電池流出過大的電流時，測試手持式裝置各部分的許多其它測試點看到的應是好或是不好、需要多長時間。這就要求波形捕獲檢查電流的定時。

圖4中的波形是數(shù)碼相機的耗用電流，它僅在拍照時激活。此時它是電流分路器上的電壓。波形代表著自動聚焦的機械運動、處理照片、驅動顯示和狀態(tài)LED，以及把結果保存在Flash存儲器中。該數(shù)字萬用表的電平觸發(fā)適用于任何測量功能。此時的DCV的測量以50K采樣/秒進行。對于1M 讀數(shù)，能以這樣的速率保存20s的數(shù)據(jù)。預觸發(fā)和后觸發(fā)允許您圍繞事件建立類似示波器的波形捕獲。數(shù)字萬用表將進行連續(xù)測量，直至遇到電平觸發(fā)。它會保留測量的預觸發(fā)計數(shù)，然后開始后觸發(fā)測量計數(shù)。這是等待異步事件的一項極好技術，在預觸發(fā)計數(shù)與后觸發(fā)計數(shù)間不存在測量的不連續(xù)。

使用多臺數(shù)字萬用表的直接接到傳感器上同時測量

在汽車和航空航天行業(yè)，往往需要同時測量放置在機電設備上的多個傳感器。在使用開關，特別是FET(場效應管)開關時，要對高壓進行不經(jīng)衰減的高速掃描是非常困難的。實現(xiàn)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。在這類情況下，可把多臺高性能數(shù)字萬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(見圖5所示)。

高性能數(shù)字萬用表通過外觸發(fā)輸入的硬件耦合接到測量引擎。測量反應時間或抖動小于1μs，因此多臺以50K讀數(shù)/秒運行的數(shù)字萬用表實際上能在同一時刻開始采樣。該每臺數(shù)字萬用表保存1M讀數(shù)，即并行地保存20秒的捕獲數(shù)據(jù)。用4臺數(shù)字萬用表實現(xiàn)200K讀數(shù)/秒的有效讀數(shù)率，然后從每臺數(shù)字萬用表讀數(shù)保存中連續(xù)地以50K速率，或以270K讀數(shù)/秒的突發(fā)速率取出讀數(shù)。

這一應用的獨特之處您是可向同事借用這4臺數(shù)字萬用表。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接口能容易地實現(xiàn)這一數(shù)據(jù)率。

如何設置快速直流測量

控制直流測量速度有5項要素：自動歸零，自動量程，積分時間，自動觸發(fā)延遲，峰值測量。

自動歸零、自動量程和峰值測量都有內部軟件指導下的機械裝置執(zhí)行，用以控制數(shù)字萬用表內部的運行。這一動作在最好條件下也被限制于2000讀數(shù)/秒。為實現(xiàn)高于2K讀數(shù)/秒的讀數(shù)率，必須選擇固定量程和禁用峰值測量，關斷自動歸零。

自動歸零在每次測量施加信號后進行。內部電路不介入施加信號，而把輸入端至模數(shù)轉換器的信號通路短路。測量所存在的偏移，并將其從實際測量結果中扣除。這意味著每次測量都要取兩個讀數(shù)。關斷自動歸零可節(jié)省時間，因為此時只進行一次測量，并且沒有軟件和機械裝置的參與。

自動量程對施加信號進行預先測量，以嘗試和確定能實現(xiàn)最高分辨率測量的最佳量程。這些數(shù)字萬用表的自動量程非常快，能容易地跟蹤120Hz信號。但當從10V或10MΩ量程跳到更高量程時，自動量程也需要較長的時間。關斷自動量程的同時也切斷了軟件和機械裝置參與。

積分時間是模數(shù)轉換器花在積分施加信號上的時間。高性能數(shù)字萬用表的最小積分時間分別為100μs和20μs。積分時間分辨率為20μs；因此34411A的最高采樣率是50K讀數(shù)/秒-20μs積分時間。次高讀數(shù)率為25K讀數(shù)/秒-40μs積分時間。

自動觸發(fā)延遲足可編程的設置。它是默認啟用的。在啟用后，數(shù)字萬用表根據(jù)功能、量程和積分時間推薦一個延遲時間。這一延遲與觸發(fā)子系統(tǒng)有關。如果禁用，它就對所有功能禁用。

峰值測量在進行精確直流測量時使用。此時的測量積分時間通常為一個或多個PLC，峰值測量可在61/2位直流測量時啟用，并仍能實現(xiàn)1000讀數(shù)/秒。

下面是實現(xiàn)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，F(xiàn)RES或TEMP。

在進行四線歐姆測量時也許不能關斷自動歸零。溫度測量完全是電阻測量，可以是兩線或四線的測量。

如何設置快速交流測量

影響交流測量速度的關鍵因素是：AC濾波器設置，自動量程，自動觸發(fā)延遲。所有交流測量的速度都被限制為500讀數(shù)/秒或更低。根據(jù)上述三項因素的設置情況，測量可能會更慢。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。

自動量程對測量速度沒有明顯影響，直到高壓信號使執(zhí)行繼電器改變量程。自動觸發(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。下面是實現(xiàn)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。對于頻率來說，F(xiàn)REQ：APER命令規(guī)定了0.001，0.01，0.1或1s的閘門時間，除AC濾波器選擇外，它也會影響讀數(shù)率。

峰峰測量不會減慢AC RMS測量。

內置的網(wǎng)絡服務器

高性能數(shù)字萬用表配有內置的網(wǎng)絡服務器，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)絡瀏覽器和數(shù)字萬用表的IP地址。只要您的計算機能夠訪問eBay.com，也就能從任何地方訪問高性能數(shù)字萬用表。不需要使用其它軟件完成對數(shù)字萬用表的配置。數(shù)字萬用表可配置為DHCP(從外部主機得到IP地址)，AutoIP(數(shù)字萬用表分配它自己的IP地址)，也可手動分配IP。只要您知道這一IP地址，就能容易地把它送入網(wǎng)絡瀏覽器的URL。您可同時連接到3個網(wǎng)絡瀏覽器。

結論

高性能數(shù)字萬用表提供如同臺式儀器的易用性，以及測試系統(tǒng)應用所必須的各項性能。無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(zhí)行速度均能覆蓋的眾多測量功能特能很好地滿足您的應用要求。

當今62/1高性能數(shù)字萬用表己有幾家廠商可提供，有共性也有各自的特征，值此側重以Agilent的34410A和3441lA型為例作說明。