电子测量与仪器精密直流电流电压和电阻测量技术

1、第七章 精密直流电流、电压和电阻测量技术(精密测量的基础知识)7.1 一个电源测量的实例7.2 精密直流测量的任务7.3 测量的极限理论7.4 精密测量的常用仪器7.5 精密测量电路设计基础仪器科学与工程系7.1 一个电源测量的实例要求：设计一测量系统的前置放大电路，测量电池的输出电压。被测目标：可认为是一电池，输出直流电压范围在2V，即-2VVa-Vb2V，输出阻抗在107109。已有器件： 理想的A/D，理想的2.5V基准，+3.3V电源。A/D的信号输入范围为02.5V，精度为4位半，即1999.9mV，误差不超过3个字，使用温度范围1828。设计电路并标出运放的型号以及电阻和电容的规格

2、。1. 电源的内阻很大2. 测量精度要求高：0.3mV (41/2位AD精度核算是15bits)3. 电压变换， -2VVa-Vb1V 直流电流 1A 时，OK! 电阻值100T ）6、数字源表(SourceMeter) 与SMU类似，性能（输入阻抗、弱电流测量能力）比SMU略低。可以测量一组I-V曲线，适合于生产用。7、弱电流前置放大器 远端弱电流前置放大器，与SMU或数字源表脱离，更接近被测设备。降低电缆噪声和漏电，提高SNR。8、微欧计欧姆计。适宜低电阻测量，最小测量10。特点：四线技术：减小测试电缆和连接器带来的误差. 偏置补偿：脉冲式测量电流，消除热电动势. 干电路测试：限制被测电阻

3、两端的电压（一般20mV），避免击穿触点（面）氧化膜带来误差. 以上所介绍的仪器/模块，是精密测量里常用的仪器/模块，它们之间具有相同点，也有区别之处，主要是为了满足不同的层次应用需求。RrVIsIv四线技术噪声电压1kV1V1mV1V1nV1pV10310010-310-610-910-12带 宽1001031061091012源电阻静电计数字多用表纳伏表纳伏表前置放大器101510-3* 典型的DMM、nVM、nV PreAmp、Electrometer 的测量极限7.5 精密测量的电路设计基础放大器的基本工作原理V1V2公共点VoVo=A(V1-V2)开环增益非常大，104106引入反馈

4、，可使输入端电压(V1-V2)差降低至接近零“虚短、虚断、虚地”1、电压表电路V2V1VoVo=V2(1+RA/RB)RARB输出：Vo=V2(1+RA/RB)测量仪器/放大器对被测量的影响极小：V2的唯一负载为运算放大器的高输入阻抗，唯一从源吸收的电流就是放大器非常低的输入偏置电流。上面的电路可做静电计电压表或纳伏表的前置放大器：对放大器的要求对放大电阻的要求静电计电压表低偏置电流，高输入阻抗多用作阻抗变换得到1:1的电压增益，RA短路，RB开路。纳伏表前置放大器低输入噪声电压放大用，设置RA、RB使得放大器典型增益为103。思考：为何没有在+端加接地电阻？2、安培计电路思考：怎么用普通的万

5、用表测量电流？(串联，注意极性)电流测量的两种基本技术：分流安培计、反馈安培计。V2V1VoVo=IINRS(1+RA/RB)RARBIINRS(1) 分流放大器RS值尽可能小:(a) 小阻值电阻稳定性好。(温度，时间，电压系数)(b) 时间常数小，仪器响应时间更短。(A) 分流安培计V1IINVoVo=-IINRFRF(2) 反馈放大器(a) 电路总的灵敏度由反馈电阻RF决定。(b) 运算放大器迫使V10.不需象分流放大器一样，输入端需要上升到V+。(c) 电路的上升时间由运算放大器决定。(B) 反馈安培计用反馈式的放大器可以构成一般的反馈安培计、高速皮安计、对数皮安计。V2RFVo(a)

6、输出:Vo=-IINRF(1+RA/RB)(b) 电压增益可通过RA、RB调节。RARBIIN(3) 电压增益可调的反馈放大器Vo=-IINRF(1+RA/RB)VoIIND1(4) 对数皮安计(a) 用对数电压电流关系的二极管或三极管代替反馈放大器中的反馈电阻。(b) 由于是对数关系，能在几个数量级范围内跟踪电流变化，而无须改变量程。(c) 缺点：损失了准确度和分辨率。VoC1R1RFCFIIN(5) 高速皮安计(a) 反馈皮安表的反应时间受反馈电阻的并联寄生电容限制。(b) 改善皮安表反馈时间：方法一：改善或消除寄生的电容。(器件选择，连线)方法二：如左图，使RFCF=R1C1，此时的性能

7、与无寄生电容时的性能相同。总结：A、反馈式放大器具有较好的性能。 B、DMM及老式的静电计使用分流的方法，皮安表和 静电表电流表多使用反馈式放大器。3、库仑计电路 用电容代替反馈电阻，即成为库仑计。电荷放大器也是这个原理。测量电荷的基本方法是将被测电荷传送给已知容量的电容器，测量该已知电容的电压。RFVoCF反馈式库仑计： 测量电荷：Q=CFV4、高阻欧姆计电路 高阻值电阻测量可以采用电压源或电流源。有以下几种测量方法：电阻：(1) 采用外接电压源测电流VSRX静电计/皮安计ILH测量速度快，能测阻抗极高的电阻。(2) 使用内置电流源的静电计欧姆计关系：缺点：阻值未知，对电压影响大，量程不易控

8、制。 受输入电缆电容影响，测量大电阻响应速度慢。VoV1IVSR内置电流源CSRX一芯电缆(3) 带保护欧姆模式的静电计欧姆计 改善前一电路响应速度慢的问题：关系:改进: 将+输入节点(包括电路板及电缆)用运放的输出电压环围保护起来，VO=V1，CS两端的电压相等，大大消除了电容的影响。还可降低输入电缆泄漏电阻的影响。VoV1IVSR内置电流源CSRX两芯电缆(4)静电计电压表+外接电流源(5) 数字电压表测量高阻 对于低阻抗数字电压表，要求电流源另带一个电压缓冲输出。 由已知电流源测电压，得到电阻值。V1RxIRxI1VOV1输出静电计电压表数字多用表带跟随器输出的恒流源5、低阻欧姆计电路

9、低阻值电阻测量要注意电缆，放大器的影响： 将高阻测量的静电电压计改成纳伏计，并用四线法消除引线电阻的影响。(1) 纳伏表+外部电流源能够测量阻值很低的电阻（）。V1RxI纳伏表(2) 数字多用表欧姆计(比率技术)RXR1R2R3R4RSRSRREFVSENSEVREF参考HI参考LO取样HI取样LO输出HI取样HI取样LO输出LO仅可用方式连接(a) 电阻值：RX=RREF(VSENSE/VREF)(b) 电阻器RS：二线/四线自动选择功能(c) 取样电路高阻抗输入R1，R2，R3，R4 =引线电阻(3) 微欧姆计(四线比率技术)(a) 电阻值：RX=RREF(VSENSE/VREF)(b)

10、四线比率技术RXR1R2R3R4RSRSRREFVSENSEVREF参考HI参考LO取样HI取样LO源HI取样HI取样LO源LO(4) 脉冲模式下的微姆计(a) 消除寄生偏置电压。(由于取样放大器偏置电流引起)(b) 测量两次，闭合S1测得VSENSE1，打开S1测得VSENSE2。于是：电阻值：RX=RREF(VSENSE1-VSENSE2)/VREFRXR1R2R3R4RSRSRREFVSENSEVREF参考HI参考LO取样HI取样LO源HI取样HI取样LO源LOS1VX(5) 微欧计中干电路测试(a) 干电路测试：限制加在被测体上的电压(20mV)，在电流源端增加电阻器RSH。(b) 被

11、测电阻：RX=VSENSE/VREF/RREF-VSH/RSHRXR1R2R3R4RSRREFVSHVREF参考HI参考LO取样HI取样LO参考HI取样HI取样LO参考LOVSENSE分流HI分流HIRSH6、完整仪器(1) 数字式静电计安培库仑电压欧姆功能/量程输入HILO零点检测电压、欧姆安培、库仑前置放大器输出保护输出2V模拟输出微处理器显示器IEEE-488A/D变换器量程放大器输 入欧姆变换器直流衰减器交流衰减器精密基准A/D变换器数字显示交流变换器精密分流器数字输出（IEEE-488，RS-232，LAN）(2) 数字多用表(DMM)(a) 多数DDM有五种测量功能：直流电压、交流

12、电压、欧姆、 直流电流、交流电流。(b) 交流变换器：将交流信号变换成直流信号。(c) 欧姆变换器：给出直流模拟信号以进行电阻测量。A/D变换器 显 示IEEE488RS232微处理器偏置补偿器量程开关低噪声前置放大器DCV输入(3) 纳伏表(a) 测量非常低的电压专用。(b) 放大器：输入噪声、热电动势、偏置电压都要求比较小。 输出HI 保护 取样HI保护 取样LO 输出LO 保护 输出LO 本地 远地 远地本地 电流源 电压表 1缓冲器(4) 源-测量单元(SMU)A、输出电流、测量电压 远地、本地取样决定了在哪里进行电压测量，远地可以消除引线电阻的影响。2线/4线 输出HI 保护 取样HI保护 取样LO 输出LO 测量输出调整电压源(反馈) 输出LO 本地 远地 远地本地 电压源 电流表电流表B、输出电压、测量电流 保护 保护取样 输入/输出HI取样HI 取样LO