【硬见小百科】数字万用表的工作原理

从事基础测量仪器的市场推广工作十多年来，我遇到了众多的工程师，也无数次共同探讨测试相关的技术问题。但有意思的是，工程师们最关心最多的实际上就是一些基础的问题，毕竟绝他们的主业不是测试测量技术。因此，我最近陆续写了几篇关于时间和频率测量的文章，大家反应还不错。这也给了我写更多高质量文章的动力。

工程师们最常问的问题是关于精确的直流和交流测量的。他们经常会经历一些困惑，如测量的误差到底是多少、数字表测量显示为什么不稳定、不同的数字表测量结果为什么差别很大、交流有效值测量结果不可信等等。就此我会写一系列的文章，和大家一起讨论这些问题。在文章中，我会以安捷伦的34401A和34410A这两款高性能数字万用表为例。34401A是HP公司在1993年的产品，至今仍然是全球销售量最大的6位半数字表，中国有近10万台的拥有量。34410A是第一款LXI标准的数字万用表。
首先介绍高精度数字万用表的工作原理。6位半的数字表有着非常高的精度和分辨率。例如，如果测量5VDC，其分辨率可以达到1uV。在读数的时候，我们希望是只有最后一位有跳动。如果在倒数第二位，甚至倒数第三位跳动，也就是6位数字显示中只有3位或4位稳定的，这时候的6位半表也就变成5位半甚至4位半了。那么是什么原因造成了测量结果不稳定呢？
如果输入的5VDC偏置是稳定的，造成很大测量不确定度的原因首先是噪声。通常情况下，噪声有两种，即串模噪声和共模噪声。
串模噪声是存在于被测件回路中的噪声，如下图所示：

串模噪声的来源是多方面的，例如电源、被测件本身、空间中电磁电磁噪声、还有50Hz 的供电线路公频噪声。对于5VDC的信号，通常会有从几毫伏到几十毫伏峰峰值的纹波加噪声。信号看上去就像下图。在50Hz 的工频噪声上夹杂着其他的高频噪声。

因此，为了得到精确的测量结果，首先要考虑到对串模噪声的抑制。以下是数字万用表的工作原理图。

被测信号从前端输入。实际上，对于绝大多数仪器来说，前端是最值钱的部分，也是衡量不同厂家仪器水平的最重要的标志。信号通过前端的调理，转换成适合ADC的信号幅度。图示中的AC RMS 是一个专用的电路，它的作用是对输入交流信号进行有效值的运算。在最新的数字表中，如34410A，这个电路已经不存在了。
与示波器不一样，高精度数字表中采用的是双积分式ADC。这种ADC的特点是分辨率极高，对噪声的抑制能力超强，适合于高分辨率、高精度的测量，但速度比较低。例如，6位半数字表采用的是22bit的ADC，8位半是28bit 的ADC. 数字表内部的工作原理如下图所示

Vi 是经过前端调理后的被测电压，Vref 是内部参考电源。首先是开关（红色表示）切合到Vi端， Vi对积分器中的电容进行充电。充电的时间是公频周期的整倍数，即20ms和其整倍数，目的是抑制工频噪声（如下图）。充电结束后，电容上的电压即等于Vi的平均值。这时将开关切合到Vref 上，在Vref 的控制下，电容进行固定斜率的放电。同时，用内部计数器记录放电时间。Vi 就可以利用放电时间和斜率算得了。在这个过程中，电容的充电再放电的过程，就可以消除高频噪声。而对50Hz工频噪声的抑制方式如下图所示：

如果充电的时间在20ms （一个工频周期，即1PLC）或其整倍数的时候，就可以抑制公频噪声。因此，对高精度测量来说，20ms的时间是必须的。当然，如果测量时间越长，例如 10PLC，当然会获得更高的噪声抑制比。但这样会影响到测量的速度，特别是在高精度数据采集或自动化测试系统中。所以，测试速度和精度实际上是一对矛盾。在实际使用过程中，要折中考虑。
不同的数字万用表在同样的测量时间内，对公频噪声的抑制比有区别的。例如传统的34401A，如果选择200ms 的测量时间，对工频抑制比是60dB. 而对于34410A 新款的产品，在40ms的测量时间，工频抑制比就可以达到120dB。有些工程师如果从二手市场上买的一些从美国舶来的旧货，就可能有问题，因为美国是60Hz工频周期。

如果供电工频周期出现不稳定，也会降低公频噪声抑制比。如下图是34410A的公频噪声抑制比和电网频率的关系。从图中可以看出，如果工频周期偏差了1Hz，工频噪声抑制比就会下降60dB

以上重点讨论的是数字万用表结构和对串模噪声的抑制。可以看出，为了确保读数的稳定性和可重复性，我们要考虑到降低并抑制输入的噪声，根据测量速度和精度的要求合理设置测量时间，并选择合适的数字万用表。
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