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高精度直流電壓測量的優(yōu)化
發(fā)布者:059217  發(fā)布時間:2018-01-24 13:27:00
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(fù)雜。測量過程中,時間就是金錢。因此,實現(xiàn)快速準(zhǔn)確的測量一直是一項挑戰(zhàn)。 

傳統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)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(guān)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(dá)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(guān)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(yù)定義的誤差范圍內(nèi)。假設(shè)是單極階躍響應(yīng),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。基本統(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(fù)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(jǐn)慎選擇濾波器電容。 

穩(wěn)定目標(biāo)。這些目標(biāo)值的設(shè)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(biāo)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(yīng)采用較大的目標(biāo)。可能需要對不同的測量序列分別設(shè)置帶寬。 

誤差電壓。對所有測量值來說,容許誤差電壓往往設(shè)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(guān)。 

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(dāng)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(yuǎn)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。 
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