專家說(shuō)：電壓比率（二）

本文探討了環(huán)形參考分壓器建立準(zhǔn)確電壓比率的基本原理及其在驗(yàn)證電壓標(biāo)準(zhǔn)不確定度中的應(yīng)用，介紹了PWMDAC在現(xiàn)代校準(zhǔn)器中的使用及其優(yōu)勢(shì)，以及利用高線性度ADC的DMM確定電壓比率的方法。

環(huán)形參考分壓器

用環(huán)形參考的方法來(lái)建立準(zhǔn)確的電壓比率的基本原理是，當(dāng)對(duì)所有可能的比率進(jìn)行平均時(shí)，n個(gè)串聯(lián)電壓的比率將準(zhǔn)確地為n:1。為了說(shuō)明起來(lái)簡(jiǎn)單，在圖9-10中使用3個(gè)參考電壓來(lái)說(shuō)明其原理。

▲ 圖9-10 環(huán)形參考分壓器的原理

從原理上說(shuō)，這種技術(shù)可以擴(kuò)展到任意數(shù)目的電壓源，并擴(kuò)展到n:2，n:3等比率。開(kāi)發(fā)這種技術(shù)的目的，曾是用來(lái)驗(yàn)證福祿克公司的752A參考分壓器的10：1比率的不確定度。該方案使用了10個(gè)福祿克公司的732A作電壓源。還制造了一個(gè)專門的低熱電勢(shì)、低接觸電阻的測(cè)量設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)方法。

從概念上講，用電阻器代替電壓標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)方法也可以使用。而在實(shí)際上，使用足夠高阻值的電阻器可以避免連接器電阻的偏差，但是又容易引起泄漏電阻的問(wèn)題。732A的源電阻非常低，使得實(shí)際絕緣子的泄漏對(duì)測(cè)量沒(méi)有影響。732A的非常穩(wěn)定的10 V輸出電壓實(shí)質(zhì)上不受連接電阻變化的影響。

PWMDAC

手動(dòng)操作的直流比較儀可以由包含脈沖調(diào)寬數(shù)-模變換器(PWMDAC)構(gòu)成的儀器來(lái)代替。這種儀器具有和直流比較儀相比擬的準(zhǔn)確度，并具有全部自動(dòng)化的額外的好處。

PWMDAC用來(lái)設(shè)置現(xiàn)代校準(zhǔn)器的輸出。它取代了原來(lái)在數(shù)字-模擬變換器電路中使用的電阻反饋電路，如梯形網(wǎng)絡(luò)或開(kāi)關(guān)電阻器網(wǎng)絡(luò)。

福祿克公司的5440B直流電壓校準(zhǔn)器，就采用了這種PWMDAC變換器。雖然采用梯形網(wǎng)絡(luò)或開(kāi)關(guān)電阻器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)-模變換器可以實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制，但是其電阻器的數(shù)值可能發(fā)生變化，因而限制了它的準(zhǔn)確度。

相反，PWMDAC變換器不依賴多個(gè)電阻器，所以要準(zhǔn)確得多。PWMDAC變換器的基本組成部分是一個(gè)低通濾波器。低通濾波器的輸入端在地和參考電壓之間開(kāi)關(guān)切換。此受控開(kāi)關(guān)的動(dòng)作產(chǎn)生一個(gè)恒定周期的方波，而方波的占空比取決于開(kāi)關(guān)設(shè)置到地或參考電壓的相對(duì)時(shí)間。低通濾波器把這個(gè)方波濾成精確的平均值直流電壓。從0%到100%改變方波的占空比，就改變了濾波器輸出端出現(xiàn)的平均值電壓，使之從0變化到Vret的數(shù)值。

和開(kāi)關(guān)電阻器型的數(shù)-模變換器相比，這種類型的數(shù)-模變換器有許多好處。這種裝置的電路實(shí)際上非常簡(jiǎn)單，使用的關(guān)鍵元件也較少，而且不需要使用大量的精密電阻器。最后，獲得可重復(fù)性的、高準(zhǔn)確度的輸出只取決于高可靠性的數(shù)字電路以及用來(lái)控制開(kāi)關(guān)的時(shí)鐘的短期穩(wěn)定性。圖9-11是福祿克公司的5440B校準(zhǔn)器中使用的PWMDAC的示意圖。

▲ 圖9-11 福祿克公司的5440B中的PWMDAC

這種類型的DAC至少可以達(dá)到經(jīng)過(guò)恰當(dāng)?shù)匦?zhǔn)的最好的開(kāi)爾文-瓦利分壓器的線性度。當(dāng)然，它還具有可以由計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行控制的重大的優(yōu)點(diǎn)。

DMM中的線性ADC

用具有高線性度模擬-數(shù)字變換器(ADC)的8? 位DMM，可以確定一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)電池的未知電動(dòng)勢(shì)與一個(gè)固態(tài)參考標(biāo)準(zhǔn)的已知、可溯源的+10 V輸出電壓的電壓比率。使用這種方法時(shí)，把標(biāo)準(zhǔn)電池的負(fù)端和+10V輸出的負(fù)端相連，在標(biāo)準(zhǔn)電池的正端和+10 V的正端之間剩下略低于+9 V的電壓。用DMM進(jìn)行兩次測(cè)量，并記錄為“V1”和“V2”如下：

V1=k(Vstd - Vx)

V2=kVstd

式中： k —— DMM的定標(biāo)因子;

Vstd —— 10 V標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)際值

Vx —— 標(biāo)準(zhǔn)電池的實(shí)際值。

這兩個(gè)讀數(shù)之比為：

所以

也可以用這種方法，按照標(biāo)準(zhǔn)電池已知的電動(dòng)勢(shì)來(lái)為10 V參考電壓賦值。在這兩種情況下，其原理都是基于DMM的自動(dòng)調(diào)零電路消除了DMM的本底(floor)偏差以及DMM在+9 V到+10 V的標(biāo)度范圍內(nèi)具有極好的線性度。