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实现精确测量两大方法【硬之城】

时间:2016-12-06 15:25:49 作者:硬姐

摘要:实现精确测量两大方法【硬之城】

  为实现测量数据的准确性,选对合适的仪器外,测试测量方法选择也不容小觑。

  PA功率分析仪功率单元有两路输入:电流和电压。FPGA和DSP等运算直接获得的测量数据只有电压和电流的ADC直接测量的结果,功率、效率、谐波等均以电压电流测量为基础,通过运算获得的结果,如功率就是使用电压和电流直接测量结果进行的运算。所以电压电流测量的准确性就显得至关重要,导体的电阻率会随温度变化、器件老化、线路共模/串模干扰、测量走线接线方式、电路接线方式等都会影响测量结果,本文重点讲解测量接线方式、电路接线。

  1.测量走线接线方式

  1)不规则连接–最差的接线方式

  图 1、图 2两条测量线比较分散,形成很大的环路,当环路中有变化的磁通通过时,根据电磁感应原理,将在环路中产生与磁通同样变化的噪声电压,仪器测到的值不真实。

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  图 1 电压不规则接线方式

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  图 2 电流不规则接线方式

  2)一般接线方式—平行走线

  图 3、图 4相比分散的连接方式,测量线形成的环路很小,仅限于连根线之间。

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  图 3 电压平行走线接线方式

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  图 4 电流平行走线接线方式

  3)较好的连接方式—双绞线

  图 5使用双绞线连接被测信号,与平行走线相比,双绞线把环路细分到每个绞合环,相邻的绞合环对外部磁场产生相反的噪声电压从而抵消掉。

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  图 5 电压双绞线接线方式

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  图 6 电流双绞线接线方式

  4)理想的接线方式—同轴电缆

  图 7、图 8对称的同轴电缆外层导体中心与内导体重合,等效面积为0,因此有很好的磁场屏蔽效果。

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  图 7 电压同轴电缆接线方式

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  图 8 电流同轴电缆接线方式

  2.电路连接接线方式

  功率耗损影响

  使用和负载匹配的接线方式可以降低功率损耗对测量精度的影响,以下是考虑电源和负载电阻的情况。参考前期微信文档《功率测量仪器的“特征阻抗”》中电流表损耗定义

  112.png

  ,电压表和电流表内阻乘积平方根暂且称为仪器的“功率特征阻抗”111.jpg,当负载电阻RL>RP时,电压表损耗大,推荐电流表内接法, 当负载电阻RL<RP,电流表损耗大,推荐电流表外接法。

  举例PA5000,电压输入阻抗Rv约2MΩ,电流输入阻抗Ri约100mΩ,电流量程选择1A,电压量程选择300V,电压电流功耗函数图 9,此时Rp=200,当负载电阻RL约大于447.2Ω时,推荐电流表内接,反之外接,示意图图 10。

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  图 9 电压电流表功率损耗函数图

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  图 10 内外接判定标准图

  1)电流表外接—测量较大电流

  将电压测量回路连到近负载一侧。电流测量回路测得流经负载的电流IL和流经电压测量回路的电流IU之和。因为测量回路电流为IL,所以误差仅为IU,对测量精度的影响为IU/IL。

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  图 11 电流表外接图

  2)电流表内接–测量小电流

  将电流测量回路接到近负载端。电压测量回路测得的电压等于负载电压eL和电流表两端的电压eI之和。因为测量回路电压为eL,误差为eI。对测量精度的影响为RI/RL 。

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  图 12 电流表内接

  杂散电容的影响

  将仪器的电流输入端子连接到接近电源接地电位的一端,可以降低杂散电容对测量精度的影响。

  电压测量回路和电流测量回路内部结构图,如图 13,因为外部机箱与屏蔽盒绝缘,所以存在杂散电容Cs。而误差正是由该杂散电容产生的电流形成的。

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  图 13 测量回路内部结构图

  作为举例,将考虑电源的一端和外部机箱接地的情况。

  这种情况下可以考虑2种电流,负载电流IL和通过杂散电容的电流ICs如图 15虚线所示,IL从电流测量回路流经负载回到电源。如点划线所示,ICs从电流测量回路流经杂散电容、外部机箱接地回到电源。

  因此,在电流测量回路即使只测量IL,得到的也是IL与ICs的和(矢量和),误差仅为ICs。假设施加于Cs的电压是VCs (共模电压),可以通过以下公式求取ICs。因为ICs相位超前电压90°,所以功率因数越小,ICs对测量精度的影响就越大。ICs= VCs × 2πf × Cs。

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  图 14 电流输入端子连到靠近电源高端

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  图 15 杂散电容带来影响

  如果将电流输入端子连到靠近电源地电位的一端,如图 11,电流测量回路的低端(LO)接近地电位,VCs约等于零,ICs几乎不流通。这样就降低了对测量精度的影响。

  电压正反接影响

  1)电压反接

  接地的信号源电压加在屏蔽壳对地电容Cs上,形成额外的泄露电流ICs,在信号源内部和LO测试线阻抗上造成压降。

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  图 16 电压反接

  2)电压正接

  信号源电压加在屏蔽壳对地电容上的电压很小,ICs为零,没有额外的泄露电流。

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  图 17 电压正接

  综上,为了实现精确测量,测量走线选用双绞线或者同轴电缆,根据实际情况选择适合的接线方式,电压高端和低端确保不接反。

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