測(cè)試測(cè)量的接線細(xì)節(jié)，接線方式與電路接線

在日常測(cè)試中，工程師們首先想到的是選擇一臺(tái)合適測(cè)試的設(shè)備，然后開(kāi)始工作，往往并不太關(guān)注測(cè)量時(shí)的接線細(xì)節(jié)，事實(shí)上為了到達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，測(cè)試測(cè)量的接線方法也不容小覷，我們一起來(lái)看看。

一般的測(cè)試對(duì)象主要是電流和電壓。而儀器測(cè)試的電壓、電流是ADC直接采樣的結(jié)果，功率、效率、諧波等測(cè)試項(xiàng)均是以電壓、電流的測(cè)量為基礎(chǔ)，通過(guò)運(yùn)算獲得的，所以電壓、電流測(cè)量的準(zhǔn)確性就顯得至關(guān)重要。

導(dǎo)體的電阻率會(huì)隨溫度變化、器件老化、線路共模/串模干擾、測(cè)量走線接線方式、電路接線方式等都會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，本文重點(diǎn)講解測(cè)量接線方式、電路接線。

一、測(cè)量走線接線方式

1、不規(guī)則連接——最差的接線方式

圖1、圖2兩條測(cè)量線比較分散，形成很大的環(huán)路，當(dāng)環(huán)路中有變化的磁通通過(guò)時(shí)，根據(jù)電磁感應(yīng)原理，將在環(huán)路中產(chǎn)生與磁通同樣變化的噪聲電壓，儀器測(cè)到的值不真實(shí)。

圖1 電壓不規(guī)則接線方式

圖2 電流不規(guī)則接線方式

2、一般接線方式——平行走線

圖3、圖4相比分散的連接方式，測(cè)量線形成的環(huán)路很小，僅限于連根線之間。

圖3 電壓平行走線接線方式

圖4 電流平行走線接線方式

3、較好的連接方式——雙絞線

圖3使用雙絞線連接被測(cè)信號(hào)，與平行走線相比，雙絞線把環(huán)路細(xì)分到每個(gè)絞合環(huán)，相鄰的絞合環(huán)對(duì)外部磁場(chǎng)產(chǎn)生相反的噪聲電壓從而抵消掉。

圖5 電壓雙絞線接線方式

圖6 電流雙絞線接線方式

4、理想的接線方式——同軸電纜

圖7、圖8對(duì)稱的同軸電纜外層導(dǎo)體中心與內(nèi)導(dǎo)體重合，等效面積為0，因此有很好的磁場(chǎng)屏蔽效果。

圖7 電壓同軸電纜接線方式

圖8 電流同軸電纜接線方式

二、電路連接接線方式

功率耗損影響

使用和負(fù)載匹配的接線方式可以降低功率損耗對(duì)測(cè)量精度的影響，以下是考慮電源和負(fù)載電阻的情況。參考前期微信文檔《功率測(cè)量?jī)x器的“特征阻抗”》中電流表?yè)p耗定義：

電壓表?yè)p耗定義：

電壓表和電流表內(nèi)阻乘積平方根暫且稱為儀器的“功率特征阻抗”。

當(dāng)負(fù)載電阻RL＞RP時(shí)，電壓表?yè)p耗大，推薦電流表內(nèi)接法，當(dāng)負(fù)載電阻RL＜RP，電流表?yè)p耗大，推薦電流表外接法。

舉例PA5000，電壓輸入阻抗Rv約2MΩ，電流輸入阻抗Ri約100mΩ，電流量程選擇1A，電壓量程選擇300V，電壓電流功耗函數(shù)圖9，此時(shí)Rp=200√5≈447.2，當(dāng)負(fù)載電阻RL約大于447.2Ω時(shí)，推薦電流表內(nèi)接，反之外接，示意圖圖10。

圖9 電壓電流表功率損耗函數(shù)圖

圖10 內(nèi)外接判定標(biāo)準(zhǔn)圖

1、電流表外接——測(cè)量較大電流

將電壓測(cè)量回路連到近負(fù)載一側(cè)。電流測(cè)量回路測(cè)得流經(jīng)負(fù)載的電流IL和流經(jīng)電壓測(cè)量回路的電流IU之和。因?yàn)闇y(cè)量回路電流為IL，所以誤差僅為IU，對(duì)測(cè)量精度的影響為IU/IL。

圖11 電流表外接圖

2、電流表內(nèi)接——測(cè)量小電流

將電流測(cè)量回路接到近負(fù)載端。電壓測(cè)量回路測(cè)得的電壓等于負(fù)載電壓eL和電流表兩端的電壓eI之和。因?yàn)闇y(cè)量回路電壓為eL，誤差為eI。對(duì)測(cè)量精度的影響為RI/RL。

圖12 電流表內(nèi)接

雜散電容的影響

將儀器的電流輸入端子連接到接近電源接地電位的一端，可以降低雜散電容對(duì)測(cè)量精度的影響。

電壓測(cè)量回路和電流測(cè)量回路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，如圖13，因?yàn)橥獠繖C(jī)箱與屏蔽盒絕緣，所以存在雜散電容Cs。而誤差正是由該雜散電容產(chǎn)生的電流形成的。

圖13 測(cè)量回路內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

作為舉例，將考慮電源的一端和外部機(jī)箱接地的情況。

這種情況下可以考慮2種電流，負(fù)載電流IL和通過(guò)雜散電容的電流ICs如圖15虛線所示，IL從電流測(cè)量回路流經(jīng)負(fù)載回到電源。如點(diǎn)劃線所示，ICs從電流測(cè)量回路流經(jīng)雜散電容、外部機(jī)箱接地回到電源。

因此，在電流測(cè)量回路即使只測(cè)量IL，得到的也是IL與ICs的和(矢量和)，誤差僅為ICs。假設(shè)施加于Cs的電壓是VCs(共模電壓)，可以通過(guò)以下公式求取ICs。因?yàn)镮Cs相位超前電壓90°，所以功率因數(shù)越小，ICs對(duì)測(cè)量精度的影響就越大。

ICs=VCs× 2πf × Cs

圖14 電流輸入端子連到靠近電源高端

圖15 雜散電容帶來(lái)影響

如果將電流輸入端子連到靠近電源地電位的一端，如圖11，電流測(cè)量回路的低端（LO）接近地電位，VCs約等于零，ICs幾乎不流通。這樣就降低了對(duì)測(cè)量精度的影響。

電壓正反接影響

1、電壓反接

接地的信號(hào)源電壓加在屏蔽殼對(duì)地電容Cs上，形成額外的泄露電流ICs，在信號(hào)源內(nèi)部和LO測(cè)試線阻抗上造成壓降。

圖16 電壓反接

2、電壓正接

信號(hào)源電壓加在屏蔽殼對(duì)地電容上的電壓很小，ICs為零，沒(méi)有額外的泄露電流。

圖17 電壓正接

綜上，為了實(shí)現(xiàn)精確測(cè)量，測(cè)量走線選用雙絞線或者同軸電纜，根據(jù)實(shí)際情況選擇適合的接線方式，電壓高端和低端確保不接反。