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實現精確測量兩大方法

2016-07-23
來源:ZLG致遠電子

  為實現測量數據的準確性,選對合適的儀器外,測試測量方法選擇也不容小覷。

  PA功率分析儀功率單元有兩路輸入:電流和電壓。FPGA和DSP等運算直接獲得的測量數據只有電壓和電流的ADC直接測量的結果,功率、效率、諧波等均以電壓電流測量為基礎,通過運算獲得的結果,如功率就是使用電壓和電流直接測量結果進行的運算。所以電壓電流測量的準確性就顯得至關重要,導體的電阻率會隨溫度變化、器件老化、線路共模/串模干擾、測量走線接線方式、電路接線方式等都會影響測量結果,本文重點講解測量接線方式、電路接線。

  1.測量走線接線方式

  1)不規則連接--最差的接線方式

  圖 1、圖 2兩條測量線比較分散,形成很大的環路,當環路中有變化的磁通通過時,根據電磁感應原理,將在環路中產生與磁通同樣變化的噪聲電壓,儀器測到的值不真實。

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  圖 1 電壓不規則接線方式

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  圖 2 電流不規則接線方式

  2)一般接線方式—平行走線

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

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  圖 3 電壓平行走線接線方式

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  圖 4 電流平行走線接線方式

  3)較好的連接方式—雙絞線

  圖 5使用雙絞線連接被測信號,與平行走線相比,雙絞線把環路細分到每個絞合環,相鄰的絞合環對外部磁場產生相反的噪聲電壓從而抵消掉。

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  圖 5 電壓雙絞線接線方式

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  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對稱的同軸電纜外層導體中心與內導體重合,等效面積為0,因此有很好的磁場屏蔽效果。

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  圖 7 電壓同軸電纜接線方式

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  圖 8 電流同軸電纜接線方式

  2.電路連接接線方式

  功率耗損影響

  使用和負載匹配的接線方式可以降低功率損耗對測量精度的影響,以下是考慮電源和負載電阻的情況。參考前期微信文檔《功率測量儀器的“特征阻抗”》中電流表損耗定義

  112.png

  ,電壓表和電流表內阻乘積平方根暫且稱為儀器的“功率特征阻抗”111.jpg,當負載電阻RL>RP時,電壓表損耗大,推薦電流表內接法, 當負載電阻RL<RP,電流表損耗大,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,電壓電流功耗函數圖 9,此時Rp=200,當負載電阻RL約大于447.2Ω時,推薦電流表內接,反之外接,示意圖圖 10。

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  圖 9 電壓電流表功率損耗函數圖

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  圖 10 內外接判定標準圖

  1)電流表外接---測量較大電流

  將電壓測量回路連到近負載一側。電流測量回路測得流經負載的電流IL和流經電壓測量回路的電流IU之和。因為測量回路電流為IL,所以誤差僅為IU,對測量精度的影響為IU/IL。

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  圖 11 電流表外接圖

  2)電流表內接--測量小電流

  將電流測量回路接到近負載端。電壓測量回路測得的電壓等于負載電壓eL和電流表兩端的電壓eI之和。因為測量回路電壓為eL,誤差為eI。對測量精度的影響為RI/RL 。

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  圖 12 電流表內接

  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測量精度的影響。

  電壓測量回路和電流測量回路內部結構圖,如圖 13,因為外部機箱與屏蔽盒絕緣,所以存在雜散電容Cs。而誤差正是由該雜散電容產生的電流形成的。

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  圖 13 測量回路內部結構圖

  作為舉例,將考慮電源的一端和外部機箱接地的情況。

  這種情況下可以考慮2種電流,負載電流IL和通過雜散電容的電流ICs如圖 15虛線所示,IL從電流測量回路流經負載回到電源。如點劃線所示,ICs從電流測量回路流經雜散電容、外部機箱接地回到電源。

  因此,在電流測量回路即使只測量IL,得到的也是IL與ICs的和(矢量和),誤差僅為ICs。假設施加于Cs的電壓是VCs (共模電壓),可以通過以下公式求取ICs。因為ICs相位超前電壓90°,所以功率因數越小,ICs對測量精度的影響就越大。ICs= VCs × 2πf × Cs。

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  圖 14 電流輸入端子連到靠近電源高端

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  圖 15 雜散電容帶來影響

  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。這樣就降低了對測量精度的影響。

  電壓正反接影響

  1)電壓反接

  接地的信號源電壓加在屏蔽殼對地電容Cs上,形成額外的泄露電流ICs,在信號源內部和LO測試線阻抗上造成壓降。

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  圖 16 電壓反接

  2)電壓正接

  信號源電壓加在屏蔽殼對地電容上的電壓很小,ICs為零,沒有額外的泄露電流。

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  圖 17 電壓正接

  綜上,為了實現精確測量,測量走線選用雙絞線或者同軸電纜,根據實際情況選擇適合的接線方式,電壓高端和低端確保不接反。


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