深入​了解​PXIe-4081 7½位数FlexDMM架构

NI于2002年发布了第一款PXI FlexDMM。这款产品为工程师攻克传统精密仪器所固有的测量难题（测量能力和灵活性有限）提供了解决方案。因为FlexDMM不但在测量吞吐量方面可媲美更高分辨率​的​数字​万​用​表​(DMM)，而且售价方面通常也比数字万用表低出数千美元。​在首款PXI FlexDMM发布之后，NI继续对FlexDMM架构进行创新，其中包括：

• 将​最​高速​测量​模式​下​的​吞吐量​提高​了​一倍
• 增加​了​1.8 MS/​s​的​隔离​高​电压​数字​化​仪​模式
• 发布​了PCI​版本的​PXI-4070​的
• 发布​了PXIe-4082 6½位数​FlexDMM​和​LCR​仪表

​NI PXIe-4081 7½位数​​FlexDMM是最新产品。PXIe-4081 FlexDMM提供了26位精度和分辨率，与先前的FlexDMM设备相比，分辨率提高了10倍，精度提高了60%。如表1所示，PXIe-4081还提供了极宽的测量量程，因此可以测量的直流电压量程为±10 nV至1000 V、电流量程为±1 pA至3 A、电阻量程为10 µΩ至5 GΩ，另外还能够进行频率/周期测量和二极管测量。FlexDMM具有隔离数字化仪模式，在所有电压和电流模式下均能以高达1.8 MS/s的采样率采集直流耦合波形。本文档提供了FlexDMM与传统DMM模数转换器(ADC)及其架构的详细对比。

表1.FlexDMM输入比较

¹仅限PXIe-4082。 可考虑PXI LCR测试仪作为测量电感和电容的其他选择。

传统DMM通常注重分辨率和精确度，而非高速采集功能。故而在噪声性能与速度之间存在固有局限性，这两者的关系可由一个基本物理函数表示。电阻的约翰逊噪声是理论限制的一种，此外半导体设备技术也存在一些实际局限性。但是有许多其他选择有助于实现最佳测量性能。 

一些专用的高分辨率DMM能够提供高分辨率和高采集速度，但价格十分昂贵（近8000美元），而且只适用于占用大量系统或工作台空间的全机架配置。
使用传统硬件平台是造成DMM速度局限性的另​一个原因​所在，​即​GPIB (IEEE 488)​接口​总​线。自20世纪70年代开始使用以来，尽管这种接口​在​速度、​灵活​性​和​成本​方面进行了权衡取舍，但依然​是公​认的​标准​​接口。​​大多数传统的“箱式”DMM都使用这种接口，尽管现在USB和以太网等其他接口标准也可用于传统DMM。​所有​这些​接口与DMM之间​的通信方式都是​向仪器​发送消息并​等待​响应，这本身就比在​PXI​模​块​化​仪器​中使用基于​寄存器​的​访问​速度​慢。

即使尝试更换GPIB接口，DMM在速度和精确度方面仍然存在基本的局限性，这主要源自于DMM内部使用的ADC。为了​更好​地​了解​所​用​​技术，​需要​在​性能​方面​进行​更​为​细致​地​分析。

双斜率ADC技术

从​历史​角度​来看，​发明时间最早​但却​最常用​的​​精确A/D转换形式​之一​是​双​斜率ADC。​自20世纪50年代以来，该技术​就已得到广泛应用。​它本质上是一种两步式过程：首先，将输入电压（表示待测信号）转换为电流，然后通过开关S₁施加到积分器的输入端。当积分器连接到输入端时（积分循环或孔径开始），积分器输出会斜升至积分循环或孔径结束，此时输入端与积分器断开连接。​现在，​精确​的​已知​参考电流​通过​开关S₂连接​到​积分​器​上，​积分​器输出斜降​至​跨越​零点。​在此期间，​高​分辨​率​的​计数​器​开始​测量​积分​器​输出斜降​至​零点​所​需​的​时间。所测得的时间（相对于积分时间和参考电流）与输入信号幅值成正比。请​参见​图​1。

图1.双斜率转换器结构框图

这项技术如今​仍然​运用于​众多​高​分辨​率​​DMM​中。其优点是简单且​精确​。通过​增加积分次数，​​可以将​分辨​率​提高​至理论极限。​但是，​以下​设计​局限​性将​最终​影响​产品​性能：

• 必须​对​积分​电容器​的​电​介质​吸收效应加以补偿，​即便是需要​复杂​校准​过程​的​高​质量​积分​电容​器也​须如此。
• 和​参考​源​一样，​信号​必须是门控的。​在这个​过程​中可能​会​引发电荷​注入​效应，即电荷注入到​输入​信号​中。​电荷​注入效应​可能​会​产生​输入​相关​误差​（非线性），如果​​分辨​率非常高​（6½位​​数或​更高）​，这些​误差会​难以​补偿。
• 斜降​时间​大大​降低​了​测量​速度。斜降​速度​越​快，​由​比较器​延迟、​电荷​注入效应​等引起​的​误差​也​会​越大。

​有些​拓​扑​结构​在​积分​器​之前​使用​跨​导，​将​电压​转化​为​电流，​之后​使用“电流导引”网络​将​电荷​注入效应​降至​最低。不幸​的是，​这个​附加​的模块会额外增加​复杂​度并可能产生​误差。

尽管​存在​这些​设计​​局限性，​双​斜率​转换​器仍应​用于​大量DMM​中，涵盖最​常见​的测试台​或​现场​服务​工具以及​计量​级别​的高​精度、​高​分辨​率DMM。​与​大​多数​集成A/D技术一样，​双​斜率​转换​器也可以提供相当好的噪声抑制。​将​积分​周期​设置​为​1/​PLC（电源线​频率）​的​倍数，​可以​使​A/D抑制线​频率​噪声，而这正​是​我们希望得到​的​结果。

电荷平衡与单斜结合的ADC技术

许多​制造​商​借助电荷平衡与单斜结合的ADC技术，​克服​了​双​斜率​转换​器​的​电​介质​吸收​和​速度​问题。​​这项​技术本质上与​双​斜率技术​相似，只是​在​积分​周期​中​对​参考​信号​施加​了​量化​增量。这有时被​称为“调制”。​ 每​个​增量​代表​了​一个​固定​数量​的​最终​计数。请​参见​图2。

图2.电荷平衡转换器结构框图

​​图​2​中​用t_孔径表示积分阶段，打开S₁后，V_x​施加​在R₁两端，​此时​积分​斜坡​开始。​通过控制​开关S₂和S₃，以​固定​间隔施加反向电流。如此​就​可以“平衡”C₁中的电荷。​每次​将S₅连接​到​V_R​时，​都会生成测量​计数。​实际​上，就​更高​分辨​率​的​测量​（增加积分次数）​而言，在t_孔径阶段即可生成大部分计数。​在​电荷​平衡​阶段结束时，​与​双​斜率转换​器​的​情形​一样，​将​对​积分​器​施加​一个​精确​的​参考​电流。​积分​器输出​将​斜降​至​跨越​零点。​该测量值的计算依据为积分期间的累积计数，并与斜降期间的累积加权计数相加。制造​商​使用​两​个​或​更多​的单斜​参考电流，​这样​可以加快输出斜降进而优化​速度，​还​可以​减缓“最终​斜坡”，以得到​更高​的​精确度。

​尽管​可以​利用电荷平衡与单斜结合的A/​D技术显著改进​积分​电容器​的​电​介质​吸收​问题，但该技术的性能优势与双斜率转换器相似。​（实际​上，​有些​双​斜率​转换​器​中会使用​多个​下降​斜坡。）​ 由于​在​电荷​平衡​阶段​生成的​计数明显降低​了斜降误差的影响，​因此​大大​提高​了​速度，​加快了斜降​速度。​然而，​由于​需要​停止和重置​积分​器，​如果​进行​多次测量​或者进行信号数字化，​就​会​出现​明显时滞。

这种ADC类型自​20世纪70年代以来​就​已投入​了​商业​使用，之后​经历了巨大发展。​早期​版本​使用​与​电压​频率​转换​器中​类似​的​调制​器。​由于​频率​依赖性寄生​效应，存在线性度问题，​因此​转换​速度受到​限制。​在20世纪80年代​中期，该技术​经过​改进，​引入​了“恒频”调制​器，直到​今天仍在广泛​应用。​这​极大地​改善​了​这类转换​器​的​最终​性能​和​生产​力。

Sigma-​Delta​转换​器​技术

Sigma-Delta​转换​器​又​称为​噪声​整形​ADC，最早发展于​​电子​通信​业​。如今，该技术主要用作数家​制造​商​的商用A/​D​构件基础。​​在​过去​的​十年​中，尽管​这一领域发生了重大变化​（原因为​音​频​与​电信领域​对​高​动态范围​转换​的​需求​日益​增长​），​大量​的​研究​仍在不断​进行​中。现在，​一些​模​块​化DMM​（PXI(e)、PCI(e)和VXI）​使用​sigma-​delta ADC作为​采集​引擎​的​核心。​该技术也常用于对信号进行数字化处理：

• 动态​信号​分析(DSA)
• 商业​与​消费​者​音​频​及​语音
• 例如​振动、应变和​温度​等​物理​参数，​其中​中等带宽​数字​化​就​已​足够

Sigma-​delta​转换​器​的​基本结构框图​如​图​3​所​示。

图3.​Sigma-​Delta​转换​器结构框图

​Sigma-​delta​转换​器​的​基本构件​是​一个或多个积分​器、​1位ADC和​数模转换​器(DAC)​以及​数字​滤波​器。通过​结合​积分​器部分与​数字​滤波​器设计来进行噪声​整形。要实现​这些​模​块有多种方法可供选择。​​​关于​积分​器部分和​数字​滤波​器部分的​最佳​个​数以及​A/​D​与​D/​A​转换​器的最佳位数​等​存在​不同​的​意见。但基本的操作构件在本质上仍然是相同的。​调制​器​由​1位​电荷​平衡​反馈​回路​组成，​这与​之前​所​描述​的​相似。​由于固有的精确度​和​单调​性，1位ADC是​得到​良好​线性​度的​关键。

使用商用​sigma-​delta​转换​器​有​许多​优点：

• 线性度良好，并能提供出色的微分非线性(DNL)
• 可以​高效​控制​信号​噪声
• 本身即可进行​采样​和​跟踪​（无​需​采样​保持​电路）
• ​通常​成本​较低

但是，在​高​分辨​率DMM​中使用​成品​sigma-​delta ADC存在一些​局限性：

• 由数字滤波器的流水线延迟而导致速度受到限制，特别是在扫描应用中
• 尽管​sigma-​delta ADC通常是​线性、​低​噪声​的，但​制造​商​规格​会​将​精确度限制​为5½位数​（19位）
• 调制“单频”可能会混入滤波通带，导致在​高​分辨​率​下​出现​问题
• 对​速度－噪声权衡、​采集​时间等的控制有限

FlexADC​是​NI FlexDMM家族（PXIe-4080、PXIe-4081及PXIe-4082）​的​核心。​FlexADC​提供了高速​高​精度​测量所需​的​噪声性能、​线性度、​速度​和​灵活​性。​如图4所示，FlexADC的基础在于将现成的高速ADC技术和定制设计的sigma-delta转换器相结合。这种组合优化了线性度和噪声性能，可达到7½位数的精确度和稳定性，同时提供了高达1.8 MS/s的数字化仪采样率。

图4.FlexADC转换器

​图​4​中的结构框图所示为FlexADC工作原理​的​简化​模型。​低速时，该​电路发挥​sigma-​delta​转换​器​的优势。反馈DAC是​为​实现​极​低​的​噪声​和​卓越​的​线性​度​而​设计​。​​低​通​滤波​器为​所有​分辨​率​下​实现​高效​性能提供了必要的噪声​整形。采样率为1.8 MS/​s​的超高​精确度​​​调制​器​提供​了​极​高​的​分辨​率，​所以​并不​需要​使用​斜降​电路。​高速时，采样率为​1.8 MS/​s​的​调制​器​与​快速​采样ADC​可以结合​在一起，以提供连续​采样​数字​化。数字信号处理器(DSP)提供了实时序列生成、校准、线性化、交流真均方根计算、抽取，以及用于直流函数的加权噪声滤波。

FlexADC​具有​以下​优点：

• FlexDMM​独特​的架构所提供的​连续​可变​读​取​速率范围为​7 S/​s​（7½位数分辨​率​）至​​10 kS/​s​（4½位数分辨率），​如​图​5​所​示。
• ​可以​将​FlexADC​作为​数字​化​仪​，并以​最高​1.8 MS/​s​的​采样​率运行。
• 由于​使用​了​定制​​sigma-​delta​调制​器，​噪声​整形与​数字​滤波均已优化，可用于DMM和数字化仪应用。
• 与​其他ADC转换​技术​不同，​无​需打开或关闭​输入​信号​。​因此，​可以​实现​连续​信号​采集。
• 可以完成直接​ACV​转换​和​频率​响应校准，​而无​需​使用​传统​的​模拟交流Trms​转换​器​和​​模拟“修​边​器”进行平坦度校正。
• 使用​合适​的​噪声整形算法​可以​明显降低​在​所有​函数​中的​输入​信号​噪声​（请参见​直流​噪声​抑制）。
• 在​对​信号​进行​数字​化​之后，使用​NI LabVIEW​软件​执行​基于​主机​的​高级​函数，​从而​得到​几乎​无​穷​的​信号特性分析​选项​列表（快速​傅立叶​变换、​计算​阻抗、​交流​峰值​系数、​峰值、​交流​平均​值等等）。

图5.FlexDMM直流读取速率

​表​2​比较​了4​种ADC​的架构：

表2.ADC架构比较

所有​FlexDMM​都​带有​最为​稳定​的​板​载​参考​源。​FlexDMM采用了众所周知的热稳定性​参考​源作为参考电压，提供了无与伦比的性能。最后​得到​的​最大​参考​温度​系数​小​于​0.3 ppm/​ºC。该​设备​的​时间​稳定​性约为8 ppm/​年。同价位的​其他DMM都​无法​提供​此​参考​源​及​​其稳定​性。​这​就是​FlexDMM​能提供2​年​精度​保证​的​原因。

电阻​函数​以​一个​10 kΩ的​高度​稳定​金属​丝​电阻​为​参考​，该电阻最初是​为​要求​严格​的​航天​应用​而​设计​。该组​件​的​温度​系数​低于​0.8 ppm/​ºC，​时间​稳定​性​小​于​25 ppm/​年。

固态​输入​信号​调理

机电继​电​器开关​是大​多数​传统DMM中的​主要​测量​误差​源。​接触​感应的热​电压偏移可能​会​导致​不​稳定​和​漂移。​FlexDMM​设备​​中只保留了​DCV、​ACV​和​电阻路径​中的​一个​继电器​。在​这个​继电器​中，​特殊​的​继电器​接触​配置​能够​抵消​热​误差。​​这个​继电器​只有​在​自校准时可开关。​所有旨在实现函数​和量程变换​的测量开关​都可以采用低温、​高​可靠性​的​固态​开关​​。因此，​机电​继电器​老化失效​问题​能够彻底​消除。​图​6所示为最​灵敏​范围（100 mV量程）​内的隔夜​漂移​性能。​每​个刻度间距为​500 nV。为便于比较，图6所示为在相同条件下​使用​传统​的6½位数DMM​和​全架式​8½位数DMM进行了相同的测量。

图6.带有​短路​输入​的​FlexDMM（下）与​传统DDM（上）​在100 mV量程内​稳定​性​​的比较曲线（以500 nV为刻度间距）

线性度

线性​度可作为DMM​传递​函数“质量”的​度量，这​在​转换​组​件特性分析应用​中提供优于商用ADC的DNL​与​INL（积分非线性）​性能十分重要​。​FlexADC旨在实现出色的​DNL​和​INL​线性​度。​线性​度​决定​了​自校准​功能​的​可​重复​性，​因而​十分​重要。图7所示为在-10 V至+10 V的量程内测得的典型FlexDMM线性度图。

图​7.10 VDC量程线性度

在特定温度下对传统​的6½位​数和7½位数​DMM进行校准，​这种校准​在​有限​温度范围​内​完成，​通常​为​±5 ºC（在​某些​情形​下​甚至​是​±1 ºC）。因此，只要在此温度范围之外使用DMM，由于​温度​系数​的​影响，​其​精度​规格​也​会​降低，通常每摄氏度的降低值为精度规格的10%左右。​因此，​在​指定范围之外​10 ºC​左右，产生​的误差就可能是指定​测量​误差的​两​倍，​在绝对精度很重要时，这会是一个严重的问题。

如果​温度偏移​超出​了​这些​限值，​同时应用​对​误差​规格的要求十分严格，​则​需要​在​新的​温度​下​​重新​校准。以传统的7½位数DMM中的10 VDC量程为例，DMM可能的精度如下：

精度保持两年：温度T = T_自校准±5ºC时，误差为（读​数的12 ppm + 量程的0.5 ppm）

​在​这种​规格​下，​如果​对输入施加​5 V且量程为10 V，​得到​的​误差​是：

​5 V的12 ppm + 10 V​的0.5 ppm=10 µV，​温度范围由上次自校准时的温度决定。

确保PPM级精确度

为了减轻​这些影响​产生的​误差，​所有​FlexDMM​设备​都​为​直流​电压(VDC)、​电阻、​二极管​和​数字​化​仪​模式​提供​了​专用​自校准​功能。​这一功能的重要性体现在以下方面：

1.自校准功能将DMM内部的所有信号路径增益和失调误差校正为前述具有高精确度、高稳定性的内部参考电压。

2.自校准的对象包含所有​电阻​电流​源、​增益​和失调​误差。​​将电阻的所有​误差均按照单个内部10 kW精密电阻进行校正。

3.自校准只需1分钟即可完全重新校准​所有​范围内的电压、​电阻​和​数字​化​仪​功能。​在​传统​DMM中，​执行此​功能​需要​10​分钟​以上。

​使用​自校准后，​即便​是在​传统​​温度​范围（18​ ºC至​28 ºC）之外​工作时，DDM也可以保持高度准确且具有超高稳定性。​对于​上述示例​而言，​90​天​和2​年​规格中完全涵盖了​使用自校准后由​温度​系数​带来​的​额外​误差：

温度系数 =（读数的0.3 ppm + 量程的0.01 ppm）/ºC，则额外误差为：

22 ºC × 温度系数=（读数的6.6 ppm + 范围的0.22 ppm）或35.2 µV总不确定度。环境温度为50 ºC时，该误差几乎比规定的1年精度高4倍。

​这表示在​​FlexDMM​的​整个工作​温度范围内，​精度得到了显著提升。​表​3为结果总结。

表3.示例​总结－不确定性分析（在​10 V量程​内​以​5 V为步长进行测量​）

请注意​，在​50 ºC​下，相比​传统​方法​而言​，使用​带有​自​校准​功能​的​FlexDMM​​，测量​精度提高​了​7倍。​表​4为​自校准​与​传统​的“工厂”校准​之间的比较。

表4.校准比较

在​提供​高​稳定​性、计量级​的​直流​和​交流​电压​功能​方面不容做出任何妥协。​​FlexDMM能够实现此等性能要归功于以下​因素：

• 在过去的10年中，微型表面贴装、高性能、精密组件的可用性和质量都已大幅提高
• 尺寸​更​小，布局紧凑的​电子封装​实际​上​提高​了​性能，特别是精密组件之间的热量跟踪
• 使用​FlexADC​和​DSP进行​ACV​计算​和​频率​响应校准，​​将​信号​调理​简化​为​一个​公共路径，减少了组件和开关，并降低了复杂性
• 摒弃“前​－​后”开关​（在​箱​式​DMM中​十分​常见），​简化​了​输入​布局，​降低​了​关键​电路​信号​路径​阻抗，​提高​了​信号​完整性
• 作为​PXI​系统​机​箱​中的​常见​组​件，​电源​在​测量​模​块​上并​不​占用​空间

高电压架构

​NI PXI-4081可用于测量​1000 VDC以及用户设备等级(​CAT) I​级以​下​的​700 VAC Trms。要使用超​小型​PXI​模块精确​测量​1000 V，​必须​考虑​组​件​故障、电压间距、​衰减​器​设计​以及​前端​电路​的​功​耗限制。

单个​10 MΩ​输入​衰减器

过去，DMM​在​前端​信号​调理​电路​中同时​使用​1 MΩ​和​10 MΩ​衰减​器。1 MΩ​衰减​器​在调理700 VAC​信号​时的功耗会超过0.5 W。微型精密组件很难满足这一要求。控制由​温度​系数引入​的​误差​对于尺寸​较大​的​组​件​而言​也是​一项​挑战。​因此，​需要​避免​使用​1 MΩ​衰减​器。​在​传统​DMM​中​使用​1 MΩ​衰减​器​的另一重要​原因​是可以实现​宽​交流​带​宽。​传统​的​10 MΩ​衰减​器​设计​无法​达到与​1 MΩ​衰减​器​设计​相同水平​的​交流​带​宽。

PXIe-4081 FlexDMM创新地采用了按比例缩小的自举电路设计，以消除传统设计中不利于宽带宽性能的衰减器电容。图8所示为经过仔细设计且精心布局的自举电路，用于最大程度地减小输入衰减器网络RN中100 kΩ衰减器支路上的杂散电容。​通过添加​由​R1-​R4​、C1以及​U1​构成​的按比例缩小自举回路，​可以​确保​平稳​的​阶​跃​响应。​更​为​重要​的是​得到​的​特征​响应​与​单​极​RC​十分​接近，​这​对于​数字​化​仪​和​直流​阶​跃​响应​非常​重要。

图8.PXI-4081的按比例缩小自举回路

其次，PXIe-4081使用数字交流DSP平坦度修正对残余衰减器平坦度进行补偿，无需使用电容器进行补偿。​在要求单个​衰减​器能够完成交流_rms、​精确​直流​和​数字​化​仪​信号​的​情况​下，​这​两​种​补偿​方法​与​其他​方法​相比，​可实现​数量​级​上​的​提升。

组​件​故障​与电压间距

高​电压​测量​最​严峻​的​挑战之一​是量程​选择​开关​（继电器）​故障。​​过去，DMM使用​的是高​电压​继电器。在同一封装中，难以兼顾高​电压​继电器​开关​与​高​可靠性，​更​不用​说​在​微型产品中了。

​为了同时​满足​这​两​个​要求，​PXIe-4081采用​了​全新​的​固态​设备进行量程选择。在​关闭​状态​下，这种固态设备能够​承受​1000 V​以上​的​电压。​该设备​不存在​传统机电​继电器​的​可靠性​问题，​因为没有​易于被高​电压​开关​损坏​的触点，也就不会受到触点​寿命的​限制。​固态继电器​输入​信号​调理​的​第2个​优点​是​出色的​低​压​直流​热​性能。​在​价格低于​5000​美元​的​设备​中，​这种可以准确测量​1000 V的DMM组合​是​史无前例​的。

​采用固态​高压​开关后无需​使用​1 MΩ分隔器，采用​DSP后无需使用校准组件，因此可以增加板卡表面和待封装区域的可用性，从而满足对电压间距的要求。​​如今可以​调整布局，以​满足​​CAT I​对​1000 V PXI​仪器​的要求。

直流噪声抑制

直流噪声抑制是NI独有的功能，​所有​FlexDMM​设备​均配备此功能以进行​直流​测量​。​FlexDMM​返回​的​每​个直流​读​数​实际​上​是​多个​高速​采样​的​数学​计算结果。​通过​调节​这些采样的​相对加权因子，​​可以调整​FlexDMM​设备​​对​不同​干扰​频率​的​灵敏​度。可用的加权因子有3种：常数、​二阶、​高阶。

常数

如果​选择常数​直流​噪声​抑制，则所有采样的加权因子相等。该过程模拟了​大​多数​传统​DDM的噪声抑制行为，假设在f₀的倍数​频率​下可实现​良好​抑制，​其中f₀=1/t_孔径，​即为测量选定的孔径时间。​图​9所示为常数加​权因子​和​由此实现的作为频率函数的噪声​抑制​。​请​注意，​仅​在​非常接近f₀倍数​的​频率​下​可以​得到​较好​的​抑制。

图9.常数直流噪声抑制

二阶

二阶​直流​噪声​抑制​对​测量采样应用​了呈​三角​形变化的加​权因子，​如​图​10​所​示。​​​请注意，​在f₀的​偶数​倍​附近可以获得​非常​好的​抑制，​同时​相比常数采样加​权因子​而言，​随着​频率​增加，​抑制增强速度越快。请​注意，二阶加权因子情况下的​响应陷波相比采用常数加​权因子时​更宽，​会导致对噪声频率轻微变化的灵敏度降低。若要实现比常数直流​噪声​抑制​更好​的​电源​线​噪声​抑制，​​可以​使用​二阶​直流​噪声​抑制，​但是​无法​通过​降低​采样​率​而使用​高阶​噪声​抑制。例如，​对于​60 Hz​的电源线​频率而言，​可以​将​孔​径​时间设置​为​33.333 ms。

图10.二阶直流噪声抑制

高阶

图​11​所示为高阶采样加​权因子​和由此实现的​作为频率函数的​噪声​抑制。​请​注意，​噪声​抑制效果​在4f₀左右​开始​加强，​在​超过4.5f₀后​变得​很​强。​​使用​高阶​直流​噪声​抑制时，设备几乎对4.6f₀以上任何​频率​处的噪声不再灵敏。​在高于46 Hz的任何频率下，量程为10 V时，使用高阶直流噪声抑制、具有100 ms孔径时间（10读数/秒）的FlexDMM，在超过1 V的干扰电源线噪声下可提供完整的6½位数精度。这相当于常数模式抑制​高于​110 dB​的​水平，对电源线频率的变化不敏感。

图11.高阶直流噪声抑制

表5总结了三种直流噪声抑制设置之间的区别。

表5.直流噪声抑制设置

交流电压测量

交流​信号​通常​用RMS​幅​值​表示，​这​是​其​总​能量​的​度量。​RMS​代表​均​方​根；​要​计算​波形​的​均​方​根值，则必须​对​信号​电​平​​的平方​求​平均值，​然后​取​其​平方根。​尽管​大​多数DMM​在​模拟​域中进行​非线性​信号​处理，而​FlexDMM​使用​板​载​DSP​计算​交流​波形​数字​化​采样的均方根值。​最后得到无噪音、​精确、可​快速​稳定​的​交流​读​数。​数字​算法会​自动​抑制信号​中的​直流​分量，使其能够绕过稳定速度较慢的输入电容器。​为了​测量较大​直流偏移​中的较​小​交流​电压（如​直流​电源​的纹​波​），​FlexDMM​提供​了​标准​的交流​电压​模式，以通过耦合​电容器​消除偏移，从而使用最​灵敏​的​范围。

​FlexDMM​采用​的均方根​算法​仅通过​波形​的​4​个​周期​（循环）即可​得到​​稳定​的​读​数。例如，精确​测量​1 kHz​正弦波​需要​4 ms的测量孔径时间​。​该技术​的​优点​是​能够​提高​系统​性能。​使用​传统​DMM时，必须​要​等待​模拟​Trms​转换​器​稳定之后​才能​进行​测量。​而​使用​FlexDMM时，​则​无需等待​Trms​转换​器​稳定​。​其结果是更快地生成交流读数，这一优势在配备有开关的系统中十分突出。

进行​均方根计算​的​数字​方法还具备精度优势。​该​算法对​峰值因子完全不敏感，​并​能够​得到几乎无噪音且十分稳定​的​读​数。​传统DMM的交流​精度​是​全​量程​的​10%，而​FlexDMM的​交流​精度​是全​量程​的​1%，​甚至能够以​低于全量程的​0.1%的精度获得​有效​读​数。

扩展DMM电流​测量​的​动态量程​是​为了​满足​不断​增长​的​用户​需求。​​在电流较高的应用中，​可能需要监测电池、电路或机电设备的负载性能。如今​的​集成​电子​设备​需要​更大的功率。因此，​对测量水平​高于​1 A​的​设备​进行​测试​和​特性​分析​的​需求​正在​增加。​​在电流较低的应用中，​如​半导体​设备“关闭”特性等大多数应用可能会达到​微​安​或​纳​安级别。

PXIe-4081通过实现一种全新的固态电流测量配置来满足这两种需求，该配置提供了从1 µA到3 A的8种直流电流量程和从100 µA到3 A的6种交流_rms电流量程，1 µA量程下的灵敏度低至1 pA (10^至12 A)。要实现这两个极端情况则需要一种独特的电路设计方法。高压或电流过载保护和低漏电测量历来无法兼顾。​FlexDMM采用了独特​的​设计​方法，如图​12所示。该图为这种独特设计方法的极简图，其中​显示​了​​PXI-4081​中5个​电流量程中的3个。

图12.简化​的​PXI-4081​电流​信号​调理

使用固态设备进行​电流量程​选择，​可以​在​较​小​的​物理​空间​中​实现更高的可靠性和更好的保护。​此外，​实际​上，两​种​电流量程选择​设备​Q3​以及​Q4​​是在过载​时发挥作用，​从而​可以​保护​高​稳定​性的​电​流感测电阻，并​为​最严苛​的​应用​提供稳健性。

PXIe-4081 FlexDMM还能够以1.8 MS/s的最大采样率获取高达1000 VDC和700 VAC (1000 V_p)的直流耦合波形。通过​简单​地​改变​采样​率，​即可将​数字​化​仪​分辨​率​从​10位​提高​到​26位。​ 有了​隔离​数字​化​仪​功能之后，由于不必单独购买数字化仪，减小​了​测试连接件​尺寸​并降低了​维护​成本，因此​FlexDMM可以最大限度地降低整个测试系统的成本。

通过将LabVIEW图形化开发软件与FlexDMM的隔离数字化仪模式相结合，可以在时域和频域分析瞬态和其他非重复性的高压交流波形。​其他​高​分辨​率DMM​都不具备此​项​功能。

例如，​测量​点火​线圈​的回扫电压是​汽车​行业​中的​常见应用。​点火线圈（产生用于驱动发动机火花塞的高电压）由一个初级线圈和一个次级线圈组成。​次级线圈​的匝数通常比初级​线圈多​，因为将匝数比与施加在初级线圈上的电压相乘可得到输出电压。在​电流​突然断开​时，​磁场​的​变化​会使次级线圈感应出很高的电压​(+20,000 V)。该电压将​传送​至​火花塞。

由于次级线圈​上​的​电压​非常​高，测试​实际​上​是在初级线圈​上​完成​的。​回扫波形通常在10 µs左右，峰值电压为40 V至400 V，具体取决于点火线圈。有关这种波形的常见测量内容有峰值点火电压、保留时间和燃烧时间。​​FlexDMM​数字​化​仪​功能​和​LabVIEW​分析​函数可用于构建回扫​电压​测量​系统。

隔离数字化仪的优点

​隔离​特性有助于在存在大量共模信号的情况下，安全地测量较低电压。​隔离特性有以下三个优点：

• 增强​抑制－​隔离​提高​了​测量​系统​抑制​共​模​电压​的​能力。共模电压是指测量设备的正负输入端都存在或“共有”的信号，但​并非​测量​信号的​一部分​。例如，​共​模​电压​在​燃料​电池​中​一般​为​数百​伏特。
• 提高安全性－隔离​建立​了​绝缘​屏障，​因此可以进行浮动测量，同时免受较大的瞬时电压尖峰影响。​适当​隔离​的​测量​电路​通常​可以​承受​高于​2 kV​的尖峰。
• 提高​精度－隔离​通过​防止​物理​接地​回路，​提高​了​测量​精度。接地​回路是误差和噪声的常见来源，​这是​因为​测量​系统中存在多个不同电位的地。

FlexDMM具备完整的电阻测量功能，具体分为​2​线​和​4​线​电阻​测量​功能。​当较长的测试线缆和开关导致“测试引线”电阻​失调，难以测量低电阻时，使用4线技术。​但是，失调​电压​有时会引入较大误差。

失调补偿电阻
针对以下情形，​FlexDMM​提供​了​失调补偿​电阻​测量，​这种测量对于​许多​电阻​测量​应用​中的失调电压不​灵敏：

1. 使用无补偿簧片继电器的开关系统（无补偿簧片继电器的失调电压可能大于10 µV，这是由设备玻璃密封处使用的Kovar接头材料造成的）。
2. 在线电阻测量（例如，在待测电路通电的情况下测量电源导体的电阻）。
3. 测量​电池​的电源电阻、正​向​偏​置​二极管​的​动态​电阻​等等

在情形1中，构建测试系统时使用的开关通常会针对除电阻测量以外的任务进行优化。例如，簧片​继电器​常用于射频​测试​系统，​因为​其​​阻抗​特性可预测且可靠性高。在可能已经存在簧片继电器的系统中，还可以测量待测设备的电阻。

在​情形​2​中，典型示例是在通电​的​情况​下测量​电源​总​线​的​电阻。（请注意： ​在​进行​这些​测试时，请务必小心谨慎。） 假设​电阻约​10 mΩ，​如果有​100 mA​电流​通过该电阻，​则两端的压​降​为：

若在​100 Ω量程内并未进行​失调补偿，则DMM​会​认为此时​电阻​为​1 Ω，​因为​它​认为​电压​是​由其内部​​1 mA​电流​源​通过​被​测​导线​产生​的，无法​区分​其中​的​区别。​​启用​FlexDMM​和失调补偿电阻后，​就​能够​区分​并​抑制​1 mV失调，​从而​​得到​正确​的​电阻​值。 

图13.在电流开启的情况下进行的第1次测量图14.在电流​关闭的情况下进行​的第2次测量

该​测量​包含​两​个​步骤：第​一步​在​打开​电源​的​情况​下​测量，​如​图​13​所​示。​​第二​步​在​关闭​电​源​的​情况​下​测量，​如​图​14​所​示。最终结果是两个测量值之差。由于​两次​测量​中​都​存在失调电压，因此将其减去，​不​计入​电阻​计算，​如下所示。

V_OCO=V_M1-V_M2=(I_SR_X+V_THERMAL)-V_THERMAL=I_SR_X

因此：

R_X=V_OCO/I_S

NI基于自家的FlexADC技术开发了高性能的单插槽3U PXI-4081 FlexDMM。这款产品凭借商用的​高速​数字​化​仪、​DSP​技术​和​主机​计算​机​的​处理​能力，​成功取代了传统DMM​中许多会导致​误差的​常见​​​模拟​功能。自校准功能可在0 ºC至55 ºC的整个工作温度范围内提供最佳精度，校准周期为2年。这款​PXI DMM结合使用了许多​高度稳定​的内置​参考元件，​其强大​的功能​和​性能可媲美甚至超越了​大部分​传统​DMM，堪称世界上​最快、​最​精确的PXI DMM。