找出影響低電壓測量穩(wěn)定性的誤差源

如何選擇電壓表

許多種儀器可以測量電壓，包括數(shù)字多用表（DMM），靜電計和納伏表。要想成功測量電壓，需要電壓表的輸入阻抗遠遠大于被測器件（DUT）的內(nèi)部阻抗（源阻抗）。如果不是這樣，電壓表測量的電壓會比接入表以前的電壓更小。靜電計有很高的輸入阻抗（典型在100TΩ量級〔10014Ω〕，所以他們被用來測量高電阻的電壓，DMM和納伏表可以測量10MΩ或低源電阻的電壓。納伏電壓表更適合測量低內(nèi)阻的源的小電壓（毫伏或微伏）。

低電壓測量

當測量較高電壓時可以忽略的偏置電壓和噪聲源，在低電壓測量時會帶來很明顯的誤差。固定的偏壓通常可以通過輸入端短路，然后用儀器的回零（相對）功能來使其為零。下面幾段中討論會影響到低電壓測量的不穩(wěn)定的誤差源以及如何使他們對測量的影響最小。

熱電動勢

在低電壓測量中最常見的誤差源是熱電動勢（熱電EMFs），這是由導體的節(jié)點間溫度的差異造成的（如圖1）。

構(gòu)造電路時導體都使用同種材料可以使生成的熱電動勢最小。例如，由銅的接線片或接線柱形成銅－銅接觸的結(jié)，這樣會產(chǎn)生最小的熱電動勢。而且，結(jié)點必須清潔，未被氧化。

在電路中使溫度梯度降至最低也可減少熱電動勢。一個減小溫度梯度的方法是將所有接點放在很接近的地方并保證與一個公共的大熱沉有好的熱耦合。如果這樣難以實現(xiàn)，就熱耦合每一對相應(yīng)的不同材料的接點使它們的溫差最小，這也有助于減小熱電動勢。

Johnson 噪聲

電壓表能測量的電壓的極限的限制是由 Johnson（熱）噪聲決定的。這種噪聲是與電子熱運動產(chǎn)生的相關(guān)電壓。所有的電壓源都有內(nèi)阻，這就會產(chǎn)生Johnson噪聲。某一電阻產(chǎn)生的噪聲電壓大小由下面的公式計算出：V= √4kTBR

k= Boltzmann,s 常數(shù)（1.38×10-23J/K）

T＝源的絕對溫度K

B＝噪聲帶寬 Hz

R＝源內(nèi)阻Ω

從這個公式可以得知，Johnson噪聲可以通過降低溫度，減小測量的帶寬來減小。減小測量的帶寬相當于增加儀器的響應(yīng)時間；因此，額外增加濾波，通過增加儀器的積分時間（典型值為電源周期的整數(shù)倍）來減小帶寬。

地線回路

當信號源和測量儀器都連接到同一地線上時，地線回路就形成了（如圖2a）。比如說這樣一種情況，幾臺儀器在不同機架上，電源插在同一接線板上。經(jīng)常在地線上的不同點處有不同電位。這個電位差--甚至很小的--就能形成電路中很大的電流并產(chǎn)生不希望的電壓降。解決的方法是將整個測量電路以一點接地。最簡單的辦法是隔離DUT（源）并且為測量系統(tǒng)找一個單一的良好接地點，如圖2b。要避免將靈敏測量線路與使用中的其他儀器，機械裝置及大功率設(shè)備接入同一地線系統(tǒng)。

磁場

磁場能在如下兩種環(huán)境下產(chǎn)生虛假電壓:1）如果磁場隨時間變化，2）電路和磁場有相對運動（圖3a）。導體在磁場中的運動，測量系統(tǒng)中的元件引起的本地的交變電流，或磁場的有意的變化如磁阻測量等都能產(chǎn)生變化的磁場。

為使感應(yīng)出的磁感應(yīng)電壓最小，引線必須被放置在一起并系緊以減少移動。雙絞電纜從兩方面減小磁場效應(yīng)：一，減小磁場影響的閉環(huán)區(qū)域；二，雙絞線上相鄰閉環(huán)產(chǎn)生的電壓極性相反可以互相抵消。（圖3b）

低電阻測量

低電阻（<10Ω）最好是用加電流源測電壓的方法測量。對極低電阻（微歐或更小）或其他有功率限制的地方，常常要用到納伏表。因此，所有前面提到的低電壓技術(shù)和誤差源，在這里都適用。低電阻測量還多些其他的誤差源。