关于“几位半”万用表的半位含义及其它万用表的基本原理性问题

2019-07-1016:54:54来源:微信公众号:鼎阳硬件智库 评论 1,378 views

万用表的初学者汪进进和钱大师的对话

汪进进:

万用表的几位半的半位原理上怎么理解? 哪篇文章对这个有很好的解释? 之前问过一些人,解释得我还是很迷糊,只能请教您这样大师级人物了:-) 还望不吝赐教!

钱大师:

关于万用表位数,尤其是半位的说法,下面是某培训文档里的一个页面,看一下就明白了。简言之,读数的最高位不能达到 0 ~ 9 满刻度的,最高位就只能算一个分数位,如果统称的话,都可以称半位。如果具体一点,有1/2位,2/3位,4/5位,。。。8/9位。
譬如说图中的4 1/2位的F87V, 4 4/5位的F187,F189,都可以统称为4位半,但其实精度还是有区分的。更精度的描述万用表位数的其实还有一个count数的表述,就是下面图中的读数一栏的指标。譬如F187的count数是50000,F87V的count数是20000。 我们的万用表count数是240000,即从000000~239999。
另外,万用表的位数是万用表的一个标杆性的指标,如同示波器带宽。是否是5位半或6位半的万用表,并不是看它显示的是多少位,而是看实际的有效位能否做到,它是综合了万用表实现中的ADC有效分辨率,机器的本体噪声,线性度,各种温漂,各种校准方法,甚至溯源的基准等等的一个综合性的指标。一般直观判断最简单的办法就是当短路输入时,面板显示必须只能是最后一位允许跳动。如果最后有两位跳动,那显然最后一位即使显示也没有什么意义了。
从应用来讲,万用表测量属于低频、精密测量,所测信号的频率范围一般比示波器低许多,主要是直流测量,交流测量频率范围一般1Mhz以下。但精确度比示波器高出几个数量级,从核心器件讲,一般台式万用表采用的都是24位的ADC,比示波器位数高出很多,但采样速率低很多

汪进进:

抱歉,我天资愚笨,喜欢问一些低级问题哦。 最近在开始学习万用表,问题好多。
1.你谈到的count数和ADC位数之间是什么样的关联?
2.ADC位数是24位, 不管是几位半的万用表吗? ADC的采样率一般具体是多少?
3.0.0000004%的精度,这个溯源过程是很恐怖的? 有没有校准方面的基本知识科普一下?
4.有一位是不确定的位,按道理应是小数点后面的最后一位,就像一个毫米刻度尺,不确定的应该是小数点的最后一位。 为什么是最高的那一位整数位不确定,是半位呢? 这和ADC的 LSB 的概念是怎么关联的?
5.怎么计算出是1/2位还是4/5位?

钱大师:

呵呵,你的问题一点不简单啊,看似‘低级’,其实都是问题的要害和本质,这个理解透了,产品怎么做出来就不难理解了。我试着回答下,看能否说清楚。(见蓝色回复)
1.你谈到的count数和ADC位数之间是什么样的关联?
count数是一个整机指标,譬如:我们的5位半,count是240000,基本上就是一个有效分辨率的意思,就是说 对于一个典型的电压档位,譬如说2V档位,考虑超量程,实际上该档位可测到2.39999V,就是每个count对应0.00001V,即10uV,也就是说count数就是一个满量程可分为多少份,同样是5位半,如果是120000 count,量程仍然是0 ~ 2.4V,显然每一份就是20uV,也就是说有效分辨率只能达到20uV,同样是5位半,这两种万用表的规格就有具体差别,所以说count比位数更精确
ADC的位数是指万用表核心的器件ADC的有效位宽,但ADC只是产品信号链路中的一个环节,整个信号链还包括前级的放大衰减,多路开关等调理环节,这些环节都会引入噪声,从而使整个产品测量链路的整体有效位数大打折扣。譬如:5位半的万用表其实对应的有效二进制位应该18,9位就够了,但即使24位的ADC,如果其他部分的噪声很大,实际上也未必能做到5位半的效果。但显然用一般示波器8位ADC去做,那从理论上就不可能做成5位半的万用表了。这个就是整体和部分的关系,系统指标和器件指标的关系。
2.ADC位数是24位, 不管是几位半的万用表吗? ADC的采样率具体是多少?
这个我表述有问题,我主要针对5位半或6位半的台式表而言的,不包括那些手持万用表,因为一般手持的也就是3位半或最多4位半,用个14位或16位的一般就足够了,而且一般不是分立器件方案,一个soc搞定的。一般万用表的ADC采用的是sigma-delta型的ADC,这种ADC和一般SAR型高速ADC不一样,采用的是所谓过采样的原理,采样速率和数据产生速率相差很大,这种ADC的采样率我们一般指数据速率,一般最快也就多少K而已。具体譬如说AD7190,在19位有效位时速率是4.8Khz,24位时最多7~8hz。
3.0.0000004%的精度,这个溯源过程是很恐怖的? 有没有校准方面的基本知识科普一下?
这个精度太高了,可能没有这个%吧,7位半8位半的精度了。目前业界最高的应该就8位半万用表,一般也就那些计量部们或实验室用了,那个溯源可能就是用国家基准了,就一般我们的5,6位的产品而言,用个F公司的校准器就可以了,因为它的东西理论上是更高标准校检过的。
4.有一位是不确定的位,按道理应是小数点后面的最后一位,就像一个毫米刻度尺,不确定的应该是小数点的最后一位。 为什么是最高的那一位整数位不确定,是半位呢? 这和ADC的LSB 的概念是怎么关联的?
这个不是说最高一位不确定,可以理解成测量范围扩大了,1000count的万用表,如果分辨率1mV,则最多能测到0.999V,而2000count的,就能测到1.999v. ADC的LSB相当于器件的有效分辨率,而count或有效位是整体指标,正如1所描述。
5.怎么计算出是1/2位还是4/5位?
这个就是要指明count数了,譬如60000count就是4 5/6位,20000count就是 4 1/2位。

汪进进:

我们采用 24位的 ADC,理论上count可以达到 16777216 ,但实际上可能因为放大衰减,多路开关等因素引入的噪声,使得最终的ENOB只有17,18位,所以count是240000 。可以这样理解吗?

钱大师:

是这个意思。

汪进进:

另外,我们鼎阳5位半的台式万用表SDM3055有慢速,中速和快速模式,这些不同模式分别在算法上是什么区别啊? 只是平均算法的采样次数不一样,还是有其它什么讲究? 这种快和慢的模式,在每家万用表上面是统一定义的吗?

钱大师:

三种模式下,主要是ADC的配置不同,体现在采样速率,建立时间,滤波器选择等,结果是ADC有效位数不同。快慢模式的具体读数速率,每家定义没有完全统一,但一般定义是慢就是几次,此时精度和有效位最高,中速就是几十次,精度和有效位稍次,高速就是机器所能到的最高读数速率,几百到数十k,但有效位最低,譬如6位半的机器只有4位半或5位半了。

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