测试测量的接线细节，接线方式与电路接线

在日常测试中，工程师们首先想到的是选择一台合适测试的设备，然后开始工作，往往并不太关注测量时的接线细节，事实上为了到达测量数据的准确性，测试测量的接线方法也不容小觑，我们一起来看看。

一般的测试对象主要是电流和电压。而仪器测试的电压、电流是ADC直接采样的结果，功率、效率、谐波等测试项均是以电压、电流的测量为基础，通过运算获得的，所以电压、电流测量的准确性就显得至关重要。

导体的电阻率会随温度变化、器件老化、线路共模/串模干扰、测量走线接线方式、电路接线方式等都会影响测量结果，本文重点讲解测量接线方式、电路接线。

一、测量走线接线方式

1、不规则连接——最差的接线方式

图1、图2两条测量线比较分散，形成很大的环路，当环路中有变化的磁通通过时，根据电磁感应原理，将在环路中产生与磁通同样变化的噪声电压，仪器测到的值不真实。

 

图1 电压不规则接线方式

图2 电流不规则接线方式

2、一般接线方式——平行走线

图3、图4相比分散的连接方式，测量线形成的环路很小，仅限于连根线之间。

 

图3 电压平行走线接线方式

 

图4 电流平行走线接线方式

3、较好的连接方式——双绞线

图3使用双绞线连接被测信号，与平行走线相比，双绞线把环路细分到每个绞合环，相邻的绞合环对外部磁场产生相反的噪声电压从而抵消掉。

 

图5 电压双绞线接线方式

 

图6 电流双绞线接线方式

4、理想的接线方式——同轴电缆

图7、图8对称的同轴电缆外层导体中心与内导体重合，等效面积为0，因此有很好的磁场屏蔽效果。

 

图7 电压同轴电缆接线方式

 

图8 电流同轴电缆接线方式

二、电路连接接线方式

功率耗损影响

使用和负载匹配的接线方式可以降低功率损耗对测量精度的影响，以下是考虑电源和负载电阻的情况。参考前期微信文档《功率测量仪器的“特征阻抗”》中电流表损耗定义：

电压表损耗定义：

电压表和电流表内阻乘积平方根暂且称为仪器的“功率特征阻抗”。

当负载电阻RL＞RP时，电压表损耗大，推荐电流表内接法，当负载电阻RL＜RP，电流表损耗大，推荐电流表外接法。

举例PA5000，电压输入阻抗Rv约2MΩ，电流输入阻抗Ri约100mΩ，电流量程选择1A，电压量程选择300V，电压电流功耗函数图9，此时Rp=200√5≈447.2，当负载电阻RL约大于447.2Ω时，推荐电流表内接，反之外接，示意图图10。

 

图9 电压电流表功率损耗函数图

 

图10 内外接判定标准图

1、电流表外接——测量较大电流

将电压测量回路连到近负载一侧。电流测量回路测得流经负载的电流IL和流经电压测量回路的电流IU之和。因为测量回路电流为IL，所以误差仅为IU，对测量精度的影响为IU/IL。

图11 电流表外接图

2、电流表内接——测量小电流

将电流测量回路接到近负载端。电压测量回路测得的电压等于负载电压eL和电流表两端的电压eI之和。因为测量回路电压为eL，误差为eI。对测量精度的影响为RI/RL。

 

图12 电流表内接

杂散电容的影响

将仪器的电流输入端子连接到接近电源接地电位的一端，可以降低杂散电容对测量精度的影响。

电压测量回路和电流测量回路内部结构图，如图13，因为外部机箱与屏蔽盒绝缘，所以存在杂散电容Cs。而误差正是由该杂散电容产生的电流形成的。

 

图13 测量回路内部结构图

作为举例，将考虑电源的一端和外部机箱接地的情况。

这种情况下可以考虑2种电流，负载电流IL和通过杂散电容的电流ICs如图15虚线所示，IL从电流测量回路流经负载回到电源。如点划线所示，ICs从电流测量回路流经杂散电容、外部机箱接地回到电源。

因此，在电流测量回路即使只测量IL，得到的也是IL与ICs的和(矢量和)，误差仅为ICs。假设施加于Cs的电压是VCs(共模电压)，可以通过以下公式求取ICs。因为ICs相位超前电压90°，所以功率因数越小，ICs对测量精度的影响就越大。

ICs=VCs × 2πf × Cs

 

图14 电流输入端子连到靠近电源高端

 

图15 杂散电容带来影响

如果将电流输入端子连到靠近电源地电位的一端，如图11，电流测量回路的低端（LO）接近地电位，VCs约等于零，ICs几乎不流通。这样就降低了对测量精度的影响。

电压正反接影响

1、电压反接

接地的信号源电压加在屏蔽壳对地电容Cs上，形成额外的泄露电流ICs，在信号源内部和LO测试线阻抗上造成压降。

 

图16 电压反接

2、电压正接

信号源电压加在屏蔽壳对地电容上的电压很小，ICs为零，没有额外的泄露电流。

 

图17 电压正接

综上，为了实现精确测量，测量走线选用双绞线或者同轴电缆，根据实际情况选择适合的接线方式，电压高端和低端确保不接反。