專欄文章 / 技術文章

使用8位半精密數位萬用表取代類比零位錶於量測應用

2025/10/19

使用精密數位萬用表取代類比零位錶於量測應用

電氣校正

依據 Fluke Calibration 白皮書，作者：Neil Faulkner 與 Jeff Gust 

Fluke 8588A 八位半標準數位萬用錶

引言

自 1960 年代以來，商用電壓與比率校正器便可用於對直流電壓進行校正，範圍從毫伏等級的低電壓到高達 1 千伏的電壓。這些系統的一個關鍵組件是類比高阻抗電壓錶/零位錶，其設計特性包括極高的輸入阻抗（10 至 100 MΩ）、卓越靈敏度（每格 0.1 μV）以及高隔離度（約 10¹² Ω）。
為了執行精密直流電壓測量，通常使用類比零位錶（例如 Fluke 845AB）搭配精密分壓器（例如 Fluke Calibration 720A Kelvin Varley Divider 或較新的 752A 參考分壓器）以及齊納基準標準。使用 752A 進行精密電壓測量時，零位錶也必須用於對分壓器比率進行調整（或稱自我校正），以將 10:1 分壓比調整至 0.2 ppm，100:1 分壓比調整至 0.5 ppm。
在設置與調整 752A 時，必須考慮多個因素。例如，在調整過程中，零位錶測得的電壓會通過高達數百 kΩ 的等效電阻源出。任何來自零位錶的源雜訊或電流都可能引入額外電壓，導致分壓比調整出現誤差。一旦 752A 完成調整，它會與齊納基準標準（例如 Fluke Calibration 732C）配合使用，用於校正電壓輸出量值（如電壓校正器的輸出）或對電壓源進行短期特性測量，以便後續對電壓測量設備進行校正。
到了 1970 年代，Fluke 與其他廠商開始生產精密數位萬用表，到了 1990 年代，多款 DMM 的解析度和靈敏度已可與 845AB 相媲美。事實上，由於 DMM 可提供自動控制與數據擷取的優勢，Fluke 已停止生產 845 系列。然而，並非每款 DMM 都能直接取代 845 系列零位錶。DMM 在對分壓器進行調整時可能引入誤差，其使用仍會受輸入阻抗、隔離度、源雜訊與源電流等因素影響。即便如此，透過適當配置與操作程序，DMM 仍可達到良好結果並顯著降低誤差。

討論

Fluke 已為 8588A 及類似 DMM 制定了建議配置協議，用於 752A 的比率調整及作為零位錶使用。不遵循此協議可能導致測量誤差。
752A 是一款精密直流電壓分壓器，提供 10:1 與 100:1 分壓比。它設計上使用穩定的 20 V 低雜訊電源（通常為 Fluke Calibration 5730A 多功能校正器）及零位錶進行調整。在校正模式下，752A 將分壓器電阻配置成惠斯登橋（Wheatstone Bridge）形式（見圖 2）。從 8588A 流入橋路的電流可能對分壓器的調整造成顯著誤差，主要有兩個來源（見圖 1）：

(圖1)

(圖2)
  1. 輸入偏置電流（Input Bias Current）
    來自 8588A HI 與 LO 輸入端的直流電流，源於輸入運算放大器，規格為 20 pA，但實際通常小於 5 pA。通過橋電阻會引起約 0.4 μV 的誤差（10:1 分壓比約 0.1 ppm，100:1 分壓比約 0.25 ppm）。
  2. 泵出電流（Pumpout Current）
    以電流脈衝形式出現，對應交流電源頻率，沿著約 60 kΩ 的等效電阻流向接地，可能造成零位錶讀值偏移。
測試顯示，這些偏移通常可忽略，但仍需考慮。偏移也可能來自零位錶零點漂移及與 752A 連接的影響。校正偏移的方法如下：
  • 將萬用表 HI/LO 端連接至 752A 偵測端，使用低熱電壓導線。
  • 將萬用表設定為 100 mV 量程、7 位解析度。
  • 將 5730A HI/LO 連接至 752A 輸入端，並設定 Internal Guard。
  • 將 5730A Guard 與接地與 752A Guard/接地連接。
  • 將 752A 設為 CALIBRATE 模式 10:1+，5730A 設為 0 V 並 OPERATE。此步驟提供泵出電流接地路徑。
  • 讀值穩定後，依序按下 “ZERO” 與 “F1 – Zero Range” 按鈕以歸零萬用表。
  • 對 100:1 分壓比需重複零點操作，因偏移不同。
 

使用 8588A/零位錶的額外注意事項

  • 相較於傳統類比零位錶，數位萬用表顯示器操作於 752A 分壓器調整時較不直觀，且由於接地電容影響，需要較長時間穩定讀值。
  • 752A 100:1 分壓比調整對 DMM 而言最具挑戰，因為需手動依偏差調整，且時間常數較長。
8588A 的優勢在於：
  • 配備高隔離變壓器，即使在 100:1 分壓比調整，也能在數分鐘內達到穩定讀值。
  • 提供類比式顯示，並可透過適當選擇積分時間與平均次數調整反應，建議初始設定為 0.5 秒積分 + 4 次滾動平均。
  • 可啟用內建 5 Hz 低通濾波器，顯著降低測量噪訊至與傳統類比零位錶相當或更低。若安裝此選項，低頻濾波亦可於一般直流電壓測量模式使用。

結論

Fluke Calibration 8588A 參考萬用表可作為類比零位錶的適用替代方案，但需對萬用表輸入端流出的電流進行適當補償。其他數位萬用表在用作零位錶前，必須考慮輸入偏置電流及其他電流來源，以評估對電路可能造成的誤差。