深入了解NI PXI 4071 七位半数字万用表架构

1. 概述

NI在2002年发布了具有开创性的六位半FlexDMM PXI-4070。这个产品为工程师提供了传统精密仪器中内在测量挑战的解决方案——改善有限的测量吞吐量和灵活性。FlexDMM通过能够提供与售价数千美元的更高分辨率的数字万用表（DMM）相媲美的测量吞吐量，克服了这些挑战。NI在其发布之后，继续对FlexDMM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PXI-4070的PCI版本
• 发布了PXI-4072六位半FlexDMM和LCR仪表

最新的产品是NI PXI-4071七位半FlexDMM。全新的PXI-4071 FlexDMM提供了26比特精度和分辨率，与之前的FlexDMM设备相比，分辨率高出10倍，精度最多可提高60％。PXI-4071还提供了非常宽的测量范围，如表1所示，因此您可以测量从±10 nV直至1000 V的直流电压，±1 pA直至3 A的电流，10 µΩ直至5 GΩ的电阻，还能够进行频率/周期测量以及二极管测量。FlexDMM具有隔离数字化仪模式特性，您能够以高达1.8 MS/s的采样速率，在所有电压和电流模式下，对直流耦合波形进行采集。本文档提供了FlexDMM与传统数字万用表模拟数字转换器（ADC）以及体系结构的详细比较。

表1：FlexDMM输入比较
1仅适用于PXI-4072

2. 传动数字万用表的限制

传统的数字万用表通常重视分辨率和精度，而不关注高速采集功能。当然，作为一个基本的物理函数，在噪声性能与速度之间有内在局限性。电阻的Johnson噪声是理论限制的一种，另外半导体设备技术还包含另一些实际局限性。但是您有许多其他选择可以帮助您实现最高可能的测量性能。

某些专用的高分辨率数字万用表能够提供高分辨率和高采集速度，但是其价格十分昂贵，通常在8000美元左右，而且只能用于占用大量系统或工作台空间的完整机架配置。
另一个数字万用表速度限制是由传统的硬件平台驱动的，即GPIB（IEEE 488）接口总线。自1970年以来使用的接口尽管是速度、灵活性和成本折中的产物，依然被公认为是标准的接口。大多数传统的“箱式”数字万用表使用这个接口，虽然现在已经出现了使用USB和以太网等其他总线标准的传统数字万用表。所有这些接口都通过将信息发送给仪器并等待响应与数字万用表进行通信，这比在PXI模块化仪器中使用的基于寄存器的访问速度慢。

直至尝试替换GPIB接口之后，数字万用表在速度和精度的基本限制仍然是在这些产品中使用的ADC带来的。为了更好地理解所使用的技术，您需要在性能方面进行更为细致地分析。

双斜坡ADC技术

从历史角度来看，精确A/D转换最古老但却是最长用的形式之一是双斜坡ADC。这个技术自1950年以来就一直被广泛使用。它本质上是一个两步的过程：首先，输入电压（代表需要测量的信号）被转换为电流，通过开关S1，施加在积分器的输入上。当积分器连接到输入之后（积分循环或孔径的开始），积分逐渐增加直至积分循环或孔径的结束，这时输入与积分器断开连接。现在，精确的已知电流通过开关S2连接到积分器上，积分器渐渐减小直至跨越零点。在这个时候，高分辨率的计数器开始测量积分器从开始下降至零点所花费的时间。测量得到的时间相对于积分时间和参考是与输入信号幅值成正比的。见图1。

图1：双斜坡转换器方块图

这个方法现在仍然用于许多高分辨率的数字万用表中。它具有简单性和精确性的优点。延长积分次数，您可以将分辨率提高到理论限制。但是，以下设计局限将最终影响产品性能：

• 必须补偿积分电容的电介质吸收，即便对于需要复杂标定过程的高质量积分电容也需要补偿。
• 和参考源一样，信号必须通过门打开或关闭。这个过程可能会将电荷注入到输入信号中。电荷注入可能会导致输入相关的误差（非线性），在较高分辨率下（六位半或更高）这些误差难以补偿。
• 下降时间大大降低了测量速度。下降速度越快，由比较延迟、电荷注入等带来的误差也会更大。

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“电流驱