数显仪特征部分的误差分析

　　目前数字化技术已普遍应用于各种物理量的测量.它的特点是:读数直观,能方便地作为计算机的外围设备,作数据存储、分析、处理和控制,但对数显仪的误差分析明显地处于一种不确切,不统一的状态.生产厂家提出的数显仪规格中列出的是数显位数、测量范围、分辨率和响应时间,虽然它们也能表征部分数显仪的静、动态特性,但离确切地描述数显仪的误差要求却相距甚远.本文就数显仪特征部分的静态误差分析作尝试性评述和探讨[1-4].

　　1　数显仪的一般结构

　　图1为数显仪的基本组成框架[5].

　　从测量系统考虑,其中采/保器、模/数转换器(ADC)和数显单元是能区别于模拟测量系统的数显仪特征部分主要单元.当待测物理量的变化速度与系统相应时间比较可以忽略时,我们仅考虑它的静态特性;换言之,当测量系统达到稳定状态时,待测物理量还没有明显的变化,或者说这种变化远小于系统测量的精度,那么我们可以仅讨论它的静态特性.这也是本文数显仪静态误差分析的前提,至于动态误差分析,留待今后处理.

　　2　特征部分的误差分析

　　2.1　采/保电路误差

　　对采/保电路,一般情况下仅考虑它的动态过渡过程误差,而能够引起静态误差的因素包括:

　　(1)保持模式降落

　　它定义为保持模式时,采/保输出电压在单位时间内的变化量

　　式(1)中IL=ICL+ISL+IB+ISt,而ICL为电容器绝缘电阻泄漏电流,ISL为开关泄漏电流,IB为输出放大器的输入端偏置电流和ISt为公共连接端的杂散泄漏电流.

　　它与温度的关系为

　　我们可以通过式(2)由25℃时的保持电压降落DR│25℃;求出任意温度时的保持电压降落.

　　(2)保持模式直馈

　　直馈的典型值是当开关断开时,仍有0.05%~0.005%在采/保输出端出现.

　　(3)电容器的介质吸收

　　它表示电容器的“电压记忆”特性,测试方法是将电压V对电容充电5 min,然后用外接5Ω电阻放电5 s,断开5 min以后测得残余电压Vd,则为介质吸收当放电时间为ts,经过时间t以后的变动电压Vc为

　　其中v0为充电电压.注意:式(3)仅适用于小的t值.

　　介质吸收在0.01%~0.05%(聚氟乙烯,聚碳酸醋)

　　例1　对应电容器的介质吸收,采/保电路SHM-5型的主要参数为

　　采集时间:当充电电压为10 V,介质吸收为0.01%时,采集时间为350 ns,而充电电压为10 V,介质吸收为0.1%,采集时间为200 ns孔径延迟时间:(10%V0-90%V0)20 ns孔径不确定性:250 ps

　　采/保控制信号:采样模式为+20~+5.5 V保持模式为0 ~ 0.8 V

　　2.2　ADC的误差