數(shù)字萬用表（Digital Multimeter，DMM）作為電子測量領(lǐng)域的核心工具，其數(shù)據(jù)采集的精度、速度和穩(wěn)定性直接影響測量結(jié)果的可靠性。普源（例如Rigol、優(yōu)利德等品牌）作為國內(nèi)知名的電子測量儀器廠商，其數(shù)字萬用表產(chǎn)品在數(shù)據(jù)采集技術(shù)方面融合了先進(jìn)的電路設(shè)計(jì)、信號處理算法和智能化功能。本文將深入探討普源數(shù)字萬用表的數(shù)據(jù)采集方法、工作原理及其關(guān)鍵技術(shù)細(xì)節(jié)。

一、數(shù)據(jù)采集方法

1. 信號接入與測量模式選擇

數(shù)字萬用表通過不同的接入方式測量電壓、電流、電阻、電容、頻率等參數(shù)。具體方法如下：

電壓測量（并聯(lián)接入）
萬用表通過高阻抗輸入電路并聯(lián)接入被測電路，以減少對被測電路的影響。例如，測量直流電壓時(shí)，儀表內(nèi)部的電壓測量電路會(huì)將被測電壓分壓至ADC可接受的范圍內(nèi)（通常為幾伏）。對于交流電壓，儀表會(huì)先通過整流電路將其轉(zhuǎn)換為直流信號再進(jìn)行測量。
電流測量（串聯(lián)接入）
測量電流時(shí)，萬用表需串聯(lián)接入電路，利用低阻抗分流電阻將電流轉(zhuǎn)換為電壓信號。例如，測量1A電流時(shí)，儀表內(nèi)部可能使用0.01Ω的分流電阻，將1A電流轉(zhuǎn)換為10mV電壓，再通過放大電路和ADC處理。需要注意的是，不同量程的電流測量可能需要切換不同的分流電阻以提高精度。
電阻、電容等阻抗測量
電阻測量通常采用恒流源法：儀表輸出恒定電流通過被測電阻，測量其兩端電壓后計(jì)算電阻值。電容測量則通過充放電時(shí)間或交流阻抗法實(shí)現(xiàn)，具體方法取決于儀表的型號和功能。

2. 信號采樣與量化

信號采樣是數(shù)據(jù)采集的核心環(huán)節(jié)，普源萬用表通常采用以下技術(shù)：

采樣頻率與分辨率
萬用表的采樣頻率決定了對信號變化捕捉的能力。例如，普源部分高端型號支持高達(dá)1MS/s的采樣率，適用于高頻信號或瞬態(tài)信號的捕捉。ADC分辨率（如6位、8位、16位等）直接影響測量精度，高分辨率ADC（如24位）可實(shí)現(xiàn)更細(xì)微的信號量化。
過采樣與數(shù)字濾波
為提高信噪比，部分萬用表采用過采樣技術(shù)：以遠(yuǎn)高于奈奎斯特頻率的速率采樣，再通過數(shù)字濾波降低噪聲。例如，對低頻信號進(jìn)行100倍過采樣，可顯著提升有效分辨率。

3. 模數(shù)轉(zhuǎn)換（ADC）技術(shù)

ADC是模擬信號與數(shù)字信號轉(zhuǎn)換的橋梁，普源萬用表常用的ADC類型包括：

逐次逼近型（SAR ADC）
適用于中低速、高精度應(yīng)用，例如測量直流或低頻信號。其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡單、功耗低，但采樣速率受限（通常<1MS/s）。
Σ-Δ型（Sigma-Delta ADC）
用于高精度、低速應(yīng)用，如24位ADC可實(shí)現(xiàn)極高的分辨率（可達(dá)0.01μV）。通過過采樣和噪聲整形技術(shù)，將量化噪聲推向高頻，再通過數(shù)字濾波去除，適用于微弱信號測量。
流水線型（Pipeline ADC）
適用于高速、中精度應(yīng)用，例如測量高頻信號時(shí)，采樣率可達(dá)10MS/s以上，但分辨率通常在12-14位。

4. 校準(zhǔn)與誤差補(bǔ)償

為確保測量精度，普源萬用表在出廠前會(huì)進(jìn)行多點(diǎn)校準(zhǔn)，并存儲(chǔ)校準(zhǔn)系數(shù)。常見的校準(zhǔn)方法包括：

溫度補(bǔ)償
通過內(nèi)置溫度傳感器監(jiān)測環(huán)境溫度，修正因溫度變化導(dǎo)致的電路參數(shù)漂移（如電阻、電容值變化）。
非線性誤差補(bǔ)償
對ADC轉(zhuǎn)換曲線的非線性部分進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，通過查表或插值算法修正測量結(jié)果。
自校準(zhǔn)功能
部分高端型號支持用戶自校準(zhǔn)，通過連接標(biāo)準(zhǔn)信號源（如標(biāo)準(zhǔn)電壓、電阻）重新校準(zhǔn)儀表，適應(yīng)長期使用后的參數(shù)變化。

二、工作原理與關(guān)鍵技術(shù)

1. 核心電路架構(gòu)

普源數(shù)字萬用表的核心電路通常包括：

輸入保護(hù)電路
防止過壓、過流損壞儀表。例如，電壓輸入端通常并聯(lián)瞬態(tài)抑制二極管（TVS）和高壓電容，吸收瞬態(tài)高壓。
信號調(diào)理電路
包括放大、衰減、濾波等功能模塊。例如，測量小信號（如μV級電壓）時(shí)，需通過低噪聲放大器（如OPA）將信號放大至ADC量程內(nèi)；測量高電壓時(shí)，則需衰減電路降低輸入信號幅度。
主控芯片與數(shù)據(jù)處理
微控制器（MCU）或數(shù)字信號處理器（DSP）負(fù)責(zé)控制整個(gè)測量流程，包括ADC配置、數(shù)據(jù)計(jì)算、誤差補(bǔ)償、人機(jī)交互等。例如，高端型號可能采用ARM Cortex-M系列處理器，實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)處理和智能化功能。

2. 數(shù)據(jù)處理與算法

普源萬用表在數(shù)據(jù)處理中應(yīng)用了多種算法：

真有效值（TRMS）計(jì)算
對于交流信號，通過高速采樣和數(shù)字積分算法計(jì)算信號的有效值，而非簡單整流后的平均值，確保波形失真情況下的測量精度。
自動(dòng)量程切換
儀表根據(jù)輸入信號幅度自動(dòng)選擇最合適的量程，避免量程選擇不當(dāng)導(dǎo)致的精度損失或過載。例如，當(dāng)輸入電壓從1V跳變至10V時(shí)，儀表可自動(dòng)切換至更大量程。
抗干擾設(shè)計(jì)
采用屏蔽外殼、差分輸入、共模抑制等技術(shù)，降低外界電磁干擾（EMI）的影響。例如，在工業(yè)現(xiàn)場測量時(shí)，儀表需具備較強(qiáng)的抗共模干擾能力（如CMRR>100dB）。

3. 數(shù)據(jù)輸出與通信

現(xiàn)代萬用表不僅提供本地顯示，還支持多種數(shù)據(jù)輸出方式：

本地顯示
LCD或OLED屏幕實(shí)時(shí)顯示測量結(jié)果，部分型號支持波形顯示（如示波器模式）。
接口通信
通過USB、RS-232、LAN或藍(lán)牙接口與計(jì)算機(jī)連接，支持SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）協(xié)議，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化測試和遠(yuǎn)程控制。例如，用戶可通過Python或LabVIEW編寫程序，控制萬用表進(jìn)行批量測量。
數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與回放
部分型號內(nèi)置存儲(chǔ)器，可記錄多組測量數(shù)據(jù)，并通過U盤或SD卡導(dǎo)出。

4. 電源管理與安全性

電源設(shè)計(jì)需兼顧便攜性與穩(wěn)定性：

電池供電與低功耗
便攜式萬用表通常采用可充電鋰電池，支持長時(shí)間待機(jī)。例如，部分型號在休眠模式下功耗低于1mW，單次充電可工作數(shù)十小時(shí)。
過壓保護(hù)與隔離設(shè)計(jì)
高壓測量時(shí)，儀表需具備隔離電路（如光耦隔離或變壓器隔離），防止高電壓通過信號線損壞內(nèi)部電路。例如，部分型號支持CAT III 600V安全等級，適用于工業(yè)配電系統(tǒng)測量。

三、典型應(yīng)用場景與技術(shù)挑戰(zhàn)

1. 高精度實(shí)驗(yàn)室測量

在科研或計(jì)量校準(zhǔn)場景中，普源萬用表需滿足以下需求：

極低噪聲與漂移
例如，測量納伏級信號時(shí)，需采用低噪聲前置放大器（如輸入噪聲<1nV/√Hz）和精密溫度補(bǔ)償電路。
長期穩(wěn)定性
通過定期校準(zhǔn)和硬件補(bǔ)償，確保儀表在數(shù)月或數(shù)年內(nèi)保持高精度。

2. 工業(yè)現(xiàn)場測試

工業(yè)環(huán)境中存在強(qiáng)電磁干擾和復(fù)雜信號，儀表需具備：

抗干擾能力
例如，通過差分輸入和數(shù)字濾波抑制工頻干擾（50Hz/60Hz）。
寬測量范圍
支持從μA級電流到kA級電流的測量，覆蓋不同工業(yè)設(shè)備的需求。

3. 自動(dòng)化測試系統(tǒng)

在生產(chǎn)線或自動(dòng)化實(shí)驗(yàn)室中，萬用表需與上位機(jī)協(xié)同工作：

高速通信與同步
通過LAN接口實(shí)現(xiàn)多臺儀表同步測量，支持高速數(shù)據(jù)流傳輸（如100Mbps）。
可編程控制
支持SCPI命令集，用戶可自定義測量流程和數(shù)據(jù)分析算法。

四、技術(shù)發(fā)展趨勢與普源產(chǎn)品特點(diǎn)

現(xiàn)代數(shù)字萬用表正朝著以下方向發(fā)展：

1. 更高精度與帶寬
部分高端型號已實(shí)現(xiàn)7位半（0.0001%精度）測量，帶寬擴(kuò)展至100MHz以上。
2. 智能化與聯(lián)網(wǎng)功能
支持WiFi、物聯(lián)網(wǎng)（IoT）協(xié)議，可通過云平臺進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)管理。
3. 多功能集成
部分產(chǎn)品融合示波器、頻譜分析等功能，形成“萬用表+示波器”二合一儀器。

普源產(chǎn)品的技術(shù)特點(diǎn)：

高性價(jià)比
例如，Rigol DM3058型號提供6位半精度，價(jià)格低于同類進(jìn)口產(chǎn)品。
本土化支持
提供中文界面和本地化技術(shù)服務(wù)，符合國內(nèi)用戶使用習(xí)慣。
創(chuàng)新功能
部分型號支持手機(jī)APP無線控制，或通過USB接口直接供電（無需電池）。

普源數(shù)字萬用表通過先進(jìn)的信號調(diào)理電路、高精度ADC、智能化數(shù)據(jù)處理算法和多樣化的通信接口，實(shí)現(xiàn)了對電學(xué)量的準(zhǔn)確測量。其數(shù)據(jù)采集方法涵蓋了從信號接入、采樣、轉(zhuǎn)換到處理的全流程，結(jié)合抗干擾設(shè)計(jì)、校準(zhǔn)技術(shù)和安全保護(hù)機(jī)制，確保了在不同應(yīng)用場景下的可靠性和靈活性。隨著電子測量技術(shù)的不斷進(jìn)步，普源等國產(chǎn)廠商正逐步縮小與國際品牌的技術(shù)差距，并在性價(jià)比和本地化服務(wù)方面形成競爭優(yōu)勢。

審核編輯 黃宇