随着电子技术的进步,科研和生产中对数字多用表(以下简称数字表)的显示位数、分辨力、测试精度和测试功能的要求不断提高。二十多年前,随着多斜积分技术的成熟、高精度器件成本的不断降低,价格不足一万元人民币的六位半数字表产品开始替代五位和五位半产品,成为科研人员的标配仪器。近十多年来,六位半数字表逐步进入高端电子产品产线,如手机用元器件和部件、高精度传感器和锂离子电芯的筛选和生产测试。当前,七位半、八位半数字表已经不是计量部门的专用设备,越来越多地成为研发人员和生产测试人员的案头工具。这里我们简单讨论从六位半升级到七位半的必要性,为大家测试工作提供选型参考。
一、数字表的几个关键指标和相互关系
01 显示位数和分辨力
我们这里所谈的六位半、七位半是指数字表的显示位数。它与数字表的分辨力相关,而决定分辨力的是数字表电路中的模数转换器(ADC)。三者的关系如下表举例,实际应用中不一定严格按此对应。
表一、数字表的显示位数、ADC位数和分辨力的关系
我们以直流电压1V档为例,当我们用16位ADC的数字表测量它时,其分辨力为:
分辨力==≈0.00002V
这个分辨力对应十进制显示的数字表时,就是四位半。最前面一位只显示0和1,故称半位。
02 精度
指测量结果的可重复性与接近真值的程度,通常用最大允许误差范围表示。数字表厂家一般会给出校准后相对于校准标准的24小时、90天和1年的相对误差范围。表示方式为±(读数%+量程%)。
03 精度与分辨力的关系
首先这是两个不同的概念;其次厂家设计数字表时,一般会把显示位数的最低位对应到分辨力位,而误差位要高于分辨力位。这样,我们既能知道误差范围,又可以清晰分辨测试值的最小变化。反之,虽然数字表满足测量精度要求,但因为分辨力不足,则无法正确读出数值。
04 精度与显示位数的关系
一般情况下,显示位数高的数字表,精度就更高、误差更小。举例来说,当数字表的1V档误差范围在±xuV时,显示位数一般会设计成七位半,分辨力位在0.1uV。
05 工频周期(PLC)
数字表测试时一般会要求操作人员选择测试的工频周期(Power Line Circle),目的是消除由于无处不在的工频干扰对于测量的影响。如果要达到与六位半对应的精度(1ppm分辨力),最少需要一个完整的工频周期的积分时间,才能把正负半周的纹波抵消。而要达到七位半对应的精度(0.1ppm分辨力),则最少需要十个PLC的积分时间。
二、什么情况下需要七位半的数字表
简单来说,当六位半数字表满足不了测试精度和分辨力要求时,则需要七位半甚至八位半数字表,下表是各分辨率数字表最常用的应用方向。
1、锂离子电池OCV测试
随着锂电池生产工艺的进步,电池生产企业对于电芯一致性测试(OCV测试)的误差要求已经提高到±0.1mV。我们粗略计算一下,六位半数字表和七位半数字表哪个可以满足需要。锂离子电池充满电时的电压约为4.2~4.4V。为了计算方便,我们取5V。航天测控公司的AMC93210六位半数字表10V档的年精度为±(读数0.0035%+量程0.0005%),据此,我们算出此数字表读数为5V时的误差范围为:±(5*0.0035%+10*0.0005%)=±(0.175mV+0.05mV)=±0.225mV。显然,无法满足新工艺下电芯OCV测试需求。