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1 時(shí)間和頻率的關(guān)系 理解穩態(tài)直流信號加到電壓表上的情況在概念上沒(méi)有什么困難。然而，如果該信號具有時(shí)變的分量，例如在直流信號上疊加了交流信號，儀表就將跟隨該變化的信號，并表示出該輸入信號的瞬時(shí)幅度。當交流分量的頻率增加時(shí)，直流儀表的響應就會(huì )變得不夠快，直到在某一頻率時(shí)，儀表只能顯示出輸入電壓的平均值。電壓表對交流信號的響應降低 到70%時(shí)的頻率常常稱(chēng)為“3dB點(diǎn)”（f3dB）。數字多用表的帶寬粗略地為其顯示讀數的變換速率（每秒鐘的讀數次數）的一半。除了將數字量重新變換為模擬信號的情況，儀表模擬輸出的帶寬一般要寬得多。 帶寬說(shuō)明了儀器在某一頻率范圍內響應時(shí)變信號的能力。儀器響應速度的另一種度量方法是其響應階躍函數信號的能力。這種響應的典型度量是儀器的上升時(shí)間。帶寬或上升時(shí)間可以用來(lái)說(shuō)明儀器對時(shí)變信號的響應情況。 模擬儀器（或模擬輸出）的上升時(shí)間一般定義為輸入信號從零立即上升到某一固定值時(shí)，輸出信號從最終值的10%上升到90%所需要的時(shí)間。此關(guān)系示于圖2-46。圖2-46a示出假定上升時(shí)間為零的階躍函數，而圖2-46b示出儀器的響應及相應的上升時(shí)間。單極點(diǎn)系統（1階系統）的上升時(shí)間、頻率響應和RC常數是有關(guān)聯(lián)的。3dB點(diǎn)由下式給出： 上升時(shí)間（ ）與RC時(shí)間常數的關(guān)系如下： 例如，源電阻為1TΩ、電容為100pF的電路的上升時(shí)間大約為： 使用上述RC和f3dB的關(guān)系，可以看到： 因此， 1TΩ的源電阻和100pF的電容將帶寬限制在： 當上升時(shí)間和測量周期的數量級相同時(shí)，就會(huì )影響測量的準確度。如果獲取讀數前允許的時(shí)間等于上升時(shí)間，將會(huì )產(chǎn)生大約10%的誤差，因為信號只能上升到其最終值的90%。為了降低誤差，必須等待更長(cháng)的時(shí)間。為使誤差降低到1%，必須等待大約兩倍的上升時(shí)間。而為了使誤差降低到0.1%，則必須等待大約三倍的上升時(shí)間（或者接近7倍時(shí)間常數的時(shí)間）。 在要求的誤差優(yōu)于0.1%（有的時(shí)候是1%）的情況下，二極點(diǎn)效應開(kāi)始起作用。例如，由于絕緣體的介電吸收和其它的二階效應，為了達到最終值的0.01%，一般需要4倍以上上升時(shí)間的時(shí)間長(cháng)度。 總的來(lái)說(shuō)，由于頻率響應和上升時(shí)間直接有關(guān)，模擬儀器（或者大多數數字儀器的模擬輸出）對于變化的輸入信號的響應是其帶寬的函數。為了確保準確的測量結果，在加入輸入信號之后，必須允許足夠的建立時(shí)間，以便使源、儀器的連接以及儀器本身建立到其穩定的狀態(tài)。 2 輸入電容對上升時(shí)間和噪聲的影響 2.2 電壓測量 在對高阻抗源進(jìn)行電壓測量時(shí)（圖2-47），電壓表（VM）兩端的電容（CIN）必須通過(guò)RS充電。輸出電壓對時(shí)間的函數關(guān)系為： VM = VS (1-e-t/RSCIN) 其中：VM = 在t秒時(shí)電壓表的讀數； VS = 階躍函數電壓源； t = 階躍發(fā)生后的時(shí)間秒數； RS = 以歐姆為單位的等效串聯(lián)電阻； CIN = 以法拉為單位的等效并聯(lián)電容（儀器的電容加電纜的電容）。 這樣就得到了圖2-48所示的熟悉的指數曲線(xiàn)。要獲得準確的讀數就必須等待4到5倍時(shí)間常數的時(shí)間。在大數值電阻和電容的情況下，上升時(shí)間可能達到數分鐘。加大并聯(lián)電容雖然增加了上升時(shí)間，但是由于降低了電壓表的有效帶寬，所以就濾掉了由源和互連電纜產(chǎn)生的噪聲。 2.2 分流電流測量 使用分流型安培計（圖2-49）時(shí)，輸入電容對電流測量的影響與電壓測量時(shí)類(lèi)似。分流型安培計可以看成是在其輸入端跨接了電阻器的電壓表。電路表明，輸入電容（CIN）必須以時(shí)間常數RSCIN的指數速率，充電到ISRS伏。注意，CIN是源、連接電纜和儀表電容之和。 2.3 反饋電流測量 輸入電容對采用負反饋的電流表的影響與其對分流型安培計的影響不同。這種模式的電路示于圖2-50。 如果放大器的增益A很大，則V0 = -IINRFB 。在這種情況下，CIN不會(huì )對RFB分流。其影響與分流皮安計的情況相比是很小的。速度提高的原因是由于負反饋的作用使皮安計的輸入阻抗降低。換言之，在CIN上產(chǎn)生的電壓只有VS = -V0/A伏，而分流皮安計時(shí)此電壓卻為V0。所以，即使并聯(lián)在輸入端的電容很大，其對上升時(shí)間的影響也很小。 反饋型皮安計的上升時(shí)間是反饋電阻（RFB）上并聯(lián)的物理電容或寄生電容的函數。靜電計、SMU和皮安計等都可以使用比較大的源電容數值。應當認識到增大輸入并聯(lián)電容（包括源、電纜和輸入電容等的并聯(lián)效果）的數值將會(huì )使測量的信號-噪聲比降低。 2.4 電阻測量（恒流法） 輸入電容也會(huì )以同樣的方式影響電阻測量（圖2-51）。這時(shí)，CIN也必須由電流（IR）充電，因此也適用同樣的公式。 3 靜電計上升時(shí)間小結 對于大多數高阻源的測量來(lái)說(shuō)，考慮上升時(shí)間的時(shí)候，需要盡量減小儀表輸入端并聯(lián)的電容。前面提到，這樣做同時(shí)也降低了噪聲增益。廣義地說(shuō)，與儀表的反饋阻抗相比，源阻抗應當比較大。 減小輸入電容最有效的方法是用盡可能短的屏蔽電纜將靜電計、SMU或皮安計與信號源連接起來(lái)。在測量高阻源的電壓或者測量高電阻的時(shí)候，保護技術(shù)可以盡量降低輸入電容的影響。因為這時(shí)用適當的電位驅動(dòng)三同軸電纜的內層屏蔽或包圍輸入端的屏蔽盒，從而盡量降低了有效電容。 |
