數字萬用表（Digital Multimeter，DMM）作為電子測量領域的核心工具，其數據采集的精度、速度和穩定性直接影響測量結果的可靠性。普源（例如Rigol、優利德等品牌）作為國內知名的電子測量儀器廠商，其數字萬用表產品在數據采集技術方面融合了先進的電路設計、信號處理算法和智能化功能。本文將深入探討普源數字萬用表的數據采集方法、工作原理及其關鍵技術細節。

一、數據采集方法

1. 信號接入與測量模式選擇

數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。具體方法如下：

電壓測量（并聯接入）
萬用表通過高阻抗輸入電路并聯接入被測電路，以減少對被測電路的影響。例如，測量直流電壓時，儀表內部的電壓測量電路會將被測電壓分壓至ADC可接受的范圍內（通常為幾伏）。對于交流電壓，儀表會先通過整流電路將其轉換為直流信號再進行測量。
電流測量（串聯接入）
測量電流時，萬用表需串聯接入電路，利用低阻抗分流電阻將電流轉換為電壓信號。例如，測量1A電流時，儀表內部可能使用0.01Ω的分流電阻，將1A電流轉換為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算電阻值。電容測量則通過充放電時間或交流阻抗法實現，具體方法取決于儀表的型號和功能。

2. 信號采樣與量化

信號采樣是數據采集的核心環節，普源萬用表通常采用以下技術：

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1MS/s的采樣率，適用于高頻信號或瞬態信號的捕捉。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）可實現更細微的信號量化。
過采樣與數字濾波
為提高信噪比，部分萬用表采用過采樣技術：以遠高于奈奎斯特頻率的速率采樣，再通過數字濾波降低噪聲。例如，對低頻信號進行100倍過采樣，可顯著提升有效分辨率。

3. 模數轉換（ADC）技術

ADC是模擬信號與數字信號轉換的橋梁，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、高精度應用，例如測量直流或低頻信號。其優點是實現簡單、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、低速應用，如24位ADC可實現極高的分辨率（可達0.01μV）。通過過采樣和噪聲整形技術，將量化噪聲推向高頻，再通過數字濾波去除，適用于微弱信號測量。
流水線型（Pipeline ADC）
適用于高速、中精度應用，例如測量高頻信號時，采樣率可達10MS/s以上，但分辨率通常在12-14位。

4. 校準與誤差補償

為確保測量精度，普源萬用表在出廠前會進行多點校準，并存儲校準系數。常見的校準方法包括：

溫度補償
通過內置溫度傳感器監測環境溫度，修正因溫度變化導致的電路參數漂移（如電阻、電容值變化）。
非線性誤差補償
對ADC轉換曲線的非線性部分進行數學建模，通過查表或插值算法修正測量結果。
自校準功能
部分高端型號支持用戶自校準，通過連接標準信號源（如標準電壓、電阻）重新校準儀表，適應長期使用后的參數變化。

二、工作原理與關鍵技術

1. 核心電路架構

普源數字萬用表的核心電路通常包括：

輸入保護電路
防止過壓、過流損壞儀表。例如，電壓輸入端通常并聯瞬態抑制二極管（TVS）和高壓電容，吸收瞬態高壓。
信號調理電路
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，需通過低噪聲放大器（如OPA）將信號放大至ADC量程內；測量高電壓時，則需衰減電路降低輸入信號幅度。
主控芯片與數據處理
微控制器（MCU）或數字信號處理器（DSP）負責控制整個測量流程，包括ADC配置、數據計算、誤差補償、人機交互等。例如，高端型號可能采用ARM Cortex-M系列處理器，實現高速數據處理和智能化功能。

2. 數據處理與算法

普源萬用表在數據處理中應用了多種算法：

真有效值（TRMS）計算
對于交流信號，通過高速采樣和數字積分算法計算信號的有效值，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。
自動量程切換
儀表根據輸入信號幅度自動選擇最合適的量程，避免量程選擇不當導致的精度損失或過載。例如，當輸入電壓從1V跳變至10V時，儀表可自動切換至更大量程。
抗干擾設計
采用屏蔽外殼、差分輸入、共模抑制等技術，降低外界電磁干擾（EMI）的影響。例如，在工業現場測量時，儀表需具備較強的抗共模干擾能力（如CMRR>100dB）。

3. 數據輸出與通信

現代萬用表不僅提供本地顯示，還支持多種數據輸出方式：

本地顯示
LCD或OLED屏幕實時顯示測量結果，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或藍牙接口與計算機連接，支持SCPI（Standard Commands for Programmable Instruments）協議，實現自動化測試和遠程控制。例如，用戶可通過Python或LabVIEW編寫程序，控制萬用表進行批量測量。
數據存儲與回放
部分型號內置存儲器，可記錄多組測量數據，并通過U盤或SD卡導出。

4. 電源管理與安全性

電源設計需兼顧便攜性與穩定性：

電池供電與低功耗
便攜式萬用表通常采用可充電鋰電池，支持長時間待機。例如，部分型號在休眠模式下功耗低于1mW，單次充電可工作數十小時。
過壓保護與隔離設計
高壓測量時，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部電路。例如，部分型號支持CAT III 600V安全等級，適用于工業配電系統測量。

三、典型應用場景與技術挑戰

1. 高精度實驗室測量

在科研或計量校準場景中，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，需采用低噪聲前置放大器（如輸入噪聲<1nV/√Hz）和精密溫度補償電路。
長期穩定性
通過定期校準和硬件補償，確保儀表在數月或數年內保持高精度。

2. 工業現場測試

工業環境中存在強電磁干擾和復雜信號，儀表需具備：

抗干擾能力
例如，通過差分輸入和數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，覆蓋不同工業設備的需求。

3. 自動化測試系統

在生產線或自動化實驗室中，萬用表需與上位機協同工作：

高速通信與同步
通過LAN接口實現多臺儀表同步測量，支持高速數據流傳輸（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據分析算法。

四、技術發展趨勢與普源產品特點

現代數字萬用表正朝著以下方向發展：

1. 更高精度與帶寬
部分高端型號已實現7位半（0.0001%精度）測量，帶寬擴展至100MHz以上。
2. 智能化與聯網功能
支持WiFi、物聯網（IoT）協議，可通過云平臺進行遠程監控和數據管理。
3. 多功能集成
部分產品融合示波器、頻譜分析等功能，形成“萬用表+示波器”二合一儀器。

普源產品的技術特點：

高性價比
例如，Rigol DM3058型號提供6位半精度，價格低于同類進口產品。
本土化支持
提供中文界面和本地化技術服務，符合國內用戶使用習慣。
創新功能
部分型號支持手機APP無線控制，或通過USB接口直接供電（無需電池）。

普源數字萬用表通過先進的信號調理電路、高精度ADC、智能化數據處理算法和多樣化的通信接口，實現了對電學量的準確測量。其數據采集方法涵蓋了從信號接入、采樣、轉換到處理的全流程，結合抗干擾設計、校準技術和安全保護機制，確保了在不同應用場景下的可靠性和靈活性。隨著電子測量技術的不斷進步，普源等國產廠商正逐步縮小與國際品牌的技術差距，并在性價比和本地化服務方面形成競爭優勢。

審核編輯 黃宇