仪器仪表的内阻测量和分析

李祚亮，王作全，沈景鹏，刘威伟

（中国空气动力研究与发展中心校准测试实验室，四川 绵阳 621000）

0 引 言

仪器仪表都有内阻，内阻直接影响输出值或测量值的准确性，正确理解内阻的含义和测量方法，力求解决计量检定过程中遇到的一些疑惑和问题。例如，数字多用表测量电压时为什么需要高内阻？FLUKE 5520A多功能校准源在330mV档为什么不能检定指针式毫伏表？Agilent 33250信号发生器在输出内阻为50Ω时，为什么用数字多用表测得的电压幅度是信号发生器设定值的2倍？Fluke 9500B示波器校准仪在输出内阻设置为50Ω或1MΩ时输出正弦波信号，它们的内阻究竟是多少？

1 8846A数字多用表的内阻分析

在图1中，Fluke 8846A数字多用表测量电压VS和内阻RS的电压源。8846A测量电压时，其内部构造等效于一个电流表（测量值为I表）和一个电阻（电阻值为R表）相串联。8846A测得电压为：R表×VS/（RS+R表），可见只有当R表远远大于RS时，8846A测量电压值才能满足指标要求，也就是说数字多用表测量电压时需要高内阻[1]。表1列举了4种数字多用表测量电压的内阻。

8846A测量电阻时，不管是二线电阻或四线电阻测量，其原理是数字多用表输出一个恒定直流电流给被测电阻，同时测量被测电阻两端电压，电压比电流得到被测电阻的阻值。在测量电阻时，内阻影响到测量电压的准确性，进而影响到测量的电阻值。

2 5520A输出电压的内阻测量

Fluke 5520A多功能校准源输出电压时，测量内阻的方法如图2所示。图2中，5520A输出电压VS给 BZ3标准电阻 RBZ3，RS为 5520A的内阻，Fluke 8508A数字多用表交替测量5520A输出端和BZ3端电压分别为V1和V2。测试导线为8508A-LEADshilededleaded with gold spades，通过公式（V1-V2）/（V2/RBZ3）可以计算出导线电阻为210 mΩ左右。表2列举了5520A测量电压的内阻值，其中RS=（VS-V1）/（V2/RBZ3）[2]。

图1 8846A测量电压的原理图

表1 数字多用表测量电压的内阻值

图2 5520A输出电压的内阻测量原理图

表2 5520A输出电压的内阻测量值

从表2可以得出，5520A在330 mV量程时输出内阻为50 Ω，指针式毫伏表的内阻值常常只有几十欧姆，由于源内阻的分压作用，所以在检定这类低内阻的指针式电压表时必须锁定5520A在高量程输出[3]。

3 9500B输出正弦波电压的内阻测量

首先，Fluke 9500B示波器校准仪输出正弦波信号V1（峰峰值），直接用Fluke 8508A数字多用表测量电压为 V1（有效值），如图 3（1）所示。然后，9500B串联一个BZ3标准电阻，用8508A测量BZ3两端电压为 V2（有效值），如图 3（2）所示。其中，RBZ3为 BZ3电阻值RBZ3=100 Ω，RS为9500B输出内阻。测得的9500B输出正弦波电压的内阻见表3，其中RS=（V1-V2）/（V2/RBZ3）=RBZ3·（V1/V2-1），RS′为 9500B 设置的输出内阻。

图3 9500B输出正弦波电压的内阻测量原理图

表3 9500B输出正弦波电压的内阻测量值

从表3可以得出，9500B输出直流电压时，8508A数字多用表测得电压几乎等于9500B的设定值，也就是说负载上得到的电压不受9500B内阻的影响，可见9500B输出直流电压时内阻很小；9500B输出正弦波电压，在输出内阻设置为50 Ω时测得9500B内阻约为50 Ω，输出的电压幅度实际上是9500B设定值的2倍，在输出内阻设置为1 MΩ时测得9500B内阻约为25 Ω，输出的电压幅度等于9500B设定值。因此，在检定示波器时，示波器和9500B都设置为50 Ω或1 MΩ阻抗匹配时，正好能在示波器端获得9500B输出的电压设定值[4]。

对于信号发生器，如Agilent 33250和Fluke 81等，当输出内阻为50Ω时，信号发生器输出电压幅度实际上是设定值的2倍[5-6]，这可以用数字多用表测量其两端电压求得证实。

4 E4404B频谱分析仪的内阻测量

Agilent E4404B频谱分析仪 （带1DR和B72）说明书上指出：输入端阻抗为50 Ω；DC耦合使用频率范围为9kHz～6.7GHz，输入信号电平不能超过30 dBm，不含有直流成分；AC耦合使用频率范围为100kHz～6.7GHz[7]。

图4 E4404B内阻测量原理图

图4 中，Fluke 5720A多功能校准源输出电压VS（有效值）给Agilent E4404B频谱分析仪，用Fluke 8846A数字多用表测量E4404B两端电压为V1（有效值），E4404B自身测得电压为V2（有效值），RS为5720A输出内阻 （在220mV以下档为50Ω），R表为E4404B输入内阻，E4404B和8846A测得电压值如表4所示。

从表4可以看出，E4404B在DC耦合模式下（频率9kHz以上），8846A测量值和E4404B测量值是一致的，都是输出信号的一半，可见DC耦合模式下E4404B的内阻等于5720A的内阻，即为50 Ω。E4404B在AC耦合模式下，100 kHz以下频率E4404B测得电压值超差严重；但在100kHz以上频率时，E4404B测得电压值恰好是5720A输出电压的一半；随着频率的继续增加，当在250kHz时8846A和E4404B测量值基本上相等，这说明测量250kHz以上信号时E4404B的输入内阻就是50Ω。

表4 E4404B频谱分析仪内阻测量值

5 结束语

内阻在任何输入输出单元都存在，在直流和低频电路中内阻仅仅影响到信号大小，在高频测试中内阻大小容易造成传输路径上阻抗的不匹配造成信号失真[8]。本文通过对 8846A、5520A、9500B 和 E4404B 4种仪器部分功能的内阻测量和分析，得出了测量内阻的方法，阐明了仪器内阻影响测量结果的原因，解决了计量检定过程中由内阻导致的一些测量疑惑和问题，从而提高检定人员测量分析技术能力和保证测量结果准确性。

[1]冯占岭.数字电压表及数字多用表检测技术[M].北京：中国计量出版社，2003.

[2]James W，Susan M，Riedel A.电路[M].7版.北京：电子工业出版社，2005.

[3]王慧勤.直流标准源的内阻对仪表测量误差的影响[J].西北电力技术，1999（6）：21-23.

[4]9500B示波器校准仪使用简明手册[Z].福禄克国际公司北京办事处，2004.

[5]何毅.信号发生器输出幅度与输出阻抗的关系[J].现代测量与实验室管理，2005（4）：21.

[6]黎国栋.信号发生器专业基础知识问答[J].上海计量测试，2004（5）：72-73.

[7]Agilent.ESA series spectrum analyzers ssers and programmer’s reference,core spectrum analyzer functions[Z].Agilent Inc.，2006.

[8]Agilent.Impedance measurement handbook[DB/OL].[2011-03-28].http：//www.agilent.com/find/impedance.