直流电阻分压器的非线性机理现象分析验证

作者： 国自电气 时间：2024-11-08 09:24:00 阅读：46

针对电阻分压器在直流低电压分压时出现的非线性现象，采用独立影响因素的分析方法，对直流电阻分压器的非线性机理进行了研究。通过分析和实验验证，确定了造成非线性的原因是工作电流的变化导致电阻分压器输出热电势的变化。据此，建立了非线性数学模型，提出了非线性修正方法。利用该方法，±200μV 直流电压输出非线性误差小于5nV。

关键词: 计量学; 直流低电压; 电阻分压器; 非线性误差; 热电势

用精密电阻器组成电阻分压器调节电压幅度，是一种简洁、可靠的方法。由于电阻分压器具有噪声低、性能稳定、温度系数低、准确度高、线性度好等特点，因此，电阻分压器在高压精密测量、微弱信号放大、标准低电压信号产生等场合得到广泛应用。在宇航物资管理中，采购物资的性能验收是一项重要工作。为了验收仪器放大器、自稳零放大器及低噪声放大器等高灵敏度器件，需要测试其线性度、增益等性能。为此，用精密电阻器构建的电阻分压器和数模转换器构建了直流低电压校准器。在用该校准器对高灵敏度器件进行验收时，发现线性度指标普遍超标。测试发现，电阻分压器在直流低电压输出时具有明显的非线性。为满足航天质量管理要求，开展了直流电阻分压器的非线性机理研究。由多个电阻分压器组成的测温电桥存在的非线性问题在国内外得到广泛关注，美国NIST、英国NPL、中国NIM 等对测温电桥非线性开展了评估研究，并提出了一些硬件和软件解决方案。一些学者也开展了电桥线性度评估方法研究。测温电桥电路结构相对复杂，目前多基于宏观层面的整体特性开展非线性评估研究。本文从微观层面分析了电阻分压器的非线性机理，建立了非线性模型，提出了非线性修正方法。

2 非线性特性测试

利用数字nV 表组成图所示测试电路，在多个温度点对校准器输出电压进行线性度测试。

3 非线性影响因素分析

针对电阻分压器在直流低电压分压时出现的非线性问题，采用独立影响因素的分析方法，确定造成非线性的真正原因。将直流低电压校准器放置在恒温的环境条件下，发现非线性现象仍然存在，排除了外界环境温度因素的影响。

为了排除数字nV 表的非线性因素，采用了多台仪器代替KEITHLEY 2181 数字nV 表进行验证，测试结果一致。采用图2所示电路对DAC 输出电压进行测试，发现DAC 的非线性误差≤0. 000 3%，排除了DAC造成非线性的原因。

排除了输入输出因素，可以确定非线性的原因是电阻分压器。

在图电路中，改变电阻分压器输入电压，用数字nV 表测量分压器输出电压发现: ( 1) 输入电压越高，输出电压偏离理论值的误差越大; ( 2) 输入电压为0 时，输出电压偏离理论值的误差最小; ( 3) 输出电压偏离理论值的误差大小与输入电压极性无关; ( 4) 当输入电压从某个值迅速降到0 后，分压器输出电压不能马上回到原来的零点，经过一段时间才能慢慢回到原来的零点。

考虑到当输入电压等于0 时，无源电阻器件的输出电压只能是热电势。热电势与温差有关，其极性与工作电流无关，温差与工作电流有关。由此可以确定造成电阻分压器非线性的因素是通过分压器电阻的工作电流。电阻分压器产生非线性的基本机理是: 工作电流的变化引起器件温度变化，导致热电势的变化，给输出电压带来非线性误差。

结论

电阻分压器在直流低电压输出时存在非线性，造成非线性的根本原因是工作电流流经电阻产生热能从而形成热电势。电阻分压器的输出电压是1 条二次曲线。其特征参数受环境温度影响不是很明显，经计算分析和实验验证确认，环境温度在10 ～30 ℃范围内，统一以20 ℃的非线性特性进行输入电压预处理，分压器输出在± 200 μV 范围内的非线性误差小于5 nV。控制和限制环境温度范围可以进一步减小非线性误差。