專利名稱：按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體及其使用方法
技術領域：
本發(fā)明涉及萬用表，特別涉及一種能對微弱信號進行多功能測量的按用戶接線切換功能 的微弱信號萬用表表體及其使用方法。
背景技術：
萬用表的重要性毋庸置疑，但普通萬用表不能測量微弱信號，這些微弱信號包括弱于1 納安的電流、弱于1微伏的電壓、高于1000兆歐姆的電阻、低于1納法的電容。隨著科技
的進步，這些過去不常見的待測弱信號己開始變得越來越重要和普遍，但至今仍未見有能夠 普及的高質量低價格多功能的微弱信號萬用表產品出現(xiàn)。微弱信號測量儀雖有不少產品問 世，但它們一般都專于某一種或少數(shù)幾種微弱信號的測量，不能同時具備測量各種微弱信號 (弱電流、弱電壓、弱電流源、高阻、弱電容、噪聲)的功能，且價格十分昂貴，難以普及。
出現(xiàn)這種情況的原因如下(1)微弱信號的測量與普通信號的測量完全不同，其測量必須在
極小漏電流的條件下進行，而已有微弱信號測量儀一般都使用防護環(huán)(Gard ring)技術減 小測量漏電流，但防護環(huán)技術十分昂貴(如Keithley 6430的國內價格為15萬元人民幣)， 制作復雜，操作以來也很復雜，且可靠性差；(2)微弱信號萬用表各個不同測量功能之間的 切換必須做到漏電流極小，但由于切換開關的結構復雜，目前尚無極低漏電流的切換開關技 術與產品可用，這使得將多個微弱信號測量功能同時集身于一個萬用表變得難以實現(xiàn)。

發(fā)明內容
為了克服普通萬用表漏電流大，不能測量微弱信號，而專用微弱信號測量儀功能少、結 構復雜、或成本高的問題，提供一種能按用戶接線進行功能切換的低漏電流、多功能、結構 簡單、低成本、能將微弱被測信號轉換成強信號的微弱信號萬用表表體。
實現(xiàn)本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體的技術方案為
本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體，包括運算放大器OPA，第一參考
電阻Ri，參考電壓源VR，電源PS，還包括屏蔽盒SBOX，跳線開關陣列JMPR，支架HDR， 所述第一參考電阻&的阻值大于10兆歐姆，
所述跳線開關陣列JMPR由相互間通過絕緣材料絕緣的一組金屬接插腳構成， 所述運算放大器OPA通過支架HDR置于屏蔽盒SBOX內，所述跳線開關陣列JMPR置 于屏蔽盒SBOX內，運算放大器OPA的輸入偏置電流lB低于1納安，運算放大器OPA的負輸入V—接跳線開關陣列JMPR的一個接插腳，構成負接插腳R，運算放大器OPA的輸出V。 接跳線開關陣列JMPR的另一個接插腳，構成輸出接插腳P。，運算放大器0 八的正輸入丫+ 接跳線開關陣列JMPR的另一個未被占用的接插腳，構成正接插腳P+，運算放大器OPA的電 源腳接電源PS。
所述跳線開關陣列JMPR的絕緣材料為藍寶石。
所述跳線開關陣列JMPR上未被占用的接插腳分出兩組， 一組接到所述負接插腳R上， 構成負接插腳群GP.，另一組接到所述輸出接插腳P。上，構成輸出接插腳群GP。。
所述參考電壓源VR的輸出接跳線開關陣列JMPR的一個未被占用的接插腳，構成參考電
壓接插腳pvr。
所述參考地RG可接跳線開關陣列JMPR上的一個未被占用的接插腳，構成參考地接插腳
Prg。
本發(fā)明將按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體切換出微弱電流測量功能的方法， 其特征是將第一參考電阻R!的一端接負接插腳P-，另一端接輸出接插腳P。，正接插腳P+接 參考電壓源Vr或接參考地RG，負接插腳R和參考地RG構成所述微弱信號萬用表表體的待 測電流輸入端，所述微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由 輸出接插腳P。和參考電壓源VR構成、或由輸出接插腳P。和正接插腳P+構成、或由運算放大 器OPA的輸出V。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的輸出V。和參考電壓源Vr枸成。
本發(fā)明將按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體切換出微弱電流源功能的方法，其 特征是按照如下兩種方法之一連接微弱信號萬用表表體(a)正接插腳P+接參考地RG，第 一參考電阻&的一端接負接插腳P-，另一端接參考電壓源VR，所述微弱信號萬用表表體的 電流輸出或由負接插腳P-和輸出接插腳P。構成、或由運算放大器OPA的負輸入V-和運算放 大器OPA的輸出V。構成。(b)正接插腳P+接參考電壓源VR，第一參考電阻Ri的一端接負 接插腳P-，另一端接參考地RG，所述微弱信號萬用表表體的電流輸出或由負接插腳P-和輸 出接插腳P。構成、或由運算放大器OPA的負輸入V-和運算放大器OPA的輸出V。構成。
本發(fā)明將按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體切換出高阻測量功能的方法，其特 征是按照如下兩種方法之一連接微弱信號萬用表表體(a)將第一參考電阻R！的一端接負接 插腳P-，另一端接參考電壓源VR，被測電阻Rx的一端接負接插腳P-，另一端接輸出接插腳 P。，正接插腳P+接參考地RG，所述微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地 RG構成、或由運算放大器OPA的輸出V。和參考地RG構成，(b)將上面方法中的第一參考電阻R!與被測電阻Rx對調。
本發(fā)明將按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體切換出微弱電壓測量功能的方法， 其特征是還包括第二參考電阻R2，第一參考電阻&的一端接負接插腳P-，另一端接輸出接
插腳P。，第二參考電阻R2的一端接負接插腳R，另一端接參考電壓源VR或接參考地RG， 正接插腳P+和參考地RG構成所述微弱信號萬用表表體的待測電壓輸入端，所述微弱信號萬 用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的輸出V。和參 考地RG構成。
本發(fā)明利用按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體測量微弱電容Cx的方法，步驟如
下
(a) 將所述第一參考電阻R,的兩端分別接負接插腳P-和輸出接插腳Po，增設第二參考電阻 R2，并將第二參考電阻R2的兩端分別接負接插腳P-和參考地RG，將正接插腳P+接參考電壓 源Vk或接參考地RG，所述微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、 或由運算放大器OPA的輸出V。和參考地RG構成；
(b) 將一系列已知電容值的微弱電容分別與第一參考電阻R!并聯(lián)，并分別記錄微弱信號萬 用表表體輸出的噪聲信號，得噪聲-電容關系表；
(c) 將待測微弱電容Cx單獨與第一參考電阻R!并聯(lián)，并記錄此時微弱信號萬用表表體輸出 的噪聲信號，并在上述噪聲-電容關系表中查找該噪聲信號所在的區(qū)間，用插值法或擬合法計 算該噪聲信號所對應的電容值，該電容值即為待測微弱電容Cx的電容值。
本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體的工作原理為 運算放大器是通過支架固定于屏蔽盒內的，而不使用印刷電路板，這樣，運算放大器最
靈敏的負輸入腳與其它各腳之間就沒有了從印刷電路板漏掉的電流，提高了微弱信號測量的 精度。此外，各種微弱信號測量功能間的切換是通過用戶在高絕緣的跳線開關陣列上選擇不 同的接插組合而實現(xiàn)的，而不是使用漏電流大的普通開關來完成的，這就解決了各種功能間 相互切換的漏電流問題。特別是所述跳線開關陣列因其結構簡單而可以由絕緣性、抗?jié)裥浴?抗壓電性、抗摩擦起電性均非常優(yōu)秀的藍寶石制成，出色地杜絕了各種能干擾到微弱信號測 量的不利因素。而普通開關因為結構復雜，難以用藍寶石制成，所以漏電流大，且抗?jié)裥浴?抗壓電性、抗摩擦起電性都相差甚遠，導致各種干擾信號寄生在測量電路中。又由于構成本 發(fā)明的各個元器件都置于屏蔽盒內，被測器件也可置于屏蔽盒內，這就排除了外界的電磁干 擾。本發(fā)明沒有使用防護環(huán)(Guard ring)技術，制作復雜性和操作復雜性都大大降低了，簡單堅實的結構也使得可靠性大大提高；即使跳線開關陣列用藍寶石制作，本發(fā)明的制作成 本也不高，因為跳線開關陣列的結構極為簡單，大大降低了藍寶石的加工難度。
本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體的如下9種基本功能可通過用戶按照 如下的跳線開關陣列JMPR接線方法來實現(xiàn)，基本電路參見附圖2;
(1) 弱電流測量模式第一參考電阻R,的一端接負接插腳R，另一端接輸出接插腳P。，正 接插腳P+接參考電壓源Vr或接參考地RG，負接插腳R為本發(fā)明微弱信號萬用表表體的電流 輸入微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由輸出接插腳P。 和參考電壓源vr構成、或由輸出接插腳P。和正接插腳P+構成、或由運算放大器OPA的輸出 V。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的輸出V。和參考電壓源Vr枸成。由于該接法構 成一個跨阻抗放大電路(transimpedance amplifier),所以能測電流，且能測微弱電流，因 為所述運算放大器OPA的輸入偏置電流Ib低于1納安(如選用輸入級為FET或MOSFET的 運算放大器OPA，其輸入偏置電流lB可為飛安量級)，且該運算放大器OPA沒有能產生漏電 流的途徑，又被屏蔽了電磁干擾；我們的數(shù)據(jù)顯示當所述運算放大器OPA選為0PA627時， 該弱電流測量模式能提供飛安量級的弱電流測量分辨率(見附圖5)，遠好于一般皮安表的皮 安量級電流分辨率。
(2) 弱電壓測量模式第一參考電阻Ri的一端接負接插腳P-，另一端接輸出接插腳P。，第 二參考電阻R2的一端接負接插腳P.，另一端接參考電壓源vr或接參考地RG，正接插腳？+ 和參考地RG構成本發(fā)明微弱信號萬用表表體的待測電壓輸入，本發(fā)明微弱信號萬用表表體 的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的輸出V。和參考地RG 構成；該接法的等效電路為非反相放大電路(non-inverting amplifier),所以能放大被測 微弱電壓信號。
(3) 電阻電流噪聲測量模式將第一參考電阻R,的一端接負接插腳P-，另一端接輸出接插 腳P。，被測電阻一端接負接插腳P-，另一端接參考地RG，正接插腳P+接參考地RG，本發(fā)明 微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的輸 出V。和參考地RG構成。這是普通萬用表不具備的。
(4) 電阻電壓噪聲測量模式將第一參考電阻R,的一端接負接插腳P-，另一端接輸出接插 腳P。，第二參考電阻R2的一端接負接插腳P-，另一端接參考地RG，被測電阻一端接正接插 腳P+，另一端接參考地RG，本發(fā)明微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地 RG構成、或由運算放大器OPA的輸出V。和參考地RG構成。這是普通萬用表不具備的。
(5) 弱電容測量模式將第一參考電阻R,的一端接負接插腳P-，另一端接輸出接插腳P。， 第二參考電阻R2的一端接負接插腳P.，另一端接參考地RG，正接插腳P+接參考地RG，本發(fā)明微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA 的輸出V。和參考地RG構成；將一系列已知電容值的微弱電容分別與第一參考電阻Ri并聯(lián)， 并分別記錄本發(fā)明微弱信號萬用表表體輸出的噪聲信號，得噪聲-電容關系表，將待測微弱電 容Cx單獨與第一參考電阻R,并聯(lián)，并記錄此時本發(fā)明微弱信號萬用表表體輸出的噪聲信號 Vx，并在上述噪聲-電容關系表中查找該噪聲信號Vx所在的區(qū)間，用插值法或擬合法計算該 噪聲信號Vx所對應的電容即為待測微弱電容Cx;
(6) 高電阻測量模式將第一參考電阻R,的一端接負接插腳R，另一端接參考電壓源VR， 被測電阻Rx的一端接負接插腳P-，另一端接輸出接插腳P。，正接插腳P+接參考地RG，該接 法的等效電路構成一個反相放大電路；或將上述第一參考電阻R,與被測電阻Rx對調；本發(fā) 明微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的 輸出V。和參考地RG構成。
(7) 噪聲法測量溫度模式將第一參考電阻R!—端接負接插腳P.，另一端接輸出接插腳P。， 第二參考電阻R2的一端接負接插腳R，另一端接參考地RG，正接插腳P+接參考地RG，本 發(fā)明微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA 的輸出V。和參考地RG構成；多次改變第二參考電阻R2所處的環(huán)境溫度(溫度已知)，并分 別記錄本發(fā)明微弱信號萬用表表體的輸出的噪聲信號，得噪聲-溫度關系表；測量未知溫度時， 將第二參考電阻R2置于待測溫度中，并記錄本發(fā)明微弱信號萬用表表體的輸出的噪聲信號， 在上述噪聲-溫度關系表中査找該噪聲信號所在的區(qū)間，用插值法或擬合法計算該噪聲信號所 對應的溫度即為待測溫度。
上述為本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體的七個測量模式，如選定運算 放大器OPA的輸出V。和參考地RG構成上述模式的輸出，將輸出接均方根到直流轉換器
(RMS-to-DC)，再由均方根到直流轉換器的輸出接電壓顯示器，可形成表體和表頭一體的按 用戶接線切換功能的微弱信號萬用表；如選定輸出接插腳P。和參考地RG構成上述模式的輸 出，將輸出接均方根到直流轉換器，再將均方根到直流轉換器的輸出接電壓顯示器，由于用 戶對跳線開關陣列JMPR輸出接插腳P。的可操作性，可形成表體和表頭分體的按用戶接線切 換功能的微弱信號萬用表。
本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體還可切換出弱電流源和弱電壓源，這 是普通萬用表不具備的
(8) 弱電流源模式正接插腳P+接參考地RG (或參考電壓源VR)，第一參考電阻R!的一
端接負接插腳P-，另一端接參考電壓源VR (或參考地RG，如果正接插腳P+接參考電壓源
VK的話)，本發(fā)明微弱信號萬用表表體的弱電流輸出或由負接插腳P-和輸出接插腳P。構成、或由運算放大器OPA的負輸入V-和運算放大器OPA的輸出V。構成；該接法的等效電路為反 相放大電路(inverting amplifier),由于第一參考電阻R,上的電壓恒定，其上電流不會隨 負載而變，且該電流等于輸出電流。
(9)弱電壓源模式將第二參考電阻R2的一端接負接插腳P-，另一端接輸出接插腳P。，第 一參考電阻R！的一端接負接插腳P-，另一端接參考電壓源VR，正接插腳P+接參考地RG， 本發(fā)明微弱電壓表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的 輸出V。和參考地RG構成，這是一個增益小于1的反相放大電路；或者將第一參考電阻I^ 的一端接正接插腳P+，另一端接參考電壓源VR，而第二參考電阻R2的一端接參考地RG， 另一端也接正接插腳P+，負接插腳R與輸出接插腳P。短接，本發(fā)明微弱電壓表表體的輸出或 由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的輸出V。和參考地RG構成，這 是一個分壓后接跟隨器的電路。
根據(jù)上述原理可以看出，與已有技術相比，本發(fā)明的有益效果體現(xiàn)在
(1) 運算放大器是通過支架固定于屏蔽盒內的，而不使用印刷電路板，這樣，運算放大器最 靈敏的負輸入腳與其它各腳之間就不會有從印刷電路板漏掉的電流，大大提高了微弱信號測 量的精度與分辨率。
(2) 在不同測量功能的轉換上使用結構簡單的跳線開關，特別是該跳線開關結構簡單到可用 絕緣性、抗壓電性、抗?jié)裥?、和抗摩擦生電性均絕佳的藍寶石以低成本加工制成，在不增加 操作和制作復雜性的前提下解決了常規(guī)萬用表由于使用普通或電動轉換開關而產生的巨大漏 電流、壓電干擾、潮濕漏電和摩擦起電等破壞微弱信號測量的問題。
(3) 本發(fā)明沒有使用防護環(huán)技術，制作復雜性和操作復雜性都大大降低了，簡單堅實的結構 也使得可靠性大大提高。
(4) 除實現(xiàn)多種測量功能外，還可作為提供微弱電流和微弱電壓信號的源表使用，這是普通 萬用表所沒有的功能。
(5) 不僅制造成本低廉，而且性能優(yōu)越到能測量飛安(fA)量級的極弱電流(見附圖5)并 能測量到不同阻值電阻內部很弱的電流噪聲(附圖3)與電壓噪聲(附圖4),所測得的噪聲 與電阻阻值間的關系與理論強生(Johnson)噪聲給出的關系完全符合(附圖3與4中擬合直 線的線性關聯(lián)度皆高于99%)，是性價比極高的微弱信號測量儀器。


圖1是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體的基本結構示意圖。
圖2是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體的基本電路示意圖。
圖3是利用本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體實測的電阻與電阻電流噪聲關系圖。
圖4是利用本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體實測的電阻與電阻電壓噪 聲關系圖。
圖5是利用本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體實測的飛安量級微弱電流 測量響應曲線。
圖6是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體弱電流測量模式的電路示意圖。 圖7是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體弱電流源模式的電路示意圖。 圖8是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體弱電壓測量模式的電路示意圖。 圖9是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體弱電壓源模式1的電路示意圖。 圖10是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體弱電壓源模式2的電路示意圖。
圖11是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體電阻電流噪聲測量模式的電路 示意圖。
圖12是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體電阻電壓噪聲測量模式的電路 示意圖。
圖13是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體弱電容測量模式的電路示意圖。
圖14是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體高電阻測量模式的電路示意圖。
圖15是本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體噪聲法測量溫度模式的電路示 意圖。
圖中標記OPA運算放大器，R!第一參考電阻，R2第二參考電阻，VR參考電壓源，RG 參考地，PS電源，JMPR跳線開關陣列，HDR支架，SBOX屏蔽盒，Rx被測電阻，Cx被測 電容，V。運算放大器輸出，+^運算放大器電源腳正極，-1運算放大器電源腳負極，L弱
電流測量模式的待測電流輸入，Vin弱電壓測量模式的待測電壓輸入，1。ut弱電流源模式的電流輸出。
具體實施例方式
實施例1:基本型按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體
本發(fā)明基本型按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體的結構示意圖見圖1，該表體 的基本電路見圖2，其具體實施方式
為包括運算放大器OPA，第一參考電阻R,，參考電壓源VR，電源PS，還包括屏蔽盒SBOX，跳線開關陣列JMPR，支架HDR，所述第一參 考電阻&的阻值大于10兆歐姆，
所述跳線開關陣列JMPR由相互間通過絕緣材料絕緣的一組金屬接插腳構成， 所述運算放大器OPA通過支架HDR置于屏蔽盒SBOX內，所述跳線開關陣列JMPR置 于屏蔽盒SBOX內，運算放大器OPA的輸入偏置電流lB低于1納安，運算放大器OPA的負 輸入V-接跳線開關陣列JMPR的一個接插腳，構成負接插腳P.，運算放大器OPA的輸出V。 接跳線開關陣列JMPR的另一個接插腳，構成輸出接插腳P。，運算放大器0 八的正輸入￥+ 接跳線開關陣列JMPR的另一個未被占用的接插腳，構成正接插腳P+，運算放大器OPA的電 源腳接電源PS。
上述跳線開關陣列JMPR為實現(xiàn)本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體各功 能之間切換以及信號的輸入和輸出提供了接口，第一參考電阻R,供用戶按照其需要的功能接 入到跳線開關陣列JMPR上，
本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體實現(xiàn)各具體功能的方法如下-
1) 當需要測量弱電流信號時只須將第一參考電阻R,的一端接負接插腳P.，另一端接輸出 接插腳P。，正接插腳P+接參考電壓源VR或接參考地RG，負接插腳R和參考地RG為本發(fā)明 微弱信號萬用表表體的待測電流輸入，本發(fā)明微弱信號萬用表表體的輸出或由參考地RG與輸 出接插腳P。構成或由參考地RG與運算放大器OPA的輸出V。構成，參見附圖6。
2) 當需要進入電阻電流噪聲測量模式時只須將第一參考電阻R!的一端接負接插腳P.，另 一端接輸出接插腳P。，被測電阻一端接負接插腳P-，另一端接參考地RG，正接插腳P+接參 考地RG，接插腳P。或運算放大器OPA的輸出V。和參考地RG配對構成輸出，參見附圖ll。
3) 當需要進入高電阻測量模式時只須將第一參考電阻R,的一端接負接插腳P-，另一端接 參考電壓源VR，被測電阻Rx的一端接負接插腳R，另一端接輸出接插腳P。，正接插腳P+接 參考地RG，接插腳P?；蜻\算放大器OPA的輸出V。和參考地RG配對構成微弱信號萬用表 高電阻測量模式的輸出端，參見附圖14;或將上述第一參考電阻R,與被測電阻Rx對調。
4) 當需要進入弱電流源模式時只須將正接插腳P+接參考地RG (或參考電壓源VR)，第一 參考電阻R!的一端接負接插腳P-，另一端接參考電壓源VR (或參考地RG，如果正接插腳 P+接參考電壓源VR的話)，本發(fā)明微弱信號萬用表表體的弱電流輸出或由負接插腳P-和輸出 接插腳P。構成、或由運算放大器OPA的負輸入V-和運算放大器OPA的輸出V。構成，參見 附圖7。
實施例2:含第二參考電阻的按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體
在上述實施例中增設第二參考電阻R2，構成本實施例，可實現(xiàn)另一些功能，方法如下5) 當需要進入弱電壓測量模式時只須將第一參考電阻R,的一端接負接插腳P.，另一端接 輸出接插腳P。，第二參考電阻R2的一端接負接插腳P-，另一端接參考電壓源VK或接參考地 RG，正接插腳P+和參考地RG構成本發(fā)明微弱信號萬用表表體的待測電壓輸入，輸出接插腳 P?；蜻\算放大器OPA的輸出V。和參考地RG配對構成輸出，參見附圖8。
6) 當需要進入電阻電壓噪聲測量模式時只須將第一參考電阻R,的一端接負接插腳P.，另 一端接輸出接插腳P。，第二參考電阻R2的一端接負接插腳P-，另一端接參考地RG，被測電 阻一端接正接插腳P+，另一端接參考地RG;接插腳P。或運算放大器OPA的輸出V。和參考 地RG配對構成本發(fā)明微弱信號萬用表表體電阻電壓噪聲測量模式的輸出端，參見附圖12。
7) 當需要進入弱電容測量模式時只須將第一參考電阻R!的一端接負接插腳P.，另一端接 輸出接插腳P。，第二參考電阻R2的一端接負接插腳P-，另一端接參考地RG，正接插腳卩+ 接參考地RG，輸出接插腳P?；蜻\算放大器OPA的輸出V。和參考地RG配對構成輸出；將 一系列已知電容值的微弱電容分別與第一參考電阻Ri并聯(lián)，并分別記錄本發(fā)明微弱信號萬用 表表體輸出的噪聲信號，得噪聲-電容關系表(此表本發(fā)明隨機也可提供)，將待測微弱電容 Cx單獨與第一參考電阻Ri并聯(lián)，并記錄此時本發(fā)明微弱信號萬用表表體輸出的噪聲信號， 并在上述噪聲-電容關系表中査找該噪聲信號所在的區(qū)間，用插值法或擬合法計算該噪聲信號 所對應的電容即為待測微弱電容Cx，參見附圖13。
8) 當需要進入噪聲法測量溫度模式時只須將第一參考電阻Ri—端接負接插腳P.，另一端 接輸出接插腳P。，第二參考電阻R2的一端接負接插腳P.，另一端接參考地RG，正接插腳？+ 接參考地RG，接插腳P。或運算放大器OPA的輸出V。和參考地RG配對構成輸出。多次改 變第二參考電阻R2所處的環(huán)境溫度(溫度已知)，并分別記錄本發(fā)明微弱信號萬用表輸出的 噪聲信號，得噪聲-溫度關系表(此表本發(fā)明隨機也提供)；測量未知溫度時，將第二參考電 阻R2置于待測溫度中，并記錄本發(fā)明微弱信號萬用表的輸出的噪聲信號，在上述噪聲-溫度 關系表中查找該噪聲信號所在的區(qū)間，用插值法或擬合法計算該噪聲信號所對應的溫度即為 待測溫度，參見附圖15。
9) 當需要進入弱電壓源模式時只須將第二參考電阻R2的一端接負接插腳R，另一端接輸 出接插腳P。，第一參考電阻R!的一端接負接插腳R，另一端接參考電壓源VR，正接插腳？+ 接參考地RG，輸出接插腳P?；蜻\算放大器OPA的輸出V。和參考地RG配對構成本發(fā)明微 弱信號萬用表表體的弱電壓源輸出端，參見附圖9;或者將第一參考電阻R!的一端接正接插 腳P+，另一端接參考電壓源VR，而第二參考電阻R2的一端接參考地RG，另一端也接正接 插腳P+，負接插腳R與輸出接插腳P。短接，輸出接插腳P?；蜻\算放大器OPA的輸出V。和 參考地RG配對構成本發(fā)明微弱信號萬用表表體的弱電壓源輸出端，參見附圖10。實施例3:接插腳分群型微弱信號萬用表表體
上述實施例中跳線幵關陣列JMPR上未被占用的接插腳可分出一組接到所述負接插腳R 上，構成負接插腳群GR。這樣，當需要將第一參考電阻R卜第二參考電阻R2、參考電壓源 VR、參考地RG、和/或被測器件接到所述負接插腳R上時，可接插至負接插腳群GR中的任 何一個接插腳上，不至于都擁擠地接插到同一個負接插腳P.上。
類似地，所述跳線開關陣列JMPR上未被占用的接插腳可分出一組接到所述輸出接插腳 P。，構成輸出接插腳群GP。。
實施例4:多插腳型微弱信號萬用表表體
上述實施例中參考地RG可接跳線開關陣列JMPR上的一個未被占用的接插腳，構成參 考地接插腳Prg。類似地，參考電壓源VR的輸出可接跳線開關陣列JMPR上的一個未被占用 的接插腳，構成參考電壓接插腳PVR。這樣本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表 體的輸入、輸出以及測量和功能切換的操作都可在跳線開關陣列JMPR上完成，跳線開關陣 列JMPR可完全成為面向用戶的操作平臺。
實施例5:含弱電容型微弱信號萬用表表體
上述實施例中，還可包括一個參考電容d，其容值低于l微法，用于同第一參考電阻I^ 并聯(lián)，設定其帶寬。
實施例5:含表頭的弱電容型微弱信號萬用表
上述本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體的各測量模式中，如選定運算放 大器OPA的輸出V。和參考地RG配對構成輸出，可將輸出接均方根到直流轉換器，再由均 方根到直流轉換器的輸出接電壓顯示器，可形成表體和表頭一體的按用戶接線切換功能的微 弱信號萬用表。如選定輸出接插腳P。和參考地RG配對構成輸出，可將輸出接均方根到直流 轉換器，再由均方根到直流轉換器的輸出接電壓顯示器，由于用戶對跳線開關陣列JMPR輸 出接插腳P。的可操作性，可形成表體和表頭分體的按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表。
1權利要求
1、一種按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體，包括運算放大器OPA，第一參考電阻R1，參考電壓源VR，參考地RG，電源PS，其特征在于還包括屏蔽盒SBOX，跳線開關陣列JMPR，支架HDR，所述第一參考電阻R1的阻值大于10兆歐姆，所述跳線開關陣列JMPR由相互間通過絕緣材料絕緣的一組金屬接插腳構成，所述運算放大器OPA通過支架HDR置于屏蔽盒SBOX內，所述跳線開關陣列JMPR置于屏蔽盒SBOX內，所述運算放大器OPA的輸入偏置電流IB低于1納安，所述運算放大器OPA的負輸入V_接跳線開關陣列JMPR的一個接插腳，構成負接插腳P_，所述運算放大器OPA的輸出Vo接跳線開關陣列JMPR的另一個接插腳，構成輸出接插腳Po，所述運算放大器OPA的正輸入V+接跳線開關陣列JMPR的另一個未被占用的接插腳，構成正接插腳P+，所述運算放大器OPA的電源腳接電源PS。
2、 根據(jù)權利要求1所述的按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體，其特征在于所述跳線 開關陣列JMPR的絕緣材料為藍寶石。
3、 根據(jù)權利要求1所述的按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體，其特征在于所述跳 線開關陣列JMPR上未被占用的接插腳分出兩組， 一組接到所述負接插腳R上，構成負接插 腳群GR，另一組接到所述輸出接插腳P。上，構成輸出接插腳群GP。。
4、 根據(jù)權利要求l所述的按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體，其特征在于所述參 考電壓源VR的輸出接跳線開關陣列JMPR的一個未被占用的接插腳，構成參考電壓接插腳pvr。
5、 根據(jù)權利要求l所述的按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體，其特征在于所述參考地RG接跳線開關陣列JMPR上的一個未被占用的接插腳，構成參考地接插腳PRG。
6、 一種將權利要求1所述按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體切換出微弱電流測量功 能的方法，其特征是將第一參考電阻Ri的一端接負接插腳R，另一端接輸出接插腳P。，正接 插腳P+接參考電壓源Vr或接參考地RG，負接插腳R和參考地RG構成所述微弱信號萬用表 表體的待測電流輸入端，所述微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構 成、或由輸出接插腳P。和參考電壓源VR構成、或由輸出接插腳P。和正接插腳P+構成、或由 運算放大器OPA的輸出V。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的輸出V。和參考電壓源 VK構成。
7、 一種將權利要求1所述按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體切換出微弱電流源功能 的方法，其特征是按照如下兩種方法之一連接所述微弱信號萬用表表體(a)正接插腳P+接參考地RG，第一參考電阻Ri的一端接負接插腳P-，另一端接參考電壓源VR,電流源的輸出 或由負接插腳P-和輸出接插腳P。構成、或由運算放大器OPA的負輸入V.和運算放大器OPA 的輸出V。構成。(b)正接插腳P+接參考電壓源VR，第一參考電阻R!的一端接負接插腳P.， 另一端接參考地RG，電流源的輸出或由負接插腳R和輸出接插腳P。構成、或由運算放大器 OPA的負輸入V.和運算放大器OPA的輸出V。構成。
8、 一種將權利要求1所述按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體切換出高阻測量功能的 方法，其特征是按照如下兩種方法之一連接微弱信號萬用表表體(a)將第一參考電阻R,的 一端接負接插腳P-,另一端接參考電壓源VR，被測電阻Rx的一端接負接插腳P.，另一端接 輸出接插腳P。，正接插腳P+接參考地RG，所述微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳 P。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的輸出V。和參考地RG構成，(b)將上面方法 中的第一參考電阻R,與被測電阻Rx對調。
9、 一種將權利要求1所述按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體切換出微弱電壓測量功 能的方法，其特征是增設第二參考電阻R2，第一參考電阻R,的一端接負接插腳P-，另一端接輸出接插腳P。，第二參考電阻R2的一端接負接插腳P-，另一端接參考電壓源VR或接參考地RG，正接插腳P+和參考地RG構成所述微弱信號萬用表表體的待測電壓輸入端，所述微 弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、或由運算放大器OPA的輸出 V。和參考地RG構成。
10、 一種利用權利要求1所述的按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體測量微弱電 容Cx的方法，步驟如下(a) 將所述第一參考電阻R,的兩端分別接負接插腳P-和輸出接插腳Po，增設第二參考電阻 R2，并將第二參考電阻R2的兩端分別接負接插腳P-和參考地RG，將正接插腳P+接參考電壓 源VK或接參考地RG，所述微弱信號萬用表表體的輸出或由輸出接插腳P。和參考地RG構成、 或由運算放大器OPA的輸出V。和參考地RG構成；(b) 將一系列己知電容值的微弱電容分別與第一參考電阻R!并聯(lián)，并分別記錄微弱信號萬 用表表體輸出的噪聲信號，得噪聲-電容關系表；(c) 將待測微弱電容Cx單獨與第一參考電阻Ri并聯(lián)，并記錄此時微弱信號萬用表表體輸出 的噪聲信號，并在上述噪聲-電容關系表中查找該噪聲信號所在的區(qū)間，用插值法或擬合法計 算該噪聲信號所對應的電容值，該電容值即為待測微弱電容Cx的電容值。
全文摘要
本發(fā)明按用戶接線切換功能的微弱信號萬用表表體及其使用方法涉及萬用表，包括輸入偏置電流低于1納安的運算放大器，阻值大于10兆歐的第一參考電阻，參考電壓源，電源，還包括屏蔽盒，置于屏蔽盒內的跳線開關陣列，支架，跳線開關陣列由相互間通過絕緣材料絕緣的一組金屬接插腳構成，運算放大器通過支架置于屏蔽盒內，運算放大器的正、負輸入和輸出分接跳線開關陣列的三個接插腳，運算放大器的電源腳接電源。用戶可通過跳線開關陣列將運算放大器接出各種萬用表功能。因未使用印刷電路板，且跳線開關陣列可用絕緣性、抗壓電、抗?jié)窈涂鼓Σ辽娦跃^佳的藍寶石制作，從而大大地減少了漏電流，提高了測量精度。因沒用防護環(huán)技術，成本大大降低。
文檔編號G01R15/00GK101477142SQ20091011617
公開日2009年7月8日 申請日期2009年2月9日 優(yōu)先權日2009年2月9日
發(fā)明者龐宗強, 陸輕鈾 申請人:中國科學技術大學