闲鱼哭唧唧系列：ADCMT 7351A 前端设计（AC 高阻部分）

便宜不好捡啊，最近摸了一台ADCMT 7351A（主要是想研究一下万用表）：

看着还挺结实

看着还挺结实

（这个是真便宜，但是没开机）

我觉得就是一个设计，里面器件降额使用

就是一个设计，里面器件降额使用（这个系列是多一套采集模块）

这个现在 2K，双通道的

这个现在 2K，双通道的

7351 只能到停产页面看了

7351 只能到停产页面看了

这才是 7351A 的宣传稿

这才是 7351A 的宣传稿

最细微是读取 uV 和 uA

最细微是读取 uV 和 uA

测量速度不是最快的

测量速度不是最快的

个人使用第一个最合适；但是我一上电，闲鱼让我直接落泪：

这个保险丝确实是坏的

这个保险丝确实是坏的

不高兴+1

我也拆了，不过没有这么彻底，先看看别人的拆机：

非常好拆

非常好拆

里面就一块大板子

背后做了精密的各种割地

机器最值得说的是居然有 USB 接口，太先进了！

机器最值得说的是居然有 USB 接口，太先进了！

看看阻抗

总之也是使用的积分 ADC，研究一下我在看板子时候发现的一些好玩的东西；原理什么的就不分析过多了，主要是看一些器件和布局。

接线柱都是很粗的，大电流的时候需要散热，加了散热帽

接线柱都是很粗的，大电流的时候需要散热，加了散热帽

去掉的样子，是 4 脚电阻

去掉的样子，是 4 脚电阻

看这一部分（这部分其实是 AC 到 DC 的部分，不过分析方向没问题）

我这里就不取下来测量了：

单个

单个

成组

成组

一串大电阻，看颜色就高级

一串大电阻，看颜色就高级

用的这个

用的这个

阻抗表

阻抗表

分析一下

前面用一串大阻值电阻做高压衰减和限流，后面用 FET 输入运放做高阻缓冲，最后再送入 ADC 或后级测量电路；大电阻串负责“把高压变小、把危险电流限制住”；FET 运放负责“几乎不取电流地读取这个小电压”。

CADDOCK 高压分压电阻

（注意，我没有完整的去测量这些关系，只是写一些平常的设计）

典型结构可以画成：

高压输入 Vin
   │
   R1
   │
   R2
   │
   R3
   │
   R4
   │
   ●──────────> FET 输入运放缓冲器 ───> ADC / 后级放大 / 显示
   │
   Rlow
   │
  GND / COM

前面的 是 高阻分压链，总阻值通常是 MΩ 到几十 MΩ 量级；后面的 FET 输入运放，输入偏置电流极小，所以不会明显破坏分压比例。

数据手册给出的 FET 输入特性包括 pA 级输入偏置电流、很高的输入阻抗以及 pF 级输入电容，这就是这类结构能工作的基础。

设计主要解决三个问题；首先是是 高压不能直接进 ADC 或普通运放；比如 ADC 输入范围可能只有 、，但仪器外部可能要测 20 V、200 V、1000 V，直接接会损坏后级，所以必须先衰减。

然后是不能让被测对象被仪器严重加载；如果仪器输入阻抗太低，被测电路会被分流，测出来的电压就不准，所以万用表、电压表、示波器探头等都希望输入阻抗足够高。

其次是高压下要限流、分压、保证安全；如果只用一个电阻承担全部高压，电阻耐压、功耗、温漂都会出问题；所以通常用多个大电阻串联，把电压和热量分摊开。

分压器数学模型

最简单的分压器是：

Vin ── Rtop ──●── Rbottom ── GND
              │
             Vout

输出电压为：

衰减倍数为：

如果要 10:1 衰减：

如果要 100:1 衰减：

如果要 1000:1 衰减：

假设总输入阻抗设计成 ，那么不同衰减比可以大致这样选：

所以很多仪器的高压档输入阻抗就是固定在约 附近。

为什么不用一个 10 MΩ 电阻，而用多个电阻串联？

普通贴片电阻有最大工作电压限制；比如一个 0805 电阻可能额定工作电压只有几十伏到一两百伏，0603 更低；如果测 1000 V，单个 10 MΩ 电阻直接承受 1000 V，可能会击穿、爬电、漏电、阻值漂移，甚至损坏；如果改成 5 个 2 MΩ 串联，每个电阻只承担约：

这样每颗电阻的电压压力就小很多。

功耗问题

总电阻 ，输入 1000 V 时，总功耗为：

如果只有一个电阻，这 0.1 W 全部集中在一颗电阻上；如果分成 5 颗串联，每颗大约承受：

热量分散以后，温升更低，阻值漂移更小，长期稳定性更好。

温漂问题

电阻有温度系数，例如：

如果电阻发热，它的阻值会变化；分压器的精度不是由某一个电阻的绝对值决定，而是由电阻比例决定;如果上臂和下臂温漂不同，分压比会变；所以高精度仪器里更关心电阻比值温漂，而不只是单个电阻的温漂。

一看就很精美，但是不知道具体厂家

一看就很精美，但是不知道具体厂家

这也是为什么高精度分压器常用匹配电阻网络、薄膜电阻、箔电阻，甚至专门的高压分压电阻阵列。

电压系数问题

高阻电阻还有一个容易被忽略的参数：电压系数。

理想电阻满足：

并且阻值不应该随电压变化；但真实高阻电阻在高电压下，阻值可能会随施加电压略微变化：这个现象叫 voltage coefficient，电压系数。

比如电压系数是：

那么电阻上电压变化 100 V，就可能引入：

的阻值变化，这对高精度仪器已经非常大；多个电阻串联以后，每个电阻分到的电压变小，电压系数造成的误差也更可控。

FET 运放在这里的作用

分压以后，节点电压变小了，但是这个节点通常阻抗很高，例如 100:1 分压：

从分压节点往回看，等效源阻抗是：

因为 很大， 较小，所以：

如果后级输入电流不够小，它会从这个节点吸走电流，导致分压点电压改变。

后级输入电流引起的误差大约是：

如果普通 BJT 输入运放的偏置电流是 ，那么：

这已经很大，如果 FET 输入运放的偏置电流是 ，那么：

这就小得多。

FET 输入运放的作用就是：用极小的输入电流读取分压节点电压，避免后级加载分压器。

这个“输入阻抗”到底会不会变？

一般数据里面是写死的

实际上是会变，首先是分压器本身决定输入阻抗；如果前端总电阻是：

那么仪器从外部看进去的 DC 输入阻抗大约就是这个值。

如：

输入 100 V 时，从被测对象吸收的电流是：

输入 1000 V 时：

所以高压档一般不是无限大输入阻抗，而是一个规定值，比如 10 MΩ。

FET 运放输入阻抗随频率变化

永远记得 OP 的交流性质

FET 运放输入不是一个单纯的大电阻，而是：

低频时，电容阻抗很大，输入阻抗主要由输入电阻决定；高频时，输入电容阻抗下降，输入阻抗会变小。

这也是为什么数据手册会同时给出输入电阻和输入电容；TL07xH 这类 FET 输入运放虽然低频输入阻抗很高，但输入电容仍然是 pF 量级，在高阻源、高频信号下不能忽略。

仪器的不同量程下输入阻抗可能不同，多数仪器不是所有量程都保持同一个输入阻抗；当仪器测低电压，例如 200 mV、2 V 档时，信号本身已经适合后级 ADC 或积分器处理，不需要大幅衰减。

这个时候仪器可能让信号直接进入高阻 FET 缓冲器，于是输入阻抗可以很高。

当仪器测高电压，例如 20 V、200 V、1000 V 档时，继电器或模拟开关会切入高压分压器；外部电压先经过高阻串联电阻衰减，再送给 FET 缓冲器。这个时候外部看到的输入阻抗主要由分压器决定，常见就是 10 MΩ 左右。

这个结构的误差来源

这个前端看起来简单，其实误差来源很多；首先是分压电阻比例误差，已知分压器输出为：

只要 、 比例有误差，输出就有误差。

比如目标是 100:1，但实际变成 99.95:1，仪器读数就会偏。

如果上臂电阻和下臂电阻温漂不同，温度变化会导致分压比变化；例如上臂温漂 25 ppm/°C，下臂温漂 10 ppm/°C，那么温度每变化 1°C，比例可能出现十几 ppm 级变化。

以及测高压时，分压电阻会发热。

发热导致电阻温度上升，进而导致阻值变化。

运放输入偏置电流误差

FET 运放输入电流虽小，但不是零；始终也不是完美的样子，误差为：

当 很大时，即使 pA 级电流也可能带来微伏级误差。

输入电容和频率响应误差

高阻节点加上输入电容、PCB 电容，会形成低通滤波：

如果 ，总电容 ，那么：

这对 DC 电压表影响不大，但对 AC 测量、示波器前端、高速采集前端影响很大；不过咱们现在的场景，随便搞～

对于 MΩ、GΩ、TΩ 级节点，PCB 表面的污染、湿气、助焊剂残留都可能形成漏电路径；例如 100 V 加在一个等效 漏电路径上，漏电流是：

这个电流比 FET 运放输入偏置电流大得多。

后记

累了，之后继续写；万用表设计还是蛮深奥的。