如何用万用表测量可程控双向直流电源的纹波电压？

使用万用表测量可程控双向直流电源的纹波电压时，需结合电源的工作模式（源模式或载模式）和输出特性，通过合理选择测量方法、万用表功能及辅助设备，确保测量结果的准确性。以下是详细步骤和注意事项：

一、测量原理

纹波电压是直流电源输出中叠加的交流成分，通常用有效值（RMS）或峰峰值（Vpp）表示。万用表可通过以下方式测量：

• 真有效值万用表：直接测量纹波的有效值（适用于正弦波或复杂波形）。
• 峰值检测万用表：测量纹波的峰峰值（需结合示波器确认波形）。
• 带滤波功能的万用表：通过内置滤波器分离直流和交流成分。

二、测量前准备

1. 选择万用表

• 真有效值万用表：推荐Fluke 87V、Fluke 289等，支持AC+DC耦合模式，可同时测量直流和交流成分。
• 峰值检测万用表：如Fluke 17B+，需配合示波器确认波形是否为正弦波（否则峰值测量可能不准确）。
• 分辨率要求：纹波电压通常较小（如<100mV），万用表直流电压档分辨率需≥0.1mV。

2. 了解电源特性

• 源模式：电源输出能量，纹波主要来自内部电路和外部负载。
• 载模式：电源吸收能量，纹波可能来自能量源或内部回馈电路。
• 程控功能：确认电源支持通过面板或软件调整输出参数（如电压、电流），并读取实际输出值。

3. 辅助设备

• 低通滤波器：若万用表无AC+DC耦合功能，需外接RC滤波器（如R=1kΩ，C=10μF）分离纹波。
• 示波器：用于验证纹波波形（非必需，但推荐用于复杂波形分析）。
• 同轴电缆或屏蔽线：减少外部干扰对测量结果的影响。

4. 安全防护

• 断电操作：连接测量线路前关闭电源输出，避免触电。
• 限流设置：将电源输出电流限制设置为安全值（如≤1A），防止过流损坏。
• 绝缘工具：使用绝缘手套和防静电手环，防止静电或短路。

三、分模式测量方法

方法1：源模式下的纹波电压测量

步骤1：设置电源为恒压源（CV模式）

• 通过电源控制界面（如面板或软件）设置输出电压为固定值（如Vset=12V），电流限制为适当值（如Ilimit=1A）。

步骤2：连接负载和万用表

• 串联一个可变负载（如电子负载或电阻箱）至电源输出端。
• 将万用表设置为AC+DC耦合模式（若支持），或仅AC耦合模式（需确认电源输出无直流偏置）。
• 连接方式：
  • 直接测量：万用表红表笔接电源正极，黑表笔接负极。
  • 带滤波器测量：若万用表无AC耦合功能，在电源输出端并联RC滤波器（如R=1kΩ，C=10μF），万用表测量滤波器输出端电压。

步骤3：读取纹波电压

• 若万用表支持AC+DC耦合，直接读取交流成分有效值（如Vrms=5mV）。
• 若仅支持AC耦合，需手动计算纹波有效值（假设直流分量为Vdc，交流分量为Vac，则总输出为Vdc+Vac）。
• 示例：若万用表显示AC电压为5mV，则纹波有效值为5mV。

步骤4：验证波形（可选）

• 使用示波器连接电源输出端，观察纹波波形是否为正弦波。若为非正弦波（如三角波或方波），真有效值万用表结果更准确，峰值检测万用表需乘以波形系数（如方波系数为1）。

优化建议：

• 使用短而粗的导线减少引线电感。
• 避免将万用表与电源共地，防止地环路干扰。

方法2：载模式下的纹波电压测量

步骤1：设置电源为恒流源（CC模式）或能量回馈模式

• 通过控制界面设置电源为载模式，并指定吸收电流值（如Iset=−1A，负号表示吸收能量）。

步骤2：连接能量源和万用表

• 将电源输出端连接至能量源（如电池或其他直流电源），设置能量源电压为固定值（如Vsource=24V）。
• 将万用表设置为AC+DC耦合模式，连接至电源输入端（即能量源与电源的连接点）。

步骤3：读取纹波电压

• 开启电源输出，读取万用表显示的交流成分有效值（如Vrms=3mV）。
• 注意事项：
  • 载模式下纹波可能来自能量源或电源内部回馈电路，需确认干扰来源。
  • 若能量源纹波较大，需先测量能量源单独输出时的纹波，再与载模式结果对比。

步骤4：验证波形（可选）

• 使用示波器观察电源输入端纹波波形，确认是否为电源内部产生。

四、替代方法：利用示波器辅助测量

若万用表分辨率不足或需分析纹波波形，可结合示波器测量：

1. 连接示波器
   • 使用同轴电缆或屏蔽线连接示波器探头至电源输出端。
   • 探头接地端接电源负极，信号端接正极。
2. 设置示波器参数
   • 耦合方式：AC耦合（隔离直流分量）。
   • 垂直刻度：根据预期纹波大小调整（如10mV/格）。
   • 水平刻度：观察1-2个周期纹波（如5ms/格）。
3. 测量纹波参数
   • 峰峰值（Vpp）：示波器自动测量或手动读取波峰波谷差值。
   • 有效值（Vrms）：示波器“MEASURE”功能选择“AC RMS”。
4. 与万用表结果对比
   • 若示波器显示Vpp=20mV，则Vrms≈Vpp/2√2≈7.07mV（正弦波假设）。
   • 与万用表AC耦合模式结果对比，验证测量一致性。

五、常见问题与解决方案

1. 问题1：测量值远大于电源规格
   • 原因：外部干扰（如开关电源噪声）或测量方法错误。
   • 解决：
     • 使用屏蔽线或同轴电缆减少干扰。
     • 缩短测量引线长度。
     • 确认万用表耦合模式正确（AC或AC+DC）。
2. 问题2：万用表显示“OL”或超量程
   • 原因：纹波电压超出万用表AC档量程。
   • 解决：
     • 降低电源输出电压或电流，减少纹波幅度。
     • 切换至更高量程（如从200mV档切换至2V档）。
3. 问题3：载模式下无纹波显示
   • 原因：电源未正确切换至载模式，或能量源纹波被电源滤除。
   • 解决：
     • 检查控制界面模式设置，确认载模式已启用。
     • 使用示波器直接观察能量源输出纹波，确认干扰来源。

六、安全与效率优化建议

1. 使用真有效值万用表
   • 对于非正弦波纹波（如开关电源产生的三角波），真有效值万用表结果更准确。
2. 自动化测量系统
   • 结合可编程电子负载（如Chroma 6314A）和万用表，通过LabVIEW或Python编写自动化测试程序，实现连续测量和数据记录。
3. 定期校准设备
   • 每6个月校准万用表和示波器，确保测量精度。校准可联系计量机构（如Fluke授权服务中心）或使用标准源自行校准。