CN101477142B - 按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体及其使用方法涉及万用表，包括输入偏置电流低于1纳安的运算放大器，阻值大于10兆欧的第一参考电阻，参考电压源，电源，还包括屏蔽盒，置于屏蔽盒内的跳线开关阵列，支架，跳线开关阵列由相互间通过绝缘材料绝缘的一组金属接插脚构成，运算放大器通过支架置于屏蔽盒内，运算放大器的正、负输入和输出分接跳线开关阵列的三个接插脚，运算放大器的电源脚接电源。用户可通过跳线开关阵列将运算放大器接出各种万用表功能。因未使用印刷电路板，且跳线开关阵列可用绝缘性、抗压电、抗湿和抗摩擦生电性均绝佳的蓝宝石制作，从而大大地减少了漏电流，提高了测量精度。因没用防护环技术，成本大大降低。

Description

按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体及其使用方法

技术领域

本发明涉及万用表，特别涉及一种能对微弱信号进行多功能测量的按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体及其使用方法。

背景技术

万用表的重要性毋庸置疑，但普通万用表不能测量微弱信号，这些微弱信号包括弱于1纳安的电流、弱于1微伏的电压、高于1000兆欧姆的电阻、低于1纳法的电容。随着科技的进步，这些过去不常见的待测弱信号已开始变得越来越重要和普遍，但至今仍未见有能够普及的高质量低价格多功能的微弱信号万用表产品出现。微弱信号测量仪虽有不少产品问世，但它们一般都专于某一种或少数几种微弱信号的测量，不能同时具备测量各种微弱信号(弱电流、弱电压、弱电流源、高阻、弱电容、噪声)的功能，且价格十分昂贵，难以普及。出现这种情况的原因如下：(1)微弱信号的测量与普通信号的测量完全不同，其测量必须在极小漏电流的条件下进行，而已有微弱信号测量仪一般都使用防护环(Gard ring)技术减小测量漏电流，但防护环技术十分昂贵(如Keithley 6430的国内价格为15万元人民币)，制作复杂，操作以来也很复杂，且可靠性差；(2)微弱信号万用表各个不同测量功能之间的切换必须做到漏电流极小，但由于切换开关的结构复杂，目前尚无极低漏电流的切换开关技术与产品可用，这使得将多个微弱信号测量功能同时集身于一个万用表变得难以实现。

发明内容

为了克服普通万用表漏电流大，不能测量微弱信号，而专用微弱信号测量仪功能少、结构复杂、或成本高的问题，提供一种能按用户接线进行功能切换的低漏电流、多功能、结构简单、低成本、能将微弱被测信号转换成强信号的微弱信号万用表表体。

实现本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体的技术方案为：

本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体，包括：运算放大器OPA，第一参考电阻R₁，参考电压源V_R，电源PS，还包括：屏蔽盒SBOX，跳线开关阵列JMPR，支架HDR，

所述第一参考电阻R₁的阻值大于10兆欧姆，

所述跳线开关阵列JMPR由相互间通过绝缘材料绝缘的一组金属接插脚构成，

所述运算放大器OPA通过支架HDR置于屏蔽盒SBOX内，所述跳线开关阵列JMPR置于屏蔽盒SBOX内，运算放大器OPA的输入偏置电流I_B低于1纳安，运算放大器OPA的负输入V_-接跳线开关阵列JMPR的一个接插脚，构成负接插脚P_-，运算放大器OPA的输出V_o接跳线开关阵列JMPR的另一个接插脚，构成输出接插脚P_o，运算放大器OPA的正输入V₊接跳线开关阵列JMPR的另一个未被占用的接插脚，构成正接插脚P₊，运算放大器OPA的电源脚接电源PS。

所述跳线开关阵列JMPR的绝缘材料为蓝宝石。

所述跳线开关阵列JMPR上未被占用的接插脚分出两组，一组接到所述负接插脚P_-上，构成负接插脚群GP_-，另一组接到所述输出接插脚P_o上，构成输出接插脚群GP_o。

所述参考电压源V_R的输出接跳线开关阵列JMPR的一个未被占用的接插脚，构成参考电压接插脚P_VR。

所述参考地RG可接跳线开关阵列JMPR上的一个未被占用的接插脚，构成参考地接插脚P_RG。

本发明将按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体切换出微弱电流测量功能的方法，其特征是将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，正接插脚P₊接参考电压源V_R或接参考地RG，负接插脚P_-和参考地RG构成所述微弱信号万用表表体的待测电流输入端，所述微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由输出接插脚P_o和参考电压源V_R构成、或由输出接插脚P_o和正接插脚P₊构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考电压源V_R构成。

本发明将按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体切换出微弱电流源功能的方法，其特征是按照如下两种方法之一连接微弱信号万用表表体：(a)正接插脚P₊接参考地RG，第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R，所述微弱信号万用表表体的电流输出或由负接插脚P_-和输出接插脚P_o构成、或由运算放大器OPA的负输入V_-和运算放大器OPA的输出V_o构成。(b)正接插脚P₊接参考电压源V_R，第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考地RG，所述微弱信号万用表表体的电流输出或由负接插脚P_-和输出接插脚P_o构成、或由运算放大器OPA的负输入V_-和运算放大器OPA的输出V_o构成。

本发明将按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体切换出高阻测量功能的方法，其特征是按照如下两种方法之一连接微弱信号万用表表体：(a)将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R，被测电阻R_X的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，正接插脚P₊接参考地RG，所述微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成，(b)将上面方法中的第一参考电阻R₁与被测电阻R_X对调。

本发明将按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体切换出微弱电压测量功能的方法，其特征是还包括第二参考电阻R₂，第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R或接参考地RG，正接插脚P₊和参考地RG构成所述微弱信号万用表表体的待测电压输入端，所述微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成。

本发明利用按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体测量微弱电容C_X的方法，步骤如下：

(a)将所述第一参考电阻R₁的两端分别接负接插脚P_-和输出接插脚Po，增设第二参考电阻R₂，并将第二参考电阻R₂的两端分别接负接插脚P_-和参考地RG，将正接插脚P₊接参考电压源V_R或接参考地RG，所述微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成；

(b)将一系列已知电容值的微弱电容分别与第一参考电阻R₁并联，并分别记录微弱信号万用表表体输出的噪声信号，得噪声-电容关系表；

(c)将待测微弱电容C_X单独与第一参考电阻R₁并联，并记录此时微弱信号万用表表体输出的噪声信号，并在上述噪声-电容关系表中查找该噪声信号所在的区间，用插值法或拟合法计算该噪声信号所对应的电容值，该电容值即为待测微弱电容C_X的电容值。

本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体的工作原理为：

运算放大器是通过支架固定于屏蔽盒内的，而不使用印刷电路板，这样，运算放大器最灵敏的负输入脚与其它各脚之间就没有了从印刷电路板漏掉的电流，提高了微弱信号测量的精度。此外，各种微弱信号测量功能间的切换是通过用户在高绝缘的跳线开关阵列上选择不同的接插组合而实现的，而不是使用漏电流大的普通开关来完成的，这就解决了各种功能间相互切换的漏电流问题。特别是所述跳线开关阵列因其结构简单而可以由绝缘性、抗湿性、抗压电性、抗摩擦起电性均非常优秀的蓝宝石制成，出色地杜绝了各种能干扰到微弱信号测量的不利因素。而普通开关因为结构复杂，难以用蓝宝石制成，所以漏电流大，且抗湿性、抗压电性、抗摩擦起电性都相差甚远，导致各种干扰信号寄生在测量电路中。又由于构成本发明的各个元器件都置于屏蔽盒内，被测器件也可置于屏蔽盒内，这就排除了外界的电磁干扰。本发明没有使用防护环(Guard ring)技术，制作复杂性和操作复杂性都大大降低了，简单坚实的结构也使得可靠性大大提高；即使跳线开关阵列用蓝宝石制作，本发明的制作成本也不高，因为跳线开关阵列的结构极为简单，大大降低了蓝宝石的加工难度。

本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体的如下9种基本功能可通过用户按照如下的跳线开关阵列JMPR接线方法来实现，基本电路参见附图2；

(1)弱电流测量模式：第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，正接插脚P₊接参考电压源V_R或接参考地RG，负接插脚P_-为本发明微弱信号万用表表体的电流输入，微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由输出接插脚P_o和参考电压源V_R构成、或由输出接插脚P_o和正接插脚P₊构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考电压源V_R构成。由于该接法构成一个跨阻抗放大电路(transimpedance amplifier)，所以能测电流，且能测微弱电流，因为所述运算放大器OPA的输入偏置电流I_B低于1纳安(如选用输入级为FET或MOSFET的运算放大器OPA，其输入偏置电流I_B可为飞安量级)，且该运算放大器OPA没有能产生漏电流的途径，又被屏蔽了电磁干扰；我们的数据显示当所述运算放大器OPA选为OPA627时，该弱电流测量模式能提供飞安量级的弱电流测量分辨率(见附图5)，远好于一般皮安表的皮安量级电流分辨率。

(2)弱电压测量模式：第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R或接参考地RG，正接插脚P₊和参考地RG构成本发明微弱信号万用表表体的待测电压输入，本发明微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成；该接法的等效电路为非反相放大电路(non-inverting amplifier)，所以能放大被测微弱电压信号。

(3)电阻电流噪声测量模式：将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，被测电阻一端接负接插脚P_-，另一端接参考地RG，正接插脚P₊接参考地RG，本发明微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成。这是普通万用表不具备的。

(4)电阻电压噪声测量模式：将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接参考地RG，被测电阻一端接正接插脚P₊，另一端接参考地RG，本发明微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成。这是普通万用表不具备的。

(5)弱电容测量模式：将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接参考地RG，正接插脚P₊接参考地RG，本发明微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成；将一系列已知电容值的微弱电容分别与第一参考电阻R₁并联，并分别记录本发明微弱信号万用表表体输出的噪声信号，得噪声-电容关系表，将待测微弱电容C_X单独与第一参考电阻R₁并联，并记录此时本发明微弱信号万用表表体输出的噪声信号V_X，并在上述噪声-电容关系表中查找该噪声信号V_X所在的区间，用插值法或拟合法计算该噪声信号V_X所对应的电容即为待测微弱电容C_X；

(6)高电阻测量模式：将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R，被测电阻R_X的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，正接插脚P₊接参考地RG，该接法的等效电路构成一个反相放大电路；或将上述第一参考电阻R₁与被测电阻R_X对调；本发明微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成。

(7)噪声法测量温度模式：将第一参考电阻R₁一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接参考地RG，正接插脚P₊接参考地RG，本发明微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成；多次改变第二参考电阻R₂所处的环境温度(温度已知)，并分别记录本发明微弱信号万用表表体的输出的噪声信号，得噪声-温度关系表；测量未知温度时，将第二参考电阻R₂置于待测温度中，并记录本发明微弱信号万用表表体的输出的噪声信号，在上述噪声-温度关系表中查找该噪声信号所在的区间，用插值法或拟合法计算该噪声信号所对应的温度即为待测温度。

上述为本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体的七个测量模式，如选定运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成上述模式的输出，将输出接均方根到直流转换器(RMS-to-DC)，再由均方根到直流转换器的输出接电压显示器，可形成表体和表头一体的按用户接线切换功能的微弱信号万用表；如选定输出接插脚P_o和参考地RG构成上述模式的输出，将输出接均方根到直流转换器，再将均方根到直流转换器的输出接电压显示器，由于用户对跳线开关阵列JMPR输出接插脚P_o的可操作性，可形成表体和表头分体的按用户接线切换功能的微弱信号万用表。

本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体还可切换出弱电流源和弱电压源，这是普通万用表不具备的：

(8)弱电流源模式：正接插脚P₊接参考地RG(或参考电压源V_R)，第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R(或参考地RG，如果正接插脚P₊接参考电压源V_R的话)，本发明微弱信号万用表表体的弱电流输出或由负接插脚P_-和输出接插脚P_o构成、或由运算放大器OPA的负输入V_-和运算放大器OPA的输出V_o构成；该接法的等效电路为反相放大电路(inverting amplifier)，由于第一参考电阻R₁上的电压恒定，其上电流不会随负载而变，且该电流等于输出电流。

(9)弱电压源模式：将第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R，正接插脚P₊接参考地RG，本发明微弱电压表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成，这是一个增益小于1的反相放大电路；或者将第一参考电阻R₁的一端接正接插脚P₊，另一端接参考电压源V_R，而第二参考电阻R₂的一端接参考地RG，另一端也接正接插脚P₊，负接插脚P_-与输出接插脚P_o短接，本发明微弱电压表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成，这是一个分压后接跟随器的电路。

根据上述原理可以看出，与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

(1)运算放大器是通过支架固定于屏蔽盒内的，而不使用印刷电路板，这样，运算放大器最灵敏的负输入脚与其它各脚之间就不会有从印刷电路板漏掉的电流，大大提高了微弱信号测量的精度与分辨率。

(2)在不同测量功能的转换上使用结构简单的跳线开关，特别是该跳线开关结构简单到可用绝缘性、抗压电性、抗湿性、和抗摩擦生电性均绝佳的蓝宝石以低成本加工制成，在不增加操作和制作复杂性的前提下解决了常规万用表由于使用普通或电动转换开关而产生的巨大漏电流、压电干扰、潮湿漏电和摩擦起电等破坏微弱信号测量的问题。

(3)本发明没有使用防护环技术，制作复杂性和操作复杂性都大大降低了，简单坚实的结构也使得可靠性大大提高。

(4)除实现多种测量功能外，还可作为提供微弱电流和微弱电压信号的源表使用，这是普通万用表所没有的功能。

(5)不仅制造成本低廉，而且性能优越到能测量飞安(fA)量级的极弱电流(见附图5)并能测量到不同阻值电阻内部很弱的电流噪声(附图3)与电压噪声(附图4)，所测得的噪声与电阻阻值间的关系与理论强生(Johnson)噪声给出的关系完全符合(附图3与4中拟合直线的线性关联度皆高于99％)，是性价比极高的微弱信号测量仪器。

附图说明

图1是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体的基本结构示意图。

图2是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体的基本电路示意图。

图3是利用本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体实测的电阻与电阻电流噪声关系图。

图4是利用本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体实测的电阻与电阻电压噪声关系图。

图5是利用本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体实测的飞安量级微弱电流测量响应曲线。

图6是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体弱电流测量模式的电路示意图。

图7是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体弱电流源模式的电路示意图。

图8是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体弱电压测量模式的电路示意图。

图9是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体弱电压源模式1的电路示意图。

图10是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体弱电压源模式2的电路示意图。

图11是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体电阻电流噪声测量模式的电路示意图。

图12是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体电阻电压噪声测量模式的电路示意图。

图13是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体弱电容测量模式的电路示意图。

图14是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体高电阻测量模式的电路示意图。

图15是本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体噪声法测量温度模式的电路示意图。

图中标记：OPA运算放大器，R₁第一参考电阻，R₂第二参考电阻，V_R参考电压源，RG参考地，PS电源，JMPR跳线开关阵列，HDR支架，SBOX屏蔽盒，R_X被测电阻，C_X被测电容，V_o运算放大器输出，₊V_ss运算放大器电源脚正极，_-V_ss运算放大器电源脚负极，I_in弱电流测量模式的待测电流输入，V_in弱电压测量模式的待测电压输入，I_out弱电流源模式的电流输出。

具体实施方式

实施例1：基本型按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体

本发明基本型按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体的结构示意图见图1，该表体的基本电路见图2，其具体实施方式为：包括：运算放大器OPA，第一参考电阻R₁，参考电压源V_R，电源PS，还包括：屏蔽盒SBOX，跳线开关阵列JMPR，支架HDR，所述第一参考电阻R₁的阻值大于10兆欧姆，

所述跳线开关阵列JMPR由相互间通过绝缘材料绝缘的一组金属接插脚构成，

所述运算放大器OPA通过支架HDR置于屏蔽盒SBOX内，所述跳线开关阵列JMPR置于屏蔽盒SBOX内，运算放大器OPA的输入偏置电流I_B低于1纳安，运算放大器OPA的负输入V_-接跳线开关阵列JMPR的一个接插脚，构成负接插脚P_-，运算放大器OPA的输出V_o接跳线开关阵列JMPR的另一个接插脚，构成输出接插脚P_o，运算放大器OPA的正输入V₊接跳线开关阵列JMPR的另一个未被占用的接插脚，构成正接插脚P₊，运算放大器OPA的电源脚接电源PS。

上述跳线开关阵列JMPR为实现本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体各功能之间切换以及信号的输入和输出提供了接口，第一参考电阻R₁供用户按照其需要的功能接入到跳线开关阵列JMPR上，

本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体实现各具体功能的方法如下：

1)当需要测量弱电流信号时：只须将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，正接插脚P₊接参考电压源V_R或接参考地RG，负接插脚P_-和参考地RG为本发明微弱信号万用表表体的待测电流输入，本发明微弱信号万用表表体的输出或由参考地RG与输出接插脚P_o构成或由参考地RG与运算放大器OPA的输出V_o构成，参见附图6。

2)当需要进入电阻电流噪声测量模式时：只须将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，被测电阻一端接负接插脚P_-，另一端接参考地RG，正接插脚P₊接参考地RG，接插脚P_o或运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG配对构成输出，参见附图11。

3)当需要进入高电阻测量模式时：只须将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R，被测电阻R_X的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，正接插脚P₊接参考地RG，接插脚P_o或运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG配对构成微弱信号万用表高电阻测量模式的输出端，参见附图14；或将上述第一参考电阻R₁与被测电阻R_X对调。

4)当需要进入弱电流源模式时：只须将正接插脚P₊接参考地RG(或参考电压源V_R)，第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R(或参考地RG，如果正接插脚P₊接参考电压源V_R的话)，本发明微弱信号万用表表体的弱电流输出或由负接插脚P_-和输出接插脚P_o构成、或由运算放大器OPA的负输入V_-和运算放大器OPA的输出V_o构成，参见附图7。

实施例2：含第二参考电阻的按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体

在上述实施例中增设第二参考电阻R₂，构成本实施例，可实现另一些功能，方法如下：

5)当需要进入弱电压测量模式时：只须将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R或接参考地RG，正接插脚P₊和参考地RG构成本发明微弱信号万用表表体的待测电压输入，输出接插脚P_o或运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG配对构成输出，参见附图8。

6)当需要进入电阻电压噪声测量模式时：只须将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接参考地RG，被测电阻一端接正接插脚P₊，另一端接参考地RG；接插脚P_o或运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG配对构成本发明微弱信号万用表表体电阻电压噪声测量模式的输出端，参见附图12。

7)当需要进入弱电容测量模式时：只须将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接参考地RG，正接插脚P₊接参考地RG，输出接插脚P_o或运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG配对构成输出；将一系列已知电容值的微弱电容分别与第一参考电阻R₁并联，并分别记录本发明微弱信号万用表表体输出的噪声信号，得噪声-电容关系表(此表本发明随机也可提供)，将待测微弱电容C_X单独与第一参考电阻R₁并联，并记录此时本发明微弱信号万用表表体输出的噪声信号，并在上述噪声-电容关系表中查找该噪声信号所在的区间，用插值法或拟合法计算该噪声信号所对应的电容即为待测微弱电容C_X，参见附图13。

8)当需要进入噪声法测量温度模式时：只须将第一参考电阻R₁一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接参考地RG，正接插脚P₊接参考地RG，接插脚P_o或运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG配对构成输出。多次改变第二参考电阻R₂所处的环境温度(温度已知)，并分别记录本发明微弱信号万用表输出的噪声信号，得噪声-温度关系表(此表本发明随机也提供)；测量未知温度时，将第二参考电阻R₂置于待测温度中，并记录本发明微弱信号万用表的输出的噪声信号，在上述噪声-温度关系表中查找该噪声信号所在的区间，用插值法或拟合法计算该噪声信号所对应的温度即为待测温度，参见附图15。

9)当需要进入弱电压源模式时：只须将第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R，正接插脚P₊接参考地RG，输出接插脚P_o或运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG配对构成本发明微弱信号万用表表体的弱电压源输出端，参见附图9；或者将第一参考电阻R₁的一端接正接插脚P₊，另一端接参考电压源V_R，而第二参考电阻R₂的一端接参考地RG，另一端也接正接插脚P₊，负接插脚P_-与输出接插脚P_o短接，输出接插脚P_o或运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG配对构成本发明微弱信号万用表表体的弱电压源输出端，参见附图10。

实施例3：接插脚分群型微弱信号万用表表体

上述实施例中跳线开关阵列JMPR上未被占用的接插脚可分出一组接到所述负接插脚P_-上，构成负接插脚群GP_-。这样，当需要将第一参考电阻R₁、第二参考电阻R₂、参考电压源V_R、参考地RG、和/或被测器件接到所述负接插脚P_-上时，可接插至负接插脚群GP_-中的任何一个接插脚上，不至于都拥挤地接插到同一个负接插脚P_-上。

类似地，所述跳线开关阵列JMPR上未被占用的接插脚可分出一组接到所述输出接插脚P_o，构成输出接插脚群GP_o。

实施例4：多插脚型微弱信号万用表表体

上述实施例中参考地RG可接跳线开关阵列JMPR上的一个未被占用的接插脚，构成参考地接插脚P_RG。类似地，参考电压源V_R的输出可接跳线开关阵列JMPR上的一个未被占用的接插脚，构成参考电压接插脚P_VR。这样本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体的输入、输出以及测量和功能切换的操作都可在跳线开关阵列JMPR上完成，跳线开关阵列JMPR可完全成为面向用户的操作平台。

实施例5：含弱电容型微弱信号万用表表体

上述实施例中，还可包括一个参考电容C₁，其容值低于1微法，用于同第一参考电阻R₁并联，设定其带宽。

实施例5：含表头的弱电容型微弱信号万用表

上述本发明按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体的各测量模式中，如选定运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG配对构成输出，可将输出接均方根到直流转换器，再由均方根到直流转换器的输出接电压显示器，可形成表体和表头一体的按用户接线切换功能的微弱信号万用表。如选定输出接插脚P_o和参考地RG配对构成输出，可将输出接均方根到直流转换器，再由均方根到直流转换器的输出接电压显示器，由于用户对跳线开关阵列JMPR输出接插脚P_o的可操作性，可形成表体和表头分体的按用户接线切换功能的微弱信号万用表。

Claims (10)

1.一种按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体，包括：运算放大器OPA，第一参考电阻R₁，参考电压源V_R，参考地RG，电源PS，其特征在于还包括：屏蔽盒SBOX，跳线开关阵列JMPR，支架HDR，所述第一参考电阻R₁的阻值大于10兆欧姆，

所述跳线开关阵列JMPR由相互间通过绝缘材料绝缘的一组金属接插脚构成，

所述运算放大器OPA通过支架HDR置于屏蔽盒SBOX内，所述跳线开关阵列JMPR置于屏蔽盒SBOX内，所述运算放大器OPA的输入偏置电流I_B低于1纳安，

所述运算放大器OPA的负输入V_-接跳线开关阵列JMPR的一个接插脚，构成负接插脚P_-，所述运算放大器OPA的输出V_o接跳线开关阵列JMPR的另一个接插脚，构成输出接插脚P_o，所述运算放大器OPA的正输入V₊接跳线开关阵列JMPR的另一个未被占用的接插脚，构成正接插脚P₊，所述运算放大器OPA的电源脚接电源PS。

2.根据权利要求1所述的按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体，其特征在于所述跳线开关阵列JMPR的绝缘材料为蓝宝石。

3.根据权利要求1所述的按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体，其特征在于：所述跳线开关阵列JMPR上未被占用的接插脚分出两组，一组接到所述负接插脚P_-上，构成负接插脚群GP_-，另一组接到所述输出接插脚P_o上，构成输出接插脚群GP_o。

4.根据权利要求1所述的按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体，其特征在于：所述参考电压源V_R的输出接跳线开关阵列JMPR的一个未被占用的接插脚，构成参考电压接插脚P_VR。

5.根据权利要求1所述的按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体，其特征在于：所述参考地RG接跳线开关阵列JMPR上的一个未被占用的接插脚，构成参考地接插脚P_RG。

6.一种将权利要求1所述按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体切换出微弱电流测量功能的方法，其特征是将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，正接插脚P₊接参考电压源V_R或接参考地RG，负接插脚P_-和参考地RG构成所述微弱信号万用表表体的待测电流输入端，所述微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由输出接插脚P_o和参考电压源V_R构成、或由输出接插脚P_o和正接插脚P₊构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考电压源V_R构成。

7.一种将权利要求1所述按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体切换出微弱电流源功能的方法，其特征是按照如下两种方法之一连接所述微弱信号万用表表体：(a)正接插脚P₊接参考地RG，第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R，电流源的输出或由负接插脚P_-和输出接插脚P_o构成、或由运算放大器OPA的负输入V_-和运算放大器OPA的输出V_o构成，(b)正接插脚P₊接参考电压源V_R，第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考地RG，电流源的输出或由负接插脚P_-和输出接插脚P_o构成、或由运算放大器OPA的负输入V_-和运算放大器OPA的输出V_o构成。

8.一种将权利要求1所述按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体切换出高阻测量功能的方法，其特征是按照如下两种方法之一连接微弱信号万用表表体：(a)将第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R，被测电阻R_X的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，正接插脚P₊接参考地RG，所述微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成，(b)将方法(a)中的第一参考电阻R₁与被测电阻R_X对调。

9.一种将权利要求1所述按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体切换出微弱电压测量功能的方法，其特征是增设第二参考电阻R₂，第一参考电阻R₁的一端接负接插脚P_-，另一端接输出接插脚P_o，第二参考电阻R₂的一端接负接插脚P_-，另一端接参考电压源V_R或接参考地RG，正接插脚P₊和参考地RG构成所述微弱信号万用表表体的待测电压输入端，所述微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成。

10.一种利用权利要求1所述的按用户接线切换功能的微弱信号万用表表体测量微弱电容C_X的方法，步骤如下：

(a)将所述第一参考电阻R₁的两端分别接负接插脚P-和输出接插脚Po，增设第二参考电阻R₂，并将第二参考电阻R₂的两端分别接负接插脚P-和参考地RG，将正接插脚P₊接参考电压源V_R或接参考地RG，所述微弱信号万用表表体的输出或由输出接插脚P_o和参考地RG构成、或由运算放大器OPA的输出V_o和参考地RG构成；

(b)将一系列已知电容值的微弱电容分别与第一参考电阻R₁并联，并分别记录微弱信号万用表表体输出的噪声信号，得噪声-电容关系表；

(c)将待测微弱电容C_X单独与第一参考电阻R₁并联，并记录此时微弱信号万用表表体输出的噪声信号，并在上述噪声-电容关系表中查找该噪声信号所在的区间，用插值法或拟合法计算该噪声信号所对应的电容值，该电容值即为待测微弱电容C_X的电容值。

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