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KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A高电阻测量技术解决方案
引言
以前， 工程师在执行高电阻和电阻率测量时， 必须对测量专业技术非常熟悉才能获得准确的测量结果。 因为超低电流测量极易受到各种环境因素的影响。 造成误差的来源通常有: 泄漏电流、 放电电流或吸收电流、 测试设备接地/浮置问题， 以及测试设备物理结构所产生的环境噪声等等。
是德科技静电计/高阻计 (B298/B2987A)可以提供出色的 10 aA (0.01 fA)zui小电流分辨率、 10 PΩ (1016 Ω) 电阻测量功能， 及其他许多功能特性， 例如直方图和趋势图视图、 直观的测量导航， 因此能够显著增强用户的测量信心。
直方图和趋势图 (滚动视图)视图可以快速显示测量状态的概况， 使您能够立即确定测试问题。 测量导航助手可以帮助您正确设置测量参数， 即使您原来根本不熟悉设置步骤也不用担心。
本技术概述讲解了B298/87A如何帮助您轻松、 地执行高电阻测量。
注: B2987A内置充电电池， 因此不用连接交流电源也能使用。
Keysight B298/87A测量资源
图 1显示了KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A测量资源的原理图， 其中包括一个电压源 (Vs)、 一个电流表和一个电压表。 默认情况下， B298/87A 在开机时， 电流表和电压表的测量公共端连接到电压源的低侧 (Vs Low)。 不过， 您可以输入简单的命令， 控制内部开关(Vs低侧端接开关)切断Vs低侧端子与电路公共端的连接。 这意味着电压源(Vs)和电流表/电压表资源可以彼此独立地使用。
注: 浮置测量公共端的功能给予仪器更大的灵活性， 使其适用于更广泛的应用。
图1. B298/87A测量资源。
本文中使用的重要术语:
在极小电流中使用的公制前缀:
‾ -千兆(P)=10 15
‾ -兆(T)=10 12
‾ -十亿(G)=10 9
‾ -兆分之一(p)=10 -12
‾ -千万亿分之一(f)=10 -15
‾ -十的十八次方分之一(a)=10 -18
1. 浮置和接地测量
如图 2所示，KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A有两种高电阻测量配置 (浮置和接地)， 因此支持测试设备在这两种情况下执行测试。 图 2(a)显示的是被测器件 (DUT)浮置， 不与大地相连的情况。
在这种情况下测量高侧端子与低侧端子之间的电阻。 请注意， 虽然低侧浮置， 但寄生电阻和电容可能提供一条"潜在的接地通路"。 此时， 在低侧端子上连接一个直流偏置电源， 可以解决这个问题。 图2(b)显示了被测器件接地的情况。 由于低侧接地， 所以测试电压应用和电流测量必须在被测器件的高侧端子上进行。
浮置器件测量
图 3(a)显示的是浮置器件测量的电路图。 测试设备连接到 Vs高侧输出端和电流表输入端之间。 由于电流表要测量极小的电流， 并且容易受到噪声的干扰， 所以它需要贴近接地电位， 以屏蔽测试设备的影响， 提高测量结果的准确性。
接地器件测量
图3(b)显示的是接地器件测量的电路图。 在这种配置中， 由于器件在一侧接地， 所以电流表连接到Vs正输出端。
图 1 所示的体系结构使 B298/87A 很容易实施这两种配置。 电流表的输入端是三轴的， 内屏蔽起保护作用， 而外屏蔽连接到大地。 注: 虽然zui大保护电势为500V， 但只要采取适当的预防措施， 测量是安全的。 因此， B298/87A的浮置和接地测量配置显然可以用于广泛的高电阻测量应用。
图3. 高电阻测量模式。
2. 测量支持功能和技巧
高电阻测量在许多应用中都至关重要， 例如材料表征、 元器件测试、 成品检测以及设备维护等。 可是由于并联电容、 泄漏电阻和噪声接收天线元件等寄生元件的存在， 许多应用中的测量并不是纯粹的电阻测量。 因此， 要进行的高电阻测量， 需要具备一定的专业技术， 熟悉如何使用测量仪器的功能特性， 以消除这些寄生元件的影响。
下面的章节详细讲述了执行高电阻测量所必需的技术。
滚动视图和实时直方图有利于噪声数据的分析
许多时候， *消除测量噪声是不可能的。 因此， 您必须了解噪声的本质， 才能选择有效的解决方案。 图 4显示了 B298/87A的图形显示能力如何显示线路频率噪声干扰。
图 4(b) 显示了 KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A如何同时显示数值 (仪表视图) 和数据趋势 (滚动视图)。 图4(c)显示了B298/87A的直方图视图， 该视图可对测量数据执行实时统计分析。
KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A提供了两种消除测量信号噪声的方法: 测量速度和滤波。 测量速度有四种选择: 快速(Quick)、 正常(Normal)、 稳定(Stable)和手动(Manual)。 手动速度设置可由用户定义。
注: 滤波器功能在后面的章节中详细讲授。
图4(b)前半部分图形所示的滚动视图数据是使用快速测量设置获得的， 数据含有较大的噪声。 图4(b)后半部分图形所示的数据是使用正常速度测量设置获得的， 而数据就比较稳定。 图4(c)直方图视图显示了图4(b)中的两种数据集合对应的分布情况。 使用快速设置获得的数据， 其直方图分布呈现典型的正弦波特征， 表明电源线周期是主要的噪声来源。 使用正常速度设置(在线路频率上积分)获得的数据， 其直方图呈现*的可重复性， 表明正常速度有效地降低了噪声。 一旦您知道噪声的来源， 便可决定是降低电源上的噪声， 还是将噪声从测量数据中滤除。 请注意， 如果噪声是对称分布的， 那么您可以使用直方图数据的平均值。
R
(a) 噪声
(b) 包括滚动视图的仪表视图
(c) 实时直方图视图
快速 正常速度
速度设为正常
线路噪声 速度设为快速
(示例)
滚动视图
图4. View(视图)功能使噪声源分析变得轻而易举。
X-Y图可直观地确定数据收敛
图 5 显示了寄生元件的一些示例， 这些寄生元件有可能对高电阻测量产生影响。
图 5(a)中， 与电阻器并联的杂散电容器会导致收敛至zui终电阻值所需要的响应时间增加。 图 5(b)显示了一个绝缘电阻测量示例， 其中的电容介电吸收也会增加收敛时间。 图 5(c)显示的是通常与电压有关的高电阻元件。 您很难通过在数字显示屏上观察这些变化来确定收敛时间。 图 6显示了 B298/87A的图形视图如何帮助您方便地监测数据收敛。 在此示例中， 一个 100 GΩ 电阻测量瞬态在施加测试电压后收敛至其zui终值。 通过用图形显示收敛响应， 您很容易观察并确定测量结果达到稳定的时间。 电阻值与电压的关系可以用同样的方法测得。
图5. 在测量高电阻器件时遇到的寄生元件的示例。
保护端可以有效消除表面泄漏电流
图 7(a)显示了表面泄漏电流对超高电阻测量有何影响。 如果表面被污染 (例如曾经接触过您的手)， 那么有可能形成电流泄漏路径， 从而影响测量的准确性。 不过， 如果有图7(b)所示的保护端连接， 那么表面上的一点可以连接到电流表的保护端， 使您可以消除表面泄漏导致的误差。 由于保护端电势与中心信号引脚上的电势几乎*相同， 所以电流表输入端与保护端之间的电势可以忽略不计。 另外， 由于表面泄漏电阻非常大， 所以从电流表流到保护端的电流几乎为零。 注: 为了进行有效保护， 保护端电势必须与电流表输入电压极为接近。 B298/87A保证在低电流测量范围内两者相差不超过20μV。
图7. 高电阻器件等效电路示例。
图6. 图形视图使您可以快速查看并确定电阻收敛时间。
高电阻测量示例
示例1.浮置电阻测量
以下部分介绍如何设置和测量电阻。 此例中使用 100 GΩ (1E11
Ω)的Keysight N1422A高值电阻箱。 测试装置和测试资源框图见
图 8。 此例中使用的测量条件如下:
测试电压: 10V
电流范围: 200pA范围(即I=V/R=10/1E11=1E-10=100pA)
注 1: 由于电流测量使用的是自动量程模式， 所以不必电流
测量范围。
注2: 如果您的器件接地， 请参见例2。
按照下面的步骤设置和测量高阻值电阻器。
B298/87A前面板测量操作步骤
1.按 [View]键, 显示 View功能键菜单。 然后按 [Meter View]
功能键。
使用香蕉头至
接线片电缆连接
B298/87A 机箱接地
图8. 高电阻测量的线缆连接和测试资源图(浮置)。
(1) 按 键显示 View 功能键。 (2) 按 键。
1.
2.
2.按下并选择[OHMS (R)]辅助键, 然后按[More]辅助键以显示[More 2 of 3]辅助键菜单。 按下并选择[Hide Roll]辅助键, 关闭仪表视图
下半部分显示的滚动视图。
(1) 按 键。
(2) 按 键, 直到 键出现。 (3) 按 键。
KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A前面板测量操作步骤
3.屏幕上显示电阻测量模式的量程设置。 确定将量程设置为AUTO, 并将Spot Source Range设为20V。
4.旋转 [Knob]将字段指针移至 Voltage Source值, 按 [Knob]编辑电压。 Voltage Source值上的字段指针变成绿色 (EDIT), 状态信息将
从MOVE变成EDIT。
旋转 将字段指针移至 Voltage Source 值,
改成 EDIT 模式。
Status
并按下该旋钮编辑电压。
5.按[向左]键将电压位设置为10V位置。 然后旋转[Knob]将电压设为10V, 按[Knob]键固定该电压。
按 键, 并将编辑位移动到 10 V 量程。 旋转 并将电压值设为 10 V, 然后按 固定该电压。
B298/87A前面板测量操作步骤
6.按电压源[On/Off]键以输出10V电压, 然后按电流表[On/Off]键执行测量。
7.按[Run/Stop]键, 开始连续的电阻测量。 AUTO指示标志显示测量是在AUTO模式中重复进行。
注: 如果您按[Single]键， 测量将只进行一次。 测量进行当中， 屏幕上显示"ARM"指示标志。
1. 启动电压源
2. 启动电流表
8.如下图所示, 滚动视图和直方图视图可以在仪表视图中显示, 也可以在独立的视图中显示。
按 辅助键在仪表视图下半部分打开滚动视图。
按 辅助键在仪表视图下半部分打开直方图视图。
按 功能键打开独立的滚动视图。
按 功能键打开独立的
直方图视图。
KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A前面板测量操作步骤
9.您可以使用测量导航键方便快捷地控制测量速度和量程。 Null (空值)键使您可以为其他测量设置基准点。 例如, 您可以使用空值功能对比一组电阻器中的电阻变化, 或监测电阻变化幅度。 过滤功能可计算测量数据的数字平均值, 使您能够在保持读数稳定的同时实现预期的积分时间和平均时间。
•
重置测量条件:
速度=正常
• 量程= 自动
测量速度控制
量程控制
测量导航键控制测试参数
空值键:
启用或禁用空值
(取消偏置)功能。
过滤键:
设置中值或移动平均
过滤功能。
10. 您可以将测量配置和设置保存到内部存储器或外部USB器件中。
下面的例子显示了如何将设置保存到内部存储器中。
1. 按[Save]键。 保存系统弹出菜单, 屏幕上会出现"选择要保存到的存储器位置"。
2. 选择并按下一个功能键位置, 用于保存电流设置。 您可以按[Recall]键并选择设置, 以调用以前保存的设置。
按 键并选择一个存储键, 以保存设置。
按 键可调用以前保存的设置。
例2. 接地电阻测量
图 9显示了接地测量的配置。 电流表连接到此配置的电压源，电压源低侧和电流表低侧 (公共端)之间的内部开关连接必须开路。 电压源低侧和机箱接地之间使用图中所示的香蕉头至接线
片电缆连接。 下面的步骤说明了如何配置接地测量。
图9. 高电阻测量装置(接地)。
使用香蕉头
至接线片
电缆连接
机箱接地
N1422A B298/87A
香蕉头电缆
三轴电缆
1.
- A +
+
Vs 100 G?
J2
Vs 低侧
2.
Vs 高侧
电流表
电流表公共端
N1422A
J1
B298/87A
三轴电缆
香蕉头电缆
A 使用香蕉头
电缆连接
将 Vs 低侧到公共端
开关之间的电路开路
香蕉头至
接线片电缆
高电阻测量示例续
断开Vs低侧与电流表低侧之间的连接。 (参见图9)
第 6 步
第 7 步
第 8 步
指示 Vs 低侧与电流表公共端断开
7. 按下旋钮, 将输入字段变成绿色的EDIT模式。
将Low Terminal State改成"Floating"。
8. 按[Apply]键, 然后按OK键。
Vs低侧随后被设置为浮置状态, 且与电流表公共端断开连接。
第1步. 按[On/Off]键关闭电流表输入和电压源输出。
电流表和电压源
第2步. 重复按[View]键, 直到功能键中显示[System Menu]功能键。
第3步. 按[System Menu]键, 然后按[Conig]功能键。
第4步. 按[Source]键。
第5步. 按[Connection ...]键。
第6步. Output Connection输入面板显示。 (第6步到第8步见图10。 )
选择旋钮, 将光标移动到显示"Low Terminal State"的输入字段。
图10. 将Vs低侧设置为浮置状态的步骤
9.要测量高电阻, 重复执行例1中列出的步骤。
如果您已经根据例1设置好仪器, 那么按[ON/Off]键, 再按[Run/Stop]键, 将电流表和电
压源设置为ON状态。 图11显示了接地测量的示例数据。 请注意, 由于来自电流表输入
端的电流沿负方向传输, 所以电阻值显示为负值。 这表示测量是在接地模式下进行。
图11. 接地高电阻测试示例。
高电阻测试附件
如果您经常需要在浮置和接地高电阻测量之间来回切换， 那么 N1414A高电阻测量通用
适配器 (图 12)可以为您提供很大的方便。 您只需按下 N1414A上的一个按钮， 便可在浮
置模式和接地模式之间轻松切换， 无需像图9所示改变配置。
切换浮置与接地的开关
KEYSIGHT是德B298高阻表测量高电阻解决方案?结论
Keysight B298/B2987A静电计/高阻计可测量高达 10 PΩ (10 16)的电阻， 测量目标可以是接地和浮置配置的各种器件、 元件和材料。 它还具有电流表保护功能。 直方图和滚动视图， 加上时间采样的X-Y图形视图， 能够实时显示当前正在进行的测量的重要信息。
空值和过滤功能不仅可以让测量变得更方便， 而且极大增加了在高电阻测量应用中的适用范围。 此外， 测量导航功能极大方便了测试的执行操作。
Keysight B298/2987A 静电计/高阻计使"难以设置且测量结果不确定的"高电阻测量变得 "容易设置， 而且测试结果非常可靠"。
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