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KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A高電阻測量技術解決方案

引言
以前， 工程師在執行高電阻和電阻率測量時， 必須對測量專業技術非常熟悉才能獲得準確的測量結果。 因為超低電流測量極易受到各種環境因素的影響。 造成誤差的來源通常有: 泄漏電流、 放電電流或吸收電流、 測試設備接地/浮置問題， 以及測試設備物理結構所產生的環境噪聲等等。
是德科技靜電計/高阻計 (B298/B2987A)可以提供出色的 10 aA (0.01 fA)zui小電流分辨率、 10 PΩ (1016 Ω) 電阻測量功能， 及其他許多功能特性， 例如直方圖和趨勢圖視圖、 直觀的測量導航， 因此能夠顯著增強用戶的測量信心。
直方圖和趨勢圖 (滾動視圖)視圖可以快速顯示測量狀態的概況， 使您能夠立即確定測試問題。 測量導航助手可以幫助您正確設置測量參數， 即使您原來根本不熟悉設置步驟也不用擔心。
本技術概述講解了B298/87A如何幫助您輕松、 地執行高電阻測量。
注: B2987A內置充電電池， 因此不用連接交流電源也能使用。
Keysight B298/87A測量資源
圖 1顯示了KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A測量資源的原理圖， 其中包括一個電壓源 (Vs)、 一個電流表和一個電壓表。 默認情況下， B298/87A 在開機時， 電流表和電壓表的測量公共端連接到電壓源的低側 (Vs Low)。 不過， 您可以輸入簡單的命令， 控制內部開關(Vs低側端接開關)切斷Vs低側端子與電路公共端的連接。 這意味著電壓源(Vs)和電流表/電壓表資源可以彼此獨立地使用。
注: 浮置測量公共端的功能給予儀器更大的靈活性， 使其適用于更廣泛的應用。
圖1. B298/87A測量資源。
本文中使用的重要術語:
在極小電流中使用的公制前綴:
‾ -千兆(P)=10 15
‾ -兆(T)=10 12
‾ -十億(G)=10 9
‾ -兆分之一(p)=10 -12
‾ -千萬億分之一(f)=10 -15
‾ -十的十八次方分之一(a)=10 -18

1. 浮置和接地測量
如圖 2所示，KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A有兩種高電阻測量配置 (浮置和接地)， 因此支持測試設備在這兩種情況下執行測試。 圖 2(a)顯示的是被測器件 (DUT)浮置， 不與大地相連的情況。
在這種情況下測量高側端子與低側端子之間的電阻。 請注意， 雖然低側浮置， 但寄生電阻和電容可能提供一條"潛在的接地通路"。 此時， 在低側端子上連接一個直流偏置電源， 可以解決這個問題。 圖2(b)顯示了被測器件接地的情況。 由于低側接地， 所以測試電壓應用和電流測量必須在被測器件的高側端子上進行。

浮置器件測量
圖 3(a)顯示的是浮置器件測量的電路圖。 測試設備連接到 Vs高側輸出端和電流表輸入端之間。 由于電流表要測量極小的電流， 并且容易受到噪聲的干擾， 所以它需要貼近接地電位， 以屏蔽測試設備的影響， 提高測量結果的準確性。

接地器件測量
圖3(b)顯示的是接地器件測量的電路圖。 在這種配置中， 由于器件在一側接地， 所以電流表連接到Vs正輸出端。
圖 1 所示的體系結構使 B298/87A 很容易實施這兩種配置。 電流表的輸入端是三軸的， 內屏蔽起保護作用， 而外屏蔽連接到大地。 注: 雖然zui大保護電勢為500V， 但只要采取適當的預防措施， 測量是安全的。 因此， B298/87A的浮置和接地測量配置顯然可以用于廣泛的高電阻測量應用。
圖3. 高電阻測量模式。

2. 測量支持功能和技巧
高電阻測量在許多應用中都至關重要， 例如材料表征、 元器件測試、 成品檢測以及設備維護等。 可是由于并聯電容、 泄漏電阻和噪聲接收天線元件等寄生元件的存在， 許多應用中的測量并不是純粹的電阻測量。 因此， 要進行的高電阻測量， 需要具備一定的專業技術， 熟悉如何使用測量儀器的功能特性， 以消除這些寄生元件的影響。
下面的章節詳細講述了執行高電阻測量所必需的技術。
滾動視圖和實時直方圖有利于噪聲數據的分析
許多時候， *消除測量噪聲是不可能的。 因此， 您必須了解噪聲的本質， 才能選擇有效的解決方案。 圖 4顯示了 B298/87A的圖形顯示能力如何顯示線路頻率噪聲干擾。
圖 4(b) 顯示了 KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A如何同時顯示數值 (儀表視圖) 和數據趨勢 (滾動視圖)。 圖4(c)顯示了B298/87A的直方圖視圖， 該視圖可對測量數據執行實時統計分析。
KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A提供了兩種消除測量信號噪聲的方法: 測量速度和濾波。 測量速度有四種選擇: 快速(Quick)、 正常(Normal)、 穩定(Stable)和手動(Manual)。 手動速度設置可由用戶定義。
注: 濾波器功能在后面的章節中詳細講授。
圖4(b)前半部分圖形所示的滾動視圖數據是使用快速測量設置獲得的， 數據含有較大的噪聲。 圖4(b)后半部分圖形所示的數據是使用正常速度測量設置獲得的， 而數據就比較穩定。 圖4(c)直方圖視圖顯示了圖4(b)中的兩種數據集合對應的分布情況。 使用快速設置獲得的數據， 其直方圖分布呈現典型的正弦波特征， 表明電源線周期是主要的噪聲來源。 使用正常速度設置(在線路頻率上積分)獲得的數據， 其直方圖呈現*的可重復性， 表明正常速度有效地降低了噪聲。 一旦您知道噪聲的來源， 便可決定是降低電源上的噪聲， 還是將噪聲從測量數據中濾除。 請注意， 如果噪聲是對稱分布的， 那么您可以使用直方圖數據的平均值。
R
(a) 噪聲
(b) 包括滾動視圖的儀表視圖
(c) 實時直方圖視圖
快速 正常速度
速度設為正常
線路噪聲 速度設為快速
(示例)
滾動視圖
圖4. View(視圖)功能使噪聲源分析變得輕而易舉。

X-Y圖可直觀地確定數據收斂
圖 5 顯示了寄生元件的一些示例， 這些寄生元件有可能對高電阻測量產生影響。
圖 5(a)中， 與電阻器并聯的雜散電容器會導致收斂至zui終電阻值所需要的響應時間增加。 圖 5(b)顯示了一個絕緣電阻測量示例， 其中的電容介電吸收也會增加收斂時間。 圖 5(c)顯示的是通常與電壓有關的高電阻元件。 您很難通過在數字顯示屏上觀察這些變化來確定收斂時間。 圖 6顯示了 B298/87A的圖形視圖如何幫助您方便地監測數據收斂。 在此示例中， 一個 100 GΩ 電阻測量瞬態在施加測試電壓后收斂至其zui終值。 通過用圖形顯示收斂響應， 您很容易觀察并確定測量結果達到穩定的時間。 電阻值與電壓的關系可以用同樣的方法測得。
圖5. 在測量高電阻器件時遇到的寄生元件的示例。
保護端可以有效消除表面泄漏電流
圖 7(a)顯示了表面泄漏電流對超高電阻測量有何影響。 如果表面被污染 (例如曾經接觸過您的手)， 那么有可能形成電流泄漏路徑， 從而影響測量的準確性。 不過， 如果有圖7(b)所示的保護端連接， 那么表面上的一點可以連接到電流表的保護端， 使您可以消除表面泄漏導致的誤差。 由于保護端電勢與中心信號引腳上的電勢幾乎*相同， 所以電流表輸入端與保護端之間的電勢可以忽略不計。 另外， 由于表面泄漏電阻非常大， 所以從電流表流到保護端的電流幾乎為零。 注: 為了進行有效保護， 保護端電勢必須與電流表輸入電壓極為接近。 B298/87A保證在低電流測量范圍內兩者相差不超過20μV。

圖7. 高電阻器件等效電路示例。
圖6. 圖形視圖使您可以快速查看并確定電阻收斂時間。

高電阻測量示例

示例1.浮置電阻測量
以下部分介紹如何設置和測量電阻。 此例中使用 100 GΩ (1E11
Ω)的Keysight N1422A高值電阻箱。 測試裝置和測試資源框圖見
圖 8。 此例中使用的測量條件如下:
測試電壓: 10V
電流范圍: 200pA范圍(即I=V/R=10/1E11=1E-10=100pA)
注 1: 由于電流測量使用的是自動量程模式， 所以不必電流
測量范圍。
注2: 如果您的器件接地， 請參見例2。
按照下面的步驟設置和測量高阻值電阻器。
B298/87A前面板測量操作步驟
1.按 [View]鍵, 顯示 View功能鍵菜單。 然后按 [Meter View]
功能鍵。
使用香蕉頭至
接線片電纜連接
B298/87A 機箱接地

圖8. 高電阻測量的線纜連接和測試資源圖(浮置)。
(1) 按 鍵顯示 View 功能鍵。 (2) 按 鍵。
1.
2.
2.按下并選擇[OHMS (R)]輔助鍵, 然后按[More]輔助鍵以顯示[More 2 of 3]輔助鍵菜單。 按下并選擇[Hide Roll]輔助鍵, 關閉儀表視圖
下半部分顯示的滾動視圖。
(1) 按 鍵。
(2) 按 鍵, 直到 鍵出現。 (3) 按 鍵。

KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A前面板測量操作步驟
3.屏幕上顯示電阻測量模式的量程設置。 確定將量程設置為AUTO, 并將Spot Source Range設為20V。
4.旋轉 [Knob]將字段指針移至 Voltage Source值, 按 [Knob]編輯電壓。 Voltage Source值上的字段指針變成綠色 (EDIT), 狀態信息將
從MOVE變成EDIT。
旋轉 將字段指針移至 Voltage Source 值,
改成 EDIT 模式。
Status
并按下該旋鈕編輯電壓。
5.按[向左]鍵將電壓位設置為10V位置。 然后旋轉[Knob]將電壓設為10V, 按[Knob]鍵固定該電壓。
按 鍵, 并將編輯位移動到 10 V 量程。 旋轉 并將電壓值設為 10 V, 然后按 固定該電壓。

B298/87A前面板測量操作步驟
6.按電壓源[On/Off]鍵以輸出10V電壓, 然后按電流表[On/Off]鍵執行測量。
7.按[Run/Stop]鍵, 開始連續的電阻測量。 AUTO指示標志顯示測量是在AUTO模式中重復進行。
注: 如果您按[Single]鍵， 測量將只進行一次。 測量進行當中， 屏幕上顯示"ARM"指示標志。
1. 啟動電壓源
2. 啟動電流表
8.如下圖所示, 滾動視圖和直方圖視圖可以在儀表視圖中顯示, 也可以在獨立的視圖中顯示。
按 輔助鍵在儀表視圖下半部分打開滾動視圖。
按 輔助鍵在儀表視圖下半部分打開直方圖視圖。
按 功能鍵打開獨立的滾動視圖。
按 功能鍵打開獨立的
直方圖視圖。

KEYSIGHT是德B298高阻表B2987A前面板測量操作步驟
9.您可以使用測量導航鍵方便快捷地控制測量速度和量程。 Null (空值)鍵使您可以為其他測量設置基準點。 例如, 您可以使用空值功能對比一組電阻器中的電阻變化, 或監測電阻變化幅度。 過濾功能可計算測量數據的數字平均值, 使您能夠在保持讀數穩定的同時實現預期的積分時間和平均時間。
•
重置測量條件:
速度=正常
• 量程= 自動
測量速度控制
量程控制

測量導航鍵控制測試參數
空值鍵:
啟用或禁用空值
(取消偏置)功能。
過濾鍵:
設置中值或移動平均
過濾功能。
10. 您可以將測量配置和設置保存到內部存儲器或外部USB器件中。
下面的例子顯示了如何將設置保存到內部存儲器中。
1. 按[Save]鍵。 保存系統彈出菜單, 屏幕上會出現"選擇要保存到的存儲器位置"。
2. 選擇并按下一個功能鍵位置, 用于保存電流設置。 您可以按[Recall]鍵并選擇設置, 以調用以前保存的設置。
按 鍵并選擇一個存儲鍵, 以保存設置。
按 鍵可調用以前保存的設置。
例2. 接地電阻測量
圖 9顯示了接地測量的配置。 電流表連接到此配置的電壓源，電壓源低側和電流表低側 (公共端)之間的內部開關連接必須開路。 電壓源低側和機箱接地之間使用圖中所示的香蕉頭至接線
片電纜連接。 下面的步驟說明了如何配置接地測量。
圖9. 高電阻測量裝置(接地)。
使用香蕉頭
至接線片
電纜連接
機箱接地
N1422A B298/87A
香蕉頭電纜
三軸電纜
1.
- A +
+
Vs    100 G?
J2
Vs 低側    

2.
Vs 高側
電流表
電流表公共端
N1422A
J1
B298/87A
三軸電纜
香蕉頭電纜
A 使用香蕉頭
電纜連接
將 Vs 低側到公共端
開關之間的電路開路
香蕉頭至
接線片電纜

高電阻測量示例續
斷開Vs低側與電流表低側之間的連接。 (參見圖9)
第 6 步
第 7 步
第 8 步
指示 Vs 低側與電流表公共端斷開

7. 按下旋鈕, 將輸入字段變成綠色的EDIT模式。
將Low Terminal State改成"Floating"。

8. 按[Apply]鍵, 然后按OK鍵。
Vs低側隨后被設置為浮置狀態, 且與電流表公共端斷開連接。
第1步. 按[On/Off]鍵關閉電流表輸入和電壓源輸出。
電流表和電壓源
第2步. 重復按[View]鍵, 直到功能鍵中顯示[System Menu]功能鍵。
第3步. 按[System Menu]鍵, 然后按[Conig]功能鍵。
第4步. 按[Source]鍵。
第5步. 按[Connection ...]鍵。
第6步. Output Connection輸入面板顯示。 (第6步到第8步見圖10。 )
選擇旋鈕, 將光標移動到顯示"Low Terminal State"的輸入字段。
圖10. 將Vs低側設置為浮置狀態的步驟

9.要測量高電阻, 重復執行例1中列出的步驟。
如果您已經根據例1設置好儀器, 那么按[ON/Off]鍵, 再按[Run/Stop]鍵, 將電流表和電
壓源設置為ON狀態。 圖11顯示了接地測量的示例數據。 請注意, 由于來自電流表輸入
端的電流沿負方向傳輸, 所以電阻值顯示為負值。 這表示測量是在接地模式下進行。
圖11. 接地高電阻測試示例。
高電阻測試附件
如果您經常需要在浮置和接地高電阻測量之間來回切換， 那么 N1414A高電阻測量通用
適配器 (圖 12)可以為您提供很大的方便。 您只需按下 N1414A上的一個按鈕， 便可在浮
置模式和接地模式之間輕松切換， 無需像圖9所示改變配置。
切換浮置與接地的開關

KEYSIGHT是德B298高阻表測量高電阻解決方案?結論
Keysight B298/B2987A靜電計/高阻計可測量高達 10 PΩ (10 16)的電阻， 測量目標可以是接地和浮置配置的各種器件、 元件和材料。 它還具有電流表保護功能。 直方圖和滾動視圖， 加上時間采樣的X-Y圖形視圖， 能夠實時顯示當前正在進行的測量的重要信息。
空值和過濾功能不僅可以讓測量變得更方便， 而且極大增加了在高電阻測量應用中的適用范圍。 此外， 測量導航功能極大方便了測試的執行操作。
Keysight B298/2987A 靜電計/高阻計使"難以設置且測量結果不確定的"高電阻測量變得 "容易設置， 而且測試結果非常可靠"。

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