为什么源表SMU要自带滤波与平均功能？ 原文连结：https://enlitechnology.com/zh-hans/blog-zh-hans/pv-zh-hans-blog/accurate-measure-zh-hans/accurate-pv-testing-smu/ *关于 Enlitech Enlitech 成立于 2009 年 3 月。 核心技术包括人造光源和光谱分析技术。Enlitech 的四大主要产品市场包括图像传感器测试解决方案、先进光电探测器测试系统、量子效率测试解决方案和各种光模拟器。 我们的热门产品有QER 和 SS-X 太阳光模拟器，有兴趣欢迎至官网深入了解! https://enlitechnology.com/zh-hans/

1. 为什么源表SMU要自带滤波与平均功能？
Enli Technology Co. Ltd.
August 12, 2021
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太阳能电池 I-V 特性分析
太阳能或光伏 （PV） 电池是从光源中吸收光子 然后释放电子的装置，
当电池与负载相连时促使电流流动产生电力。光伏电池研究人员和制造
商致力于以最低的成本，实现最高的效率。因此，对光伏电池和光伏材
料进行电气特性分析是研究、 开发和制造过程的重要部分。对太阳能电
池进行电流-电压特性分析可以获得有关电池效能的重要参数，包括最大
电流 （Imax） 和最大电压 （Vmax）、开路电压 （Voc）、短路电流 （Isc
） 及效率 （η）。

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在太阳能电池I/V特性分析中使用的电源测量设备（Source-Measure-
Unit, SMU）。

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为何选择SMU来进行太阳能电池的I/V测试？
许多半导体和电子装置测试皆涉及要尽可能快地输出电压和量测电流。整体测试
时间是由充电时间、量测时间、放电时间，以及设定和处理测试时间所组成的函
数。传统的电源供应器只能输出电压或电流，而无法输入。
但是，四象限SMU仪器不仅可以输出和输入电压和电流，同时还可以量测电压、
电流或电阻。 SMU仪器的四象限运作透过自动输入模式，能够迅速吸收来自待测
装置 （DUT） 和布线的所有电荷，可有效加速放电时间。此外，若将此输出和量
测能力紧密整合至单一仪器，即不再需要单独的数字万用电表 （DMM） 和电源
供应器。
这将可改善测试时间、简化整体测试系统设计，并提升可用性。因此，在太阳能
电池的I/V测试中，四象限的源表SMU （Souce-Measure-Unit）是是最常用和推荐的
。

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低电流量测的噪声最大来源：交流电源的干扰
在低电流的测试中，噪声噪声对读值的影响是需要考虑的，一般噪声来
源有1） 静电耦合; 2） 震动/变形 3）飘移电流 4）交流电源干扰。其中交
流电源的干扰是最严重的干扰。
交流电源如何产生干扰的噪声呢？简单说，电测仪表的供电系统，多是
由市电AC交流电压供电后，由内部的全波或是半波整流电路整流后，产
生「直流电压」，供应给相关的放大电路、AD电路等。事实上，「直流
电压」仍会带有「纹波」（ripple voltage）。此纹波电源就是一种微小的
供电「不稳定」，对测量电路的读值也会跟着产生微小震荡。这也就是
我们在读值上产生「跳动」，形成噪声的干扰。

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全波整流与半波整流电路。两者均可将AC交流的输入电压，整流、平滑
后，输出接近「直流」DC的电压，但是仍会留有「纹波」特征。此纹波
会对测量电路，形成读值的「噪声」。

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因此，不论是源表SMU或是多菜单DMM，在设计上就必许考虑这种内部
电源纹波的噪声影响。除了本身在交流-直流转换电路上精进，在低电流
讯号测量上，更需要有将这种纹波噪声噪声与真正带测讯号分离或消除
的设计。目前源表SMU或多菜单DMM在自身的测量功能上都内建了NPLC
滤波与平均滤波的功能，来消除噪声对待测讯号的干扰。以下就针对这
两种功能做简单说明。

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SMU如何消除测量噪声：内建NPLC/滤波/移动平均
功能的介绍
 NPLC滤波功能
NPLC是采样电源的周期倍数，N代表是多少倍，PLC （Power Line
是电源线周期。如前述，交流电源的干扰是很厉害的。为了减少交流电
源的干扰，一个常用的方法就是把测量周期尽可能的取成交流周波的整
数倍。这样，在一个周期内各种干扰能够互相抵消。

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上图是吉时利源表手册上对于NPLC滤波与取样的示意图。NPLC 指的就
是电源线周期的数量，表示讯号取样的持续时间（或称积分时间）。使
用整数倍的NPLC可产生最准确的量测， 但您便会受限于电源线周期频
率 （在 60Hz 时 1 PLC = 60 读数/s，或在50Hz时为 50 读数/s）。

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https://tw.tek.com/support/faqs/what-nplc-and-why-it-important

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太克官网提到电测设备的NPLC定义及其重要性。不论是直流电压、直流
电流和电阻测量表的测量分辨率与精度，都会因为交流电源噪声而下降
。利用NPLC电源线周期的整数倍采样，可以降低交流电源噪声。使用
N=1或是更大的NPLC会增加数据采集的积分时间，从而将噪声消除，进
而提高测量分辨率与准绝度。NPLC=100可以带来最高的准确度，但是整
个测试的时间会是NPLC=1的100倍。
我们再来看看是德科技Keysight（前安捷伦）怎么在描述内建NPLC功能与
噪声滤除。 N的设定相当于就是决定了采样的周期也决定了采样的积分
时间。N=1也就是讯号的采样时间总和（或称积分时间）与一个电源周期
的总时间量相当，因此可以将噪声平均，取得的平均值为零。

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上图横坐标是时间轴，纵坐标是电压值。「感兴趣的讯号DCV位准」假
定是115.5mV，而蓝色的弦波是「电源线噪声」。当NPLC=1时整个采样的
周期刚好是「电源线噪声的周期」，因此采集的平均噪声值就是0。而这
一段时间就称为积分时间。

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我们再来看一下当NPLC=0.1时的状况。假设NPLC=0.1，每次测量的时间周
期就是积分时间= 1ms。数据采样只有取得电源线噪声周期的一小部分，
因此测量的结果会包含噪声。也就是我们上图所看到的结果：「感兴趣
的讯号」是115.5mV但是测量的结果是116mV或是114mV。

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读者可能对于电测表的「积分时间」感觉很陌生、
很难体会。
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