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如何较便捷性、经济性的实现1uA到100mA无缝电流测量

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如何较便捷性、经济性的实现1uA100mA无缝电流测量


  一、万用表是如何测电流
1、万用表测量电流方式:分流电阻式 ,将分流电阻串联到待测电流电路中,测量电阻上的压降。
2 手持式,台式万用表大多采用了这种模式,使用者根据不同的电流, 通过转动转盘,变更电流量程,其实质是在寻找适合的分流电阻。
1)、分流电阻不可太大:电流在分流电阻上的压降不可超过一定值,手持式通常设定在0.2V200mV),更小是允许,对被测电流所在电路影响更小。(对被测电路来说,希望被测量设备夺走的压降越小越好,测量设备则希望越大越好,大了比较容易测得准).
2)、分流电阻不能太小: 分流电阻太小,对应压降不能居于电压测量的中间以上位置。例如1mA的电流,使用1R电阻,压降为1mV,显然是太小了。一般要10欧姆到100欧姆。
3)、分流电阻与量程关系:R=U/IU分流电阻允许的最大压降,I为该档最大测量电流。
万用表允许压降(10A,是0.1V,)0.2V,那么200uA2mA20mA200mA各档分流电阻分别为1k100R,10R,1R;
4)0.2V允许压降值对应电流量程,电阻,分辨率一览表
  
电流量程
  
分流电阻
最小分辨电流(3位半)
4位半
2mA
100R
1uA
0.1
20mA
10R
10uA
1uA
200mA
1R
0.1mA
10uA
10A
0.01R
1mA
0.1mA
3、分流电阻式测电流准确度问题:
1)、测得电流不是原先电流,甚至误差很大:一个1.5V纽扣电池及用电器系统,实际电流为1.5 mA,用电器等效负载为电阻1k,若用100R2m档)测量,误差达到10%, 150uA误差;若用20mA(10R)档,误差1%,15uA误差。从有效位数看,100R档,显示1.650mA10R档显示1.51mA; 2mA档有效数字多,但误差更大。
2)、当然这个准确度误差跟本文即将谈到得无缝测量还不是一个概念,这儿是测得准不准问题,电流无缝测量是指如何测到动态测到跨度很大得电流,是测得到还是测不到电流问题。
二、无缝测量电流的特性及要求:
l    无缝测量测量电流时,  如使用同一个分流电阻完成测量。使用更大位数的AD采样值解析这个电阻上的电流压降,如果具有uV分辨率的AD,1R电阻,可以一次性完成从1uA到100mA大动态测量。动态范围10万倍,5位半电压表分辨力。
l  至少切换分流电阻时不影响被测电路工作,不得出现,被测电路断电,或者导致被电路运行发生错误,甚至重启,甚至掉电不工作。
l   
三、无缝电流测量的意义
很多情况,我们需要无缝电流测量,
1、 电流发生大跨度变化的应用产品,特别是工作后转入静态方式,甚至休眠,再唤醒,再工作,再休眠,电流变化从几百mA到几uA,如时钟,遥控器,无线射频模块,蓝牙设备,手机,ziBEE物联网,智能家居设备等,不一而足。
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2、 电池及电池设备常需要无缝电流测量:
特别是电池供电的,功耗敏感的设备,必须进行耗电测量,而这些大动态变化的电流普通手持3位半,四位半万用表是无法完成的,决定了必须有一无缝测量的方式至少是替代方式。
四、无缝电流测量的难点
无缝测量测量设备不干扰被测电路工作,又能够大动态的测量被测电路变化的电流。最好只使用一个分流电阻,这个分流电阻按照测量大电流设置,还能测量到小电流再上面产生的压降。
难点一:单一分流电阻很难兼顾大小电流测量,相同的分流电阻很难同时测量大动态变化的电流。测的大电流,测不到小电流;测到小电流,测量大电流时可能导致被测电路时长,甚至直接死机。

我们暂时以几uA到100mA范围作为考量,动态范围100000,
举个栗子
某个发射器,3V电池供电,发射电流几十mA,休眠电流几uA。万用表如何测电流
1)、如设定为200mA档,3位半表分辨率才0.1mA ,就无法测量休眠时几uA的电流。四位半也只能分辨10uA.
2)、如设定为2mA量程,100R,分辨率1uA,可以测uA级别电流,或4位20mA档,10R电阻,分辨率1uA;如果发射电流40mA,甚至100mA工作电流,分流电阻压降将达到1伏以上,发射器的供电全被分流电阻压降夺走,发射器基本无法工作。
  
挡位
  
分流电阻压降

0-2mA
10-40-100mA
2mA/(100R分流电阻)
0.2V
2V-4V-10V(实际是没到这个压降,发射器已无法工作)

20mA/(10R分流电阻)
0.02V
0.2V-0.8V-1V(分析同上)


无缝电流测量难点二:  切换分流电阻方式无缝测量可以采取如下方式,如用多路继电器或多路模拟开关组成切换分流电阻的阵列,切换时,先用继电器K0将当前R1分流电阻短路,然后用继电器K2分流电阻R2接入电流回路,然后再将分流电阻R1断开,在将继电器K0断开,新的分流电阻R2就投入测量,而且切换过程时钟保持被测电路不断路。还是由如下难点
1)、处于低电流高分流电阻测量,忽然来了个大电流,切换速度跟不上,分流电阻压降过大导致崩溃。电流高转低,由于切换滞后,可以漏测一些电流,但低转高,切换滞后带来的压降过大是个难点。
2)、继电器速度慢,载流大,模拟开关速度块,但模拟开关承受大电流能力差,比较困难。
3)、很难实时性测量电流波形,因为有继电器切换,很难动作迅速。
无缝电流测量三:电流趋势的预判,切换是基于对到来新电流的量值的判断。如何跟踪电流趋势。
无缝测量三大难点可以归为电流变化判断难度,分流电阻切换速度困难,电流实时性测量困难。
未完待续
  QQ 962656871 大仙猫   此记

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沙发
 楼主|2019-12-7 13:10|只看该作者
如果有个二极管并在分流电阻,可以缓解分流电阻在大电流压降过大,
1、二极管有固定压降,大概0.4-0.7V,
2、但希望二极管低于一定压降0.2会有漏电流,又会影响正常测量,绝对无漏电流,实际也难做到。
板凳
 楼主|2019-12-7 15:16|只看该作者
余文待下,暂讲解一下基本思路,
1、选取1R电阻做分流电阻,两级放大,每级更放大10倍;
2、共有三个电压值,1个是分流电阻电压,一个是放大10倍,另一个是放大100倍。各自接电压表测量,或者通过多路通道选择器接电压表,如果要智能化接AD;
3、原理相当简单,难点在于设计的放大后电路选择要噪声低,偏置低,漂移低, ,最终输出的噪声不能超过10uV(1uA电流对应放大100倍后输出电压是100uV,噪声必须低一个数量级,暂取10uV),否则1uA电流就被噪声淹没了。这是可以用3位半,4位半万用直接测量输出电压。放大电路必须超低低噪声,超低偏置,如用AD做智能化处理,采用的AD无噪声为必须10uV;
4、从输入端看,1uA在1R电阻上对应电压是1uV,这种电流测量,实质是1uV,乃至0.1uV,这么微弱的电压稳定放大,不被噪声淹没的问题。
5、目前产品已实现微弱电压,输出电压噪声10uV以下;
6、若装备上述电压放大组件,将电压折算成输入电流分辨率(噪声)10R分流电阻,可测 1uA到20mA电流,噪声0.01uA ;若用2R分流电阻,可测 1uA到100mA,噪声0.05uA  。同理可推,若去5R分流电阻,可测1uA到40毫安,分辨率0.02uA;1R分流电阻可测电流1uA-200mA,分辨率0.01uA.
7、相对合理,分流电阻选2R,可测范围0-200mA,输入端1uA对应电压2uV,放大100后,电压200uV,噪声20uV,非常容易为3位半,4位半万用表直接测得。
地板
 楼主|2019-12-7 15:28|只看该作者
可参考本人一个 帖子  http://kikawi.cn/icview-2881822-1-1.html ,这个模块已实现uV级电压放大,自身输入噪声0.1uV,输出噪声10uV;欢迎批评指正。
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