如何较便捷性、经济性的实现1uA到100mA无缝电流测量

只看该作者 · 2019-12-7 12:52

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0.2V（200mV），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/I，U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,)为0.2V，那么200uA，2mA，20mA，200mA各档分流电阻分别为1k，100R,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100R（2m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1.650mA；10R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

只看该作者 · 2019-12-7 13:10

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。

只看该作者 · 2019-12-7 15:16

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。

只看该作者 · 2019-12-7 15:28

可参考本人一个帖子 https://bbs.21ic.com/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。

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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