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      全面介紹低電流測量中涉及的基本技術和方法

      來源:上海自動化儀表有限公司作者:發表時間:2019-08-08 09:20:30


      概觀
            在設置測量系統時,測量納安級和皮安范圍內的電流需要更加注重細節。簡單地假設您的儀器返回的值是絕對可靠的,這通常是一個代價高昂的錯誤。您應該特別了解兩個因素以確保準確的測量 - 電流表測量方法和測量電纜的影響。
      1.分流電流表與反饋電流表
            在當今的大多數儀器應用中,有兩種常用的電流測量方法 - 分流電流表方法和反饋電流表方法。分流電流表方法通常用于通用數字萬用表(DMM),例如數字萬用表,并測量分流電阻上的電壓測量值。該電壓測量結果與電阻器的已知值一起產生電流測量值。
       

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            在分流電流表方法中,選擇低值的R 分流器以最小化分流器上的電壓降。雖然電壓降很小,但這會對被測電路和測量產生負面影響。該電壓降稱為電壓負載,是電流表引入的串聯電壓誤差。對于小于約10 mA的電流測量值,它主要是您要測量的電流乘以電流表內部使用的分流電阻值的乘積。如果電流表的分流電阻器與被測電路中的電阻相比太大,則電壓負載會導致很大的誤差。
            例如,假設您要測量目標規格為1MΩ±2%的A / D轉換器的輸入電阻,并且由于A / D轉換器的內部結構而限制為0.1 V的測試電壓。直接使用DMM進行這種測量可能會很困難,因為通常不能選擇測試電壓。相反,您應該應用已知的測試電壓并測量產生的電流。測量結果可能如下圖2所示。
            根據歐姆定律(V = IR),輸入阻抗為1MΩ,測試電壓為0.1 V,漏電流應精確為100 mA。但是,如果使用分流電流表方法,典型負載電壓為50 mV,則實際測量電流為:
            (0.1V-0.05V)/ 10 6 = 50nA
            在上面的例子中,電壓負載導致測量電流誤差為50%。顯然,如果測試電壓較小,則誤差百分比會增加。在某一點上,負載電壓變得太大而無法以任何精度進行電流測量,并且該方法會中斷。即使您可以使用高達1 V的測試電壓,誤差仍然是5%。因為您需要超過2%的容差,這種方法將無法滿足您的需求。
            對于大于約10mA的電流測量,存在復合的附加項以增加該電壓負載的值。例如,對于大于100mA范圍的電流,電流保護熔絲,測試引線和內部DMM接線會增加電流表對被測器件(DUT)的電阻。這些電阻與分流電阻一起增加了電壓負載的值,必須加以考慮。錯誤可能很大,不容忽視。
            另一方面,反饋電流表使用不同的方法來產生電流測量他們使用有源跨阻抗放大器將電流轉換為電壓讀數。電壓輸出是電流輸入的倒數乘以反饋電阻R F的值。使用反饋電流表方法,電壓負載要低得多 - 對于低電流范圍,通常在0.2-2 mV的范圍內。對于相同的A / D泄漏測量和具有200μV電壓負載的反饋電流表,您將獲得以下結果:(0.1V-0.0002V)/ 10 6 = 99.8nA
            由于電壓負載,這只有2%的誤差,而分流電流表的誤差為50%。NI PXI-4022保護和電流放大器模塊在其100 nA電流范圍內實現了反饋電流表,負載電壓低于20μV。當與NI PXI-4071數字萬用表(測量輸出電壓)結合使用時,您可以實現0.5 pA或更高的精確電流測量靈敏度。反饋電流表還具有更快地測量低電流的優點??紤]到任何儀器,包括電流測量設備,都會顯示一些輸入電容C in(見圖4)。與此相關的是電纜或探頭電容,C 電纜,因為DUT必須以某種方式連接到儀器?;叵胍幌?,在分流測量的情況下,分流電阻上產生電壓。測量結果所需的時間與R 分流器的大小乘以C 總和成正比。對于低電流,您需要更大的R 分流值,也許在兆歐范圍或更大范圍內。電阻值越大,建立時間越長。使用跨阻抗放大器時,您需要大電阻,但由于它位于運算放大器的反饋環路中,因此放大器的增益“A”會降低DUT的有效電阻。這種增益可能非常大 - 可能是100萬或更多。
      2.測量布線
            通過低電流測量,您必須注意互連,以確保最大程度地降低噪聲并實現最佳屏蔽。進行低電流測量時請考慮以下因素:
            50/60 Hz線路噪聲拾取是最常見和最重要的噪聲源。您可以使用適當的電纜(包括屏蔽電纜和同軸電纜)來降低噪音的影響。集成到系統中的數字萬用表可以很好地處理殘余線路噪聲抑制。在6?位測量速度下,線路噪聲抑制通常足夠高,幾乎可以消除信號中的噪聲,從而為您提供可靠而準確的讀數。
            請記住,您無法通過過濾來彌補不良的電纜屏蔽。50/60 Hz線路感應噪聲很容易使任何低電流電流表的敏感前置放大器電路飽和。一旦發生這種情況,任何過濾量都無法恢復測量精度。
            摩擦電效應起因于導體相對于絕緣體的運動??商峁┲荚谧钚』诵Ч碾娎|。通過系緊裝置或其他固定裝置減少電纜移動也可以最大限度地減少這種影響。
      3.結論
            本文檔旨在介紹低電流測量中涉及的基本技術和方法。在接近當前測量值時,您可以選擇測量方法。對于μA,nA或pA范圍內的電流,反饋電流表方法具有明顯的優勢。對于更高的電流,通常優選分流方法。無論采用何種方法,屏蔽和正確布線對于精確和可重復的低電流測量至關重要。

       

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