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测量电流的技巧:电阻电路提供了设计的灵活性

来源:上海自动化仪表有限公司作者:发表时间:2018-11-05 08:59:37

     图a是测量电路中最不复杂的。在该电路中,电流源连接到负载电阻器R1的一端,电阻器的另一端连接到地或一些其他参考点。使用电压表测量该电阻上产生的电压,并用于计算输入电流。该电路非常简单,通常在现场使用,带有可用的电阻,可在工作台或现场快速测量。

 
测量电流的技巧:电阻电路提供了设计的灵活性
 
    负载电阻两端产生的电压称为负载电压。对于近似理想的电流源(例如晶体管源),负载电压对被测电流的影响相对较小,除非它足够大以改变电流源的内部工作。对于电阻性电流源,负载电压可以直接与电流源相互作用并产生错误的电流读数。发生这种情况是因为负载电阻成为电流产生电阻的一部分,从而降低了电流。为了最大限度地减少这种相互作用,负载电阻应该比电流源的输出电阻小得多。相应的负载电压也将很小。
 
    当使用上海自动化仪表股份有限公司简单的手持式电压表时,测得的电压不能太小,因为这些电表很少测量低于1 mV。因此,需要在测量精度和低电压负担之间进行折衷。
 
    大多数手持式仪表在电压范围内具有10MΩ输入阻抗。负载电阻R1将与电表阻抗并联,需要适当选择以提供所需的等效测量电阻。表中的示例显示了给定电流的测量电压为50 mV所需的电阻值。这种相当低的测量电压值显着降低了负载电压,同时提供足够的电压以提供大约10%的测量精度。
 
电阻值与电阻电路的输入电流的关系(圆满的值。小于0.1%的误差。)
图表:电阻值与电阻电路的输入电流的关系(圆满的值。小于0.1%的误差。)
 
    使用电阻电路进行电流测量时,最好尝试几个不同值的电阻来查看电压的结果。如果将电阻值改变一定量,则将测量电压改变相同的量,则源电流不受测量(负载)电压的影响。在这种情况下,您可以使用更高的电阻值来获得更高的输出电压和更高的测量精度。相反,如果相应的测量电压增加小于电阻值变化量,则源电流受测量电路的影响,应使用较小的电阻值。
 
    如图a所示对电路进行小的修改,通过以增加可变电源为代价来消除负载电压,从而改善了性能。这对于使用可用工作台电源的快速测量工具尤其有用。调节电源直到VOUT为0V。然后通过将电源电压的测量值除以电阻R1来获得电流值。以这种方式,去除负载电压并且可以增加负载电阻器,使得电源电压可以大于50mV。这将使测量更准确。
 
测量电流的技巧:电阻电路提供了设计的灵活性1
 
    由于VOUT为零,进入手持式电压表的漏电流为零,仪表的有限输入阻抗(10MΩ)不会影响测量。即使VOUT不完全为零,漏电流仍然很小。例如,对于VOUT <5 mV,漏电流将小于500 pA。对于大于50 nA的输入电流,这使得测量精度为1%或更高。由于该修改电路中的电阻器R1没有产生负载电压,所以电阻器值与输入电流去耦,并且可以是任何实际值,仅取决于电源的最大电压。
 
    图b显示了跨阻抗放大器的电路。这可能是电流测量电路中最通用的,因为它可以使用简单的电路覆盖大电流测量范围。在该电路中,来自电流源的输出连接到运算放大器的负输入,而放大器的正输入连接到参考电压。当存在双极电源时,该参考电压通常是电路接地,当存在单个电源时,该参考电压通常是一些中间电压。
 
    运算放大器的输入具有非常高的输入阻抗(大于1GΩ),因此很少有电流流入放大器。因此,输入电流根据输入电流的极性将负输入驱动到一个电源电压。这导致放大器输入之间的电压差,然后用放大器的大内部开环增益放大。结果,放大器输出电压沿一个方向移动,以提供通过电阻器R2的电流,该电阻器R2与输入电流相反。当放大器输出电压使得通过R2的电流在幅度上等于输入电流时,实现平衡。使用理想放大器且无偏移电压,这会导致负端子处的0 V与正端子处的电压相匹配。只需要电阻R2和放大器输出电压的值来确定输入电流。由于我们知道电阻值并且可以测量输出电压,我们可以计算通过R2的电流,它将等于输入电流的大小。
 
    由于没有负载电压,输入电流不受反馈电阻器R2的值或输出电压的大小的影响。输出电压受电源电压约束,但原则上对反馈电阻的值没有限制。表2显示了输出电压(VOUT)为1 V时几个标称输入电流的R2电阻值。
 
    如表所示,对于小电流,电阻值变得非常大。这些大值电阻器很昂贵并且通常也很大。此外,当电阻值很大时,杂散电容等电路限制会对电路产生明显的影响。
 
图表:标称输入电流和VOUT = 1 V的电阻值
图表:标称输入电流和VOUT = 1 V的电阻值
 
    有两种方法可以降低特定输入电流所需的电阻值。一种方法是允许小于1 V的电压来表示输入电流。只要校准了由于电路缺陷导致的电路中的所有异常电压,这是可以接受的。该校准可以是物理使用电位计来消除偏移电压。或者,可以通过在没有输入电流的情况下测量输出电压然后使用输入电流从输出电压中减去该数据来使用数据校准。因此,随着输入电流(和相应的输出电压)降低,测量电压仍将具有足够的精度。
 
    采用较低电阻值测量较低电流值的第二种方法是使用图b所示的改进型跨阻抗放大器。这里,在驱动反馈电阻器R2之前,通过由R3和R4组成的分压器减小输出电压。如果此处的反馈电阻与没有分压器的反馈电阻相同,则流向负输入端的电流将小于之前的电流。放大器的内部增益将使输出电压更大以进行补偿。对于10的分压,对于与之前相同的输出电压,输入电流低10倍。一个注意事项:虽然这个电路确实提供了设计的灵活性,但是需要小心,因为放大器电压增益等于分频比。