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全面先容低电流测量中涉及的基本技术和方法

来源:上海自动化仪表有限企业编辑:发表时间:2019-08-08 09:20:30


概观
      在设置测量系统时,测量纳安级和皮安范围内的电流需要更加注重细节。简单地假设您的仪器返回的值是绝对可靠的,这通常是一个代价高昂的错误。您应该特别了解两个因素以确保准确的测量 - 电流表测量方法和测量电缆的影响。
1.分流电流表与反馈电流表
      在当今的大多数仪器应用中,有两种常用的电流测量方法 - 分流电流表方法和反馈电流表方法。分流电流表方法通常用于通用数字万用表(DMM),例如数字万用表,并测量分流电阻上的电压测量值。该电压测量结果与电阻器的已知值一起产生电流测量值。
 

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      在分流电流表方法中,选择低值的R 分流器以最小化分流器上的电压降。虽然电压降很小,但这会对被测电路和测量产生负面影响。该电压降称为电压负载,是电流表引入的串联电压误差。对于小于约10 mA的电流测量值,它主要是您要测量的电流乘以电流表内部使用的分流电阻值的乘积。如果电流表的分流电阻器与被测电路中的电阻相比太大,则电压负载会导致很大的误差。
      例如,假设您要测量目标规格为1MΩ±2%的A / D转换器的输入电阻,并且由于A / D转换器的内部结构而限制为0.1 V的测试电压。直接使用DMM进行这种测量可能会很困难,因为通常不能选择测试电压。相反,您应该应用已知的测试电压并测量产生的电流。测量结果可能如下图2所示。
      根据欧姆定律(V = IR),输入阻抗为1MΩ,测试电压为0.1 V,漏电流应精确为100 mA。但是,如果使用分流电流表方法,典型负载电压为50 mV,则实际测量电流为:
      (0.1V-0.05V)/ 10 6 = 50nA
      在上面的例子中,电压负载导致测量电流误差为50%。显然,如果测试电压较小,则误差百分比会增加。在某一点上,负载电压变得太大而无法以任何精度进行电流测量,并且该方法会中断。即使您可以使用高达1 V的测试电压,误差仍然是5%。因为您需要超过2%的容差,这种方法将无法满足您的需求。
      对于大于约10mA的电流测量,存在复合的附加项以增加该电压负载的值。例如,对于大于100mA范围的电流,电流保护熔丝,测试引线和内部DMM接线会增加电流表对被测器件(DUT)的电阻。这些电阻与分流电阻一起增加了电压负载的值,必须加以考虑。错误可能很大,不容忽视。
      另一方面,反馈电流表使用不同的方法来产生电流测量他们使用有源跨阻抗放大器将电流转换为电压读数。电压输出是电流输入的倒数乘以反馈电阻R F的值。使用反馈电流表方法,电压负载要低得多 - 对于低电流范围,通常在0.2-2 mV的范围内。对于相同的A / D泄漏测量和具有200μV电压负载的反馈电流表,您将获得以下结果:(0.1V-0.0002V)/ 10 6 = 99.8nA
      由于电压负载,这只有2%的误差,而分流电流表的误差为50%。NI PXI-4022保护和电流放大器模块在其100 nA电流范围内实现了反馈电流表,负载电压低于20μV。当与NI PXI-4071数字万用表(测量输出电压)结合使用时,您可以实现0.5 pA或更高的精确电流测量灵敏度。反馈电流表还具有更快地测量低电流的优点。考虑到任何仪器,包括电流测量设备,都会显示一些输入电容C in(见图4)。与此相关的是电缆或探头电容,C 电缆,因为DUT必须以某种方式连接到仪器。回想一下,在分流测量的情况下,分流电阻上产生电压。测量结果所需的时间与R 分流器的大小乘以C 总和成正比。对于低电流,您需要更大的R 分流值,也许在兆欧范围或更大范围内。电阻值越大,建立时间越长。使用跨阻抗放大器时,您需要大电阻,但由于它位于运算放大器的反馈环路中,因此放大器的增益“A”会降低DUT的有效电阻。这种增益可能非常大 - 可能是100万或更多。
2.测量布线
      通过低电流测量,您必须注意互连,以确保最大程度地降低噪声并实现最佳屏蔽。进行低电流测量时请考虑以下因素:
      50/60 Hz线路噪声拾取是最常见和最重要的噪声源。您可以使用适当的电缆(包括屏蔽电缆和同轴电缆)来降低噪音的影响。集成到系统中的数字万用表可以很好地处理残余线路噪声抑制。在6?位测量速度下,线路噪声抑制通常足够高,几乎可以消除信号中的噪声,从而为您提供可靠而准确的读数。
      请记住,您无法通过过滤来弥补不良的电缆屏蔽。50/60 Hz线路感应噪声很容易使任何低电流电流表的敏感前置放大器电路饱和。一旦发生这种情况,任何过滤量都无法恢复测量精度。
      摩擦电效应起因于导体相对于绝缘体的运动。可提供旨在最小化此效果的电缆。通过系紧装置或其他固定装置减少电缆移动也可以最大限度地减少这种影响。
3.结论
      本文档旨在先容低电流测量中涉及的基本技术和方法。在接近当前测量值时,您可以选择测量方法。对于μA,nA或pA范围内的电流,反馈电流表方法具有明显的优势。对于更高的电流,通常优选分流方法。无论采用何种方法,屏蔽和正确布线对于精确和可重复的低电流测量至关重要。

 

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