低于分流电阻两端万用表读数的电流读数

标签: 测量 电流检测

现象

由检测放大器和 ADC 的采样值求平均得到的脉冲电流读数，低于在同一分流电阻两端用直流电压挡测量的 DMM（数字万用表）读数。负载越大，或在平均值不变时电流脉冲越窄越高，这一差距越大。

原因

分流电阻上的电压每一瞬间都跟随电流（检测电压）。DMM 的积分型转换器（integrating converter）在积分时间内积累与其输入平均值成正比的电荷 [Kester & Bryant, ADC Architectures VIII]，它让直流和低频信号通过，同时衰减特定频率的噪声 [Keithley Instruments 2014]。因此，只要它在许多个开关周期上积分（读数速率低时即如此），且其输入不在脉冲峰值处过载，它在分流电阻两端读出的就是电压的直流分量，即其平均值。对脉冲序列而言，该平均值等于脉冲高度乘以占空比（脉冲序列的谐波）。

电流检测链只能读到其限值为止，即放大器的最高输出和 ADC 的满量程（full scale），见电流检测链。按平均电流设计的检测链可能在脉冲峰值处削波，而削波后采样值的平均值低于真实平均值：检测链丢掉了每个脉冲中高于其限值的部分。

如何确认

用示波器观察放大器的输出：每个脉冲都在同一电压处出现平顶，就是削波。然后通入检测链量程以内的恒定直流电流，比较检测链与 DMM 的读数：若二者在直流下一致，则检测链已经校准，脉冲电流下的差距来自其限值或其采样（漏掉脉冲的采样）。把 DMM 换到高一挡的量程再读一次：读数相同，说明削波的不是 DMM 本身。

解决方法

按电流的峰值而不是平均值确定检测链的满量程：降低增益，直到最高的峰值低于两个限值。电流检测链工具给出满量程电流，并标出可能削波的读数。

参考资料

• [Kester & Bryant, ADC Architectures VIII]：积分型转换器的电荷与其输入在积分时间内的平均值成正比。
• [Keithley Instruments 2014]：积分型转换器让直流通过，并衰减特定频率的噪声。
• 电流检测链：放大器和 ADC 的限值。
• 开关波形的傅里叶级数：脉冲序列的直流分量。