精確測量的誤差解決方案的介紹

在眾多測量工作中，需要對電壓和電流進行精確測量，并根據(jù)測量結(jié)果來計算器件功率及其它電氣參數(shù)，例如功率效率測試和電池功耗分析等。

這些測量往往需要總誤差達到甚至低于0.1%的測量精度。但實際過程中，總測量精度會受限于測量過程中的若干個因素的制約，包括分流器、引線、測量環(huán)境、以及數(shù)字萬用表本身。

數(shù)字萬用表可對電流進行非常精確的測量，但是當電流超過10A時，許多數(shù)字萬用表內(nèi)置電流表的量程可能就不夠用了。這時人們可能會采用卡鉗式電流探頭測量電流。這個方法的使用方便，但精度有限，大約0.5%~1%, 而且短時間內(nèi)就會產(chǎn)生漂移，必須經(jīng)常進行手動歸零。因此，要測量幾十至上百安培的電流，工程師通常使用分流電阻，構(gòu)建定制解決方案，利用歐姆定律，通過分流電阻值和測量的壓降，計算出電流值。但是這種方法會引入許多誤差，必須花費大量精力使用外部手段驗證測試結(jié)果，但即使這樣，也很難確定最終的精度。因此，大電流和動態(tài)電流的精確測量，是非常具有挑戰(zhàn)性的。

缺陷原因

市場上常見的高精度電阻分流器的標稱技術指標可以達到0.5%,甚至有些可低至0.1%的誤差。但即便只有0.1%誤差的分流器，在未考慮其它可能引入的誤差之前，就會讓我們難以實現(xiàn)0.1%總測量誤差的目標。更為嚴重的是，由于分流器的阻值會隨著溫度發(fā)生變化，而我們無法調(diào)整它的絕對電阻值來校準它，而必須進行更多的表征。同時，必須用高精度的萬用表來測量電壓和電阻的變化。普通的數(shù)字萬用表由于分辨率的限制，不能直接用于精確表征毫歐級的分流器。

那么，如何來精確表征一個分流器呢？一種方法是將其與預先表征過的分流器串聯(lián)，使用程控電源為該串聯(lián)電路施加電流。使用串聯(lián)電路中已知特性的分流器來測量電流，再測量需要表征的分流器上的電壓，便可計算出這個分流器的電阻。在表征過程中，您必須等待分流器達到熱平衡，以獲取這個分流器受溫度影響而發(fā)生的變化值。在一個電流值完成表征后，隨即需要按一定的步進提高電流值，再重復這個過程，直到最大的預期電流值，以表征分流器逐漸增加的自熱效應。這個過程極其耗時耗力。

有一點必須考慮的是，鑒于分流器的電阻值僅為毫歐級，所以電路引線中的電阻也不容忽視。在使用10m?分流器時，即使引線額外增加僅僅10??電阻，也會導致誤差增加0.1%.為了預防引線電阻值加到被表征的分流器電阻值上， 從而影響測量結(jié)果，應該使用4線Kelvin連接方法。

圖1:利用Kelvin 4線連接的分流電阻器。

溫度變化引入的誤差：

當溫度變化時，所有電阻器的值都會發(fā)生或多或少的漂移（圖2）。這種效應被量化為電阻溫度系數(shù)（TCR），單位通常為ppm/℃（見公式1）。普通銅線的TCR大約為4000ppm/℃。精密型分流器使用特殊合金進行補償，將TCR降低到最低水平，可以實現(xiàn)10ppm或更出色的性能。然而，TCR絕不會減小到0,所以您必須計算其效應，特別是在電阻器功耗達到數(shù)瓦的時候，以確保環(huán)境溫度變化或自熱導致的溫度上升不會損害測量精度。對于25ppm電阻器，溫度每上升40℃，誤差將增加0.1%.此外，由于電阻隨溫度而改變，在電流發(fā)生變化之后，分流器兩端電壓的顯示值需要很長的時間才能穩(wěn)定下來，直到分流器達到熱平衡。熱穩(wěn)定時間取決于分流器材料的形狀、質(zhì)量和熱導率。對于物理尺寸較大的器件，它們可能長達幾分鐘。由于等待分流器溫度穩(wěn)定需要時間，這將會嚴重影響測試速度。

圖2:分流電阻的熱漂移。

數(shù)字電壓表引入的誤差：

雖然高性能數(shù)字電壓表能夠測量微伏級電壓，但是在低信號電平時，數(shù)字電壓表自身的偏置誤差是決定分流器系統(tǒng)總體精度的最重要原因。數(shù)字電壓表的測量誤差包括了讀數(shù)誤差和偏置誤差。偏置誤差是有儀表本身決定的，與選用的量程和溫度有關，而與被測量的信號無關，這個值通常在微伏級。因此，這就決定了數(shù)字電壓表在測量分流器的低電壓信號時，存在一個不可小視的誤差下限。

熱電動勢引入的誤差：

當電路由兩種不同金屬構(gòu)成，而且在不同端存在溫度差時，就會發(fā)生熱電效應，即Seebeck電壓。Seebeck電壓的大小取決于接觸的金屬種類及溫度差，通常為uW/℃的量級。熱電偶就是利用Seebeck熱電效應來測量溫度。但在使用分流器的電流測量中，Seebeck熱電效應會是常見的偏置誤差源。要最大限度減小熱電效應，必須謹慎選擇材料，保持系統(tǒng)的等溫狀態(tài)。因此，您應盡量讓分流器測量電路遠離可能導致溫度變化的熱源，例如散熱風扇排出的氣流，并盡可能降低分流器自身的功耗。連接器的電鍍觸頭、繼電器到分流器合金的銅線連接（圖3），都可能構(gòu)成意外的熱電偶接點，其溫度相關的偏置電壓對測量結(jié)果會產(chǎn)生不利影響。例如：對于3.33uV/℃的材料，一旦溫度變化3℃， 就會產(chǎn)生10uV的Seebeck偏置電壓，可能導致10 mV的信號測量產(chǎn)生0.1%誤差。

圖3:自熱導致分流器溫度上升。

選擇分流器

要進行精確的電流測量，首先應使用高品質(zhì)的電阻。對于普通的電阻，由于引線電阻、較大的TCR、以及非理想的特性，最好不要使用它作為電流測量的分流器。此外，測量大、小電流的要求會相互矛盾，任何一個實際的測試系統(tǒng)可以測量的最大和最小電流值是有限的。

對于大電流，通過將分流器的功耗限制到適當水平，以此確定該分流器的電流測量上限。根據(jù)P_D=I^2 R ,100A電流通過1m?電阻將消耗10W功率，產(chǎn)生100mV的壓降。在10W功耗條件下，TCR可能會導致分流器的電阻值發(fā)生非常大的變化，需要使用散熱器，或更大體積的器件以限制溫度的上升。

分流器上的瞬態(tài)壓降可能也會限制分流器電流測量的實際上限。在被測件端， 實際輸入電壓等用電源輸出電壓將減去分流器和導線上的壓降。常用的方法是把電源遠端感應線跨過分流器，連接到被測件端。這樣電源可以提供額外的補償電壓，以穩(wěn)定被測件端的電壓（圖4）。然而，如果出現(xiàn)電流的突然變化，分流器仍將導致瞬態(tài)電壓偏置，？V=?I×R,之后電源才會穩(wěn)定到新的工作點。分流器瞬態(tài)壓降與電源固有的瞬態(tài)壓降相疊加，有可能導致被測件重置或產(chǎn)生其它錯誤行為。

圖4:包括遠端感應連接的電源。

對于小電流的測量，根據(jù)V=I×R ,必須使用大分流電阻以使生成的足夠高的偏置電壓，降低測量誤差，提供測量精度。如果測量的電流是變化的，有大電流和小電流，在使用單分流器系統(tǒng)的時候，就可能出現(xiàn)問題。一方面，需要分流器能適用于足夠高的電流，需要克服功耗和瞬態(tài)響應因素的限制。另一方面，在小電流的測量時又要確保足夠的精度，但這時，數(shù)字電壓表和Seebeck熱偏置電壓造成的誤差將是不可接受的。

您可能想再使用一個額外的分流器和旁路開關，為小電流測量生成較大的、更容易測量的電壓信號。然而，將這個額外的分流器切換到電路中進行測量，需要進行大量編程工作，因為它必須與被測件活動導致的電流變化保持同步。在大分流器上，意外的高瞬態(tài)電流可能導致電源電壓下降，造成被測件中斷工作。假定理想的大電流旁通開關可以實現(xiàn)，那么突然增加或減少被測件電流路徑中的阻抗，仍有可能導致電源系統(tǒng)的輸出瞬變。

替代解決方案

鑒于設計和準確驗證分流系統(tǒng)的困難性，我們可以更多來關注一下高性能電源通常內(nèi)置的、卓越的計量級測量手段。Agilent N7900A電源系列可以測量高達200A的電流，而增益誤差不超過0.04%.先進的設計不僅保證了電流和電壓測量精度，它們還在極限環(huán)境條件下經(jīng)過測試和標定。此外，N7900A系列還采用了熱模型，來實時估計分流元件的溫度，并對溫度導致的誤差進行數(shù)字校正。與未進行任何補償?shù)南到y(tǒng)相比，這個過程可改善精度，并極大縮短測試時間。N7900A系列內(nèi)部還具有無縫切換的高電流和低電流量程，可方便地對高動態(tài)電流進行測量，無需使用外部分流器和相關的控制電路。從測量角度來看，量程變化不會對電源輸出產(chǎn)生任何干擾，完全是沒有間斷和毛刺的。