Jak mierzyć małe prądy za pomocą oscyloskopu i sondy prądowej?

Jak mierzyć małe prądy za pomocą oscyloskopu i sondy prądowej?

W ostatnich latach inżynierowie pracujący nad telefonami komórkowymi i innymi urządzeniami zasilanymi z baterii potrzebują pomiaru prądu o wyższej czułości, aby mieć pewność, że pobór prądu przez ich urządzenia mieści się w dopuszczalnych granicach. Pomiar prądu jest uciążliwy, ponieważ konieczne jest przerwanie obwodu, aby przyrząd pomiarowy był połączony szeregowo z obwodem. Zastosowanie cęgowej sondy prądowej z oscyloskopem to łatwy sposób na dokonanie pomiaru prądu, który nie wymaga przerywania obwodu. Ale ten proces staje się trudny, gdy poziomy prądu spadają do niskiego zakresu miliamperów lub poniżej. Ten artykuł zawiera przydatne wskazówki, które pomogą Ci wykonać dokładne pomiary prądu o niskich wartościach w obecności stosunkowo wysokich poziomów szumów oscyloskopu.

Gdy poziom prądu spada, szum oscyloskopu staje się prawdziwym problemem. Wszystkie oscyloskopy wykazują jedną niepożądaną cechę - szum pionowy. Podczas pomiaru sygnałów o niskim poziomie, szum systemu pomiarowego może obniżyć rzeczywistą dokładność pomiaru. Ponieważ oscyloskopy są szerokopasmowymi przyrządami pomiarowymi, im większa szerokość pasma oscyloskopu, tym większy będzie szum pionowy. Przed wykonaniem pomiarów należy dokładnie ocenić charakterystykę szumów oscyloskopu. Podstawowy poziom szumów typowego oscyloskopu o szerokości pasma 500 MHz, mierzony przy jego najbardziej czułym ustawieniu V / dz, wynosi około 2 mV międzyszczytowo. Podczas wykonywania pomiarów niskich wartości ważne jest, aby pamiętać, że pamięć akwizycji na oscyloskopie może wpływać na poziom szumów. Przy takiej samej szerokości pasma głębsza pamięć akwizycji generuje więcej szumów. Z drugiej strony, nowoczesna sonda prądowa AC / DC, taka jak sonda prądowa Keysight Technologies N2783A 100 MHz, może mierzyć prąd 5 mA AC lub DC z dokładnością około 3%. Sonda prądowa jest zaprojektowana tak, aby wyprowadzać 0,1 V na jedno amperowe wejście prądowe. Innymi słowy, nieodłączny szum oscyloskopu 2-mVpp może być znaczącym źródłem błędu, jeśli mierzysz prąd poniżej 20 mA. Jak więc zminimalizować szum wewnętrzny oscyloskopu? W przypadku nowoczesnych oscyloskopów cyfrowych istnieje kilka możliwych podejść:

1) Limit pasma
Większość oscyloskopów cyfrowych oferuje filtry ograniczające szerokość pasma, które mogą poprawić rozdzielczość pionową poprzez odfiltrowanie niepożądanego szumu z sygnałów wejściowych poprzez zmniejszenie szerokości pasma szumu. Filtry pasma są implementowane za pomocą sprzętu lub oprogramowania. Większość filtrów pasma można włączyć lub wyłączyć według własnego uznania.


Oscyloskop 500 MHz tryb normalny 25 mA szumu

2) Tryb wysokiej rozdzielczości
Większość oscyloskopów cyfrowych oferuje 8-bitową rozdzielczość pionową w normalnym trybie akwizycji. Tryb wysokiej rozdzielczości w niektórych oscyloskopach oferuje znacznie wyższą rozdzielczość pionową, zwykle do 12 bitów, co zmniejsza szum i zwiększa rozdzielczość pionową. Zwykle tryb wysokiej rozdzielczości ma duży wpływ przy ustawieniach długiej podstawy czasu gdzie liczba przechwyconych próbek pomiarowych na ekranie jest duża. Ponieważ akwizycja w trybie wysokiej rozdzielczości uśrednia sąsiednie punkty danych z jednego wyzwalacza, zmniejsza częstotliwość próbkowania i szerokość pasma oscyloskopu.


Tryb wysokiej rozdzielczości 3mA szumu

3) Tryb uśredniania
Gdy sygnał jest okresowy lub DC, można użyć trybu uśredniania, aby zredukować szum oscyloskopu. Tryb uśredniania pobiera wielokrotne akwizycje okresowego przebiegu i tworzy średnią w celu redukcji szumów losowych. Tryb wysokiej rozdzielczości zmniejsza częstotliwość próbkowania i szerokość pasma sygnału, podczas gdy zwykłe uśrednianie tego nie robi. Jednak tryb uśredniania obniża szybkość aktualizacji przebiegu, ponieważ do uśrednienia przebiegów potrzeba wielu akwizycji. Efekt redukcji szumów jest większy niż w przypadku powyższych metod ze względu na większą liczbę akwizycji.


Tryb uśredniania 8x - szum 800 μApp
 
Poprawa dokładności i czułości pomiaru sondą prądową
Teraz, gdy już wiesz, jak zmniejszyć szum oscyloskopu za pomocą jednej z powyższych technik, przyjrzyjmy się jak poprawić dokładność i czułość sondy prądowej. Na rynku dostępnych jest wiele różnych typów sond prądowych. Największą wygodę i wydajność zapewnia cęgowa sonda prądowa AC / DC, którą można przepiąć przez przewodnik przewodzący prąd w celu pomiaru prądu AC i DC. Przykładem jest sonda prądowa Keysight serii N2780A lub 1147B.
Dwie przydatne wskazówki dotyczące korzystania z tego typu sondy prądowej:

1) Usuń magnetyzm i przesunięcie DC
Aby zapewnić dokładny pomiar prądu o niskim poziomie, należy wyeliminować magnetyzm szczątkowy poprzez rozmagnesowanie rdzenia magnetycznego. Podobnie jak w przypadku usuwania niepożądanego pola magnetycznego nagromadzonego w monitorze kineskopowym w celu poprawy jakości obrazu, można rozmagnesować sondę prądową. Jeśli pomiar jest wykonywany, gdy rdzeń sondy jest namagnesowany, może wystąpić przesunięcie napięcia proporcjonalne do wartości magnetyzmu szczątkowego i spowodować błąd pomiaru. Szczególnie ważne jest rozmagnesowanie rdzenia magnetycznego za każdym razem, gdy sonda jest używana do pomiaru prądu włączenia i wyłączenia zasilania oraz gdy mierzony prąd był w górnym zakresie sondy pomiarowej. Aby przeprowadzić rozmagnesowanie sondy, odłącz ją od wszystkich przewodników, upewnij się, że sonda jest w pozycji zamkniętej, a następnie naciśnij przycisk DEMAG (lub DEGAUSS) sondy.
Ponadto można skorygować niepożądane przesunięcie napięcia lub dryf temperatury sondy za pomocą elementu zerującego na sondzie.


Rysunek 2. Aby poprawić dokładność sondy prądowej, usuń magnetyzm i przesunięcie DC.

2) Popraw czułość sondy
Sonda prądowa mierzy pole magnetyczne generowane przez prąd przepływający przez głowicę sondy. Sondy prądowe generują napięcie wyjściowe proporcjonalne do prądu wejściowego. W przypadku pomiaru sygnałów prądu stałego lub prądu przemiennego o niskiej częstotliwości o małej amplitudzie można zwiększyć czułość pomiaru sondy, owijając kilka zwojów testowanego przewodnika wokół sondy. Sygnał jest mnożony przez liczbę obrotów wokół sondy. Na przykład, jeśli przewodnik jest owinięty wokół sondy 5 razy, a oscyloskop pokazuje odczyt 25 mA, rzeczywisty przepływ prądu wynosi 25 mA podzielone przez 5 lub 5 mA. W takim przypadku czułość sondy prądowej można zwiększyć 5-krotnie.


Rysunek 3. Popraw czułość sondy, owijając kilka zwojów testowanego przewodnika wokół sondy

Wnioski
Oscyloskop i cęgowa sonda prądowa to łatwy sposób dokonywania pomiarów prądu bez konieczności przerywania obwodu. Jednak po wprowadzeniu szerokopasmowego szumu oscyloskopu do pomiaru, szum oscyloskopu może przeszkadzać w dokładnym pomiarze prądu o niskim poziomie. Stosując powyższe wskazówki pomiarowe, można wyeliminować przypadkowy szum oscyloskopu oraz niepożądany magnetyzm lub przesunięcie DC sondy prądowej co może znacznie poprawić dokładność pomiaru.