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測量電流的技巧：電阻電路提供了設計的靈活性

來源：上海自動化儀表有限公司作者：發表時間：2018-11-05 08:59:37【小中大】

圖a是測量電路中最不復雜的。在該電路中，電流源連接到負載電阻器R1的一端，電阻器的另一端連接到地或一些其他參考點。使用電壓表測量該電阻上產生的電壓，并用于計算輸入電流。該電路非常簡單，通常在現場使用，帶有可用的電阻，可在工作臺或現場快速測量。

負載電阻兩端產生的電壓稱為負載電壓。對于近似理想的電流源（例如晶體管源），負載電壓對被測電流的影響相對較小，除非它足夠大以改變電流源的內部工作。對于電阻性電流源，負載電壓可以直接與電流源相互作用并產生錯誤的電流讀數。發生這種情況是因為負載電阻成為電流產生電阻的一部分，從而降低了電流。為了最大限度地減少這種相互作用，負載電阻應該比電流源的輸出電阻小得多。相應的負載電壓也將很小。

當使用上海自動化儀表股份有限公司簡單的手持式電壓表時，測得的電壓不能太小，因為這些電表很少測量低于1 mV。因此，需要在測量精度和低電壓負擔之間進行折衷。

大多數手持式儀表在電壓范圍內具有10MΩ輸入阻抗。負載電阻R1將與電表阻抗并聯，需要適當選擇以提供所需的等效測量電阻。表中的示例顯示了給定電流的測量電壓為50 mV所需的電阻值。這種相當低的測量電壓值顯著降低了負載電壓，同時提供足夠的電壓以提供大約10％的測量精度。

圖表：電阻值與電阻電路的輸入電流的關系（圓滿的值。小于0.1％的誤差。）

使用電阻電路進行電流測量時，最好嘗試幾個不同值的電阻來查看電壓的結果。如果將電阻值改變一定量，則將測量電壓改變相同的量，則源電流不受測量（負載）電壓的影響。在這種情況下，您可以使用更高的電阻值來獲得更高的輸出電壓和更高的測量精度。相反，如果相應的測量電壓增加小于電阻值變化量，則源電流受測量電路的影響，應使用較小的電阻值。

如圖a所示對電路進行小的修改，通過以增加可變電源為代價來消除負載電壓，從而改善了性能。這對于使用可用工作臺電源的快速測量工具尤其有用。調節電源直到VOUT為0V。然后通過將電源電壓的測量值除以電阻R1來獲得電流值。以這種方式，去除負載電壓并且可以增加負載電阻器，使得電源電壓可以大于50mV。這將使測量更準確。

由于VOUT為零，進入手持式電壓表的漏電流為零，儀表的有限輸入阻抗（10MΩ）不會影響測量。即使VOUT不完全為零，漏電流仍然很小。例如，對于VOUT <5 mV，漏電流將小于500 pA。對于大于50 nA的輸入電流，這使得測量精度為1％或更高。由于該修改電路中的電阻器R1沒有產生負載電壓，所以電阻器值與輸入電流去耦，并且可以是任何實際值，僅取決于電源的最大電壓。

圖b顯示了跨阻抗放大器的電路。這可能是電流測量電路中最通用的，因為它可以使用簡單的電路覆蓋大電流測量范圍。在該電路中，來自電流源的輸出連接到運算放大器的負輸入，而放大器的正輸入連接到參考電壓。當存在雙極電源時，該參考電壓通常是電路接地，當存在單個電源時，該參考電壓通常是一些中間電壓。

運算放大器的輸入具有非常高的輸入阻抗（大于1GΩ），因此很少有電流流入放大器。因此，輸入電流根據輸入電流的極性將負輸入驅動到一個電源電壓。這導致放大器輸入之間的電壓差，然后用放大器的大內部開環增益放大。結果，放大器輸出電壓沿一個方向移動，以提供通過電阻器R2的電流，該電阻器R2與輸入電流相反。當放大器輸出電壓使得通過R2的電流在幅度上等于輸入電流時，實現平衡。使用理想放大器且無偏移電壓，這會導致負端子處的0 V與正端子處的電壓相匹配。只需要電阻R2和放大器輸出電壓的值來確定輸入電流。由于我們知道電阻值并且可以測量輸出電壓，我們可以計算通過R2的電流，它將等于輸入電流的大小。

由于沒有負載電壓，輸入電流不受反饋電阻器R2的值或輸出電壓的大小的影響。輸出電壓受電源電壓約束，但原則上對反饋電阻的值沒有限制。表2顯示了輸出電壓（VOUT）為1 V時幾個標稱輸入電流的R2電阻值。

如表所示，對于小電流，電阻值變得非常大。這些大值電阻器很昂貴并且通常也很大。此外，當電阻值很大時，雜散電容等電路限制會對電路產生明顯的影響。

圖表：標稱輸入電流和VOUT = 1 V的電阻值

有兩種方法可以降低特定輸入電流所需的電阻值。一種方法是允許小于1 V的電壓來表示輸入電流。只要校準了由于電路缺陷導致的電路中的所有異常電壓，這是可以接受的。該校準可以是物理使用電位計來消除偏移電壓。或者，可以通過在沒有輸入電流的情況下測量輸出電壓然后使用輸入電流從輸出電壓中減去該數據來使用數據校準。因此，隨著輸入電流（和相應的輸出電壓）降低，測量電壓仍將具有足夠的精度。

采用較低電阻值測量較低電流值的第二種方法是使用圖b所示的改進型跨阻抗放大器。這里，在驅動反饋電阻器R2之前，通過由R3和R4組成的分壓器減小輸出電壓。如果此處的反饋電阻與沒有分壓器的反饋電阻相同，則流向負輸入端的電流將小于之前的電流。放大器的內部增益將使輸出電壓更大以進行補償。對于10的分壓，對于與之前相同的輸出電壓，輸入電流低10倍。一個注意事項：雖然這個電路確實提供了設計的靈活性，但是需要小心，因為放大器電壓增益等于分頻比。

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