歐姆定律對電流精確測量造成缺憾的解決方案

　　導(dǎo)讀：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(dāng)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(biāo)稱技術(shù)指標(biāo)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(biāo)。更為嚴(yán)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(zhǔn)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(yù)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(fù)這個過程，直到最大的預(yù)期電流值，以表征分流器逐漸增加的自熱效應(yīng)。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(dǎo)致誤差增加0.1%.為了預(yù)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(yīng)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(dāng)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(yīng)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(yīng)，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(dǎo)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(dǎo)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(yán)重影響測試速度。

　　圖2：分流電阻的熱漂移。