利用數(shù)字多用表準(zhǔn)確測(cè)量納安級(jí)小電流
電池供電設(shè)備的制造者對(duì)漏泄電流都非常熟悉，有時(shí)這種漏泄電流也被稱為待機(jī)電流或暗電流。即使在電源開(kāi)關(guān)關(guān)閉或設(shè)備根本沒(méi)有“上電”時(shí)，電池供電的電路中總是存在一些電導(dǎo)，所以就會(huì)發(fā)生這種現(xiàn)象。設(shè)計(jì)工程師在研發(fā)時(shí)一定要考慮漏泄電流或待機(jī)電流。大量的電子產(chǎn)品，例如移動(dòng)電話、微處理器控制的汽車音響和存儲(chǔ)器電路，即使這些設(shè)備已經(jīng)關(guān)閉，它們也會(huì)從電池吸收少量的電流。實(shí)際上，有些電子設(shè)備由于存在設(shè)計(jì)缺陷，漏泄電流過(guò)大，可能會(huì)過(guò)早地耗盡電池電量，從而使得電池壽命非常短。當(dāng)然，電子制造商的目的是保證產(chǎn)品工作，并在設(shè)計(jì)和組裝階段增加元件時(shí)進(jìn)行不斷的測(cè)試，以保證其產(chǎn)品質(zhì)量。目前要特別重視的是，設(shè)計(jì)和測(cè)試工程師需要確認(rèn)在產(chǎn)品內(nèi)的電池經(jīng)過(guò)充電，然后再關(guān)機(jī)一定的時(shí)間后，當(dāng)再次加電時(shí)還要確保能夠正常工作，不會(huì)發(fā)生電池過(guò)放電至電量耗盡。值得注意的是，許多電子設(shè)備往往被集成到大型系統(tǒng)，例如汽車上安裝的音響、時(shí)鐘和診斷計(jì)算機(jī)。而總體設(shè)備制造商，本例中為汽車廠家，將會(huì)規(guī)定某個(gè)部件能夠從電池消耗多大的漏泄電流。汽車廠家不希望由于車載電子設(shè)備的電流漏泄造成電池過(guò)放電。
測(cè)量待機(jī)泄漏電流
為了避免移動(dòng)電池在短短幾個(gè)小時(shí)后即電量耗盡，或者汽車音響在一上午就把汽車電瓶的電量耗盡，設(shè)計(jì)工程師在開(kāi)始設(shè)計(jì)階段就必須能夠測(cè)量漏泄電流。然后，在生產(chǎn)階段，測(cè)試工程師必須能夠確保產(chǎn)品在發(fā)貨時(shí)滿足其技術(shù)條件（工作時(shí)間等）。換句話說(shuō)，為了避免漏泄電流太大，就必須要確定漏泄電流的總量。
從表面看來(lái)，這項(xiàng)任務(wù)好像很簡(jiǎn)單：用一塊高質(zhì)量的數(shù)字多用表連接到相應(yīng)的端子即可測(cè)得直流電流。但是，實(shí)際上并沒(méi)有那么簡(jiǎn)單。因?yàn)樾孤╇娏魍ǔH為微安級(jí)，用傳統(tǒng)的數(shù)字多用表進(jìn)行測(cè)量并不準(zhǔn)確。不準(zhǔn)確的原因是數(shù)字多用表通常是使用一個(gè)已知阻值的分壓電阻的形式與被測(cè)電路串聯(lián)進(jìn)行測(cè)量的，這個(gè)分壓電阻也叫分流器。當(dāng)有電流通過(guò)時(shí)，數(shù)字多用表測(cè)量分流器上的壓降，然后利用歐姆定律計(jì)算電流。這種用分流器的方法會(huì)在分流器上產(chǎn)生一個(gè)電壓降，被稱為分流器電壓（請(qǐng)參見(jiàn)圖1）。根據(jù)基爾霍夫電壓定律，電路的總電壓中要減去這個(gè)電壓。所以分流器電壓就成為了誤差源。產(chǎn)生的誤差可能會(huì)達(dá)到10%。通過(guò)使用較小的分流器（或電流鉗）電阻，設(shè)計(jì)或測(cè)試工程師可減小誤差量，并且數(shù)字多用表確實(shí)通過(guò)變化分流器電阻值來(lái)提供可選的電流量程。然而，使用低電阻值分流器將減小被測(cè)電壓靈敏度，以致造成測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確或不穩(wěn)定。為了使得從分流器得到的電壓能至少可以使用zuidi的電壓量程，一般為100mV或200mV量程，1mA量程的分流器阻值要達(dá)到100Ω。若是在數(shù)字多用表采用運(yùn)算放大器I-V轉(zhuǎn)換技術(shù)，在測(cè)量小電流時(shí)作為一個(gè)安培計(jì)與電路串聯(lián)時(shí)，可以在輸入阻抗很低的同時(shí)獲得更好的測(cè)量準(zhǔn)確度（請(qǐng)參見(jiàn)圖2）。
圖1 分流萬(wàn)用表被作為安培計(jì)的電路
圖2 反饋DMM被作為小電流安培計(jì)的電路，F(xiàn)luke 8808A 就是這樣的一款工具
我們采用一個(gè)理論示范來(lái)介紹誤差。電路電源為1.2V直流，被測(cè)負(fù)載為10kΩ，計(jì)算獲得的電流為120μA。然而，當(dāng)采用了串聯(lián)分壓電阻（1kΩ）時(shí)，測(cè)得通過(guò)被測(cè)裝置的電流下降為109μA或更低。電流表的設(shè)計(jì)工程師常常會(huì)增大分壓電阻值，來(lái)改善小電流測(cè)量的靈敏度。當(dāng)分壓電阻增大時(shí)，測(cè)量誤差也會(huì)增大。新式的Fluke 8808A數(shù)字多用表在2000μA和200μA兩個(gè)量程內(nèi)采用了使用運(yùn)算放大器的“電流-電壓轉(zhuǎn)換器”。在這些量程下，運(yùn)算放大器在電路中引起的輸入阻抗非常小，并將未知的輸入電流轉(zhuǎn)換為電壓，無(wú)需大阻值的分流器電阻，從而消除了分流器電壓。所以，在選定的量程下進(jìn)行小電流測(cè)量時(shí)，其分辨率高達(dá)1nA，準(zhǔn)確度達(dá)0.03%，而負(fù)載效應(yīng)小，測(cè)量結(jié)果能夠真實(shí)反應(yīng)實(shí)際應(yīng)用情況。
推薦閱讀：
提防誤差源
在進(jìn)行小電流測(cè)量時(shí)，設(shè)計(jì)師和測(cè)試工程師應(yīng)了解可能的誤差源，以及如何消除其影響，這里有一些常見(jiàn)的故障點(diǎn)：
外部漏泄電流，例如污染引起的漏電流——污垢、油脂、助焊劑，等等。無(wú)論是被測(cè)設(shè)備、測(cè)試儀器本身，還是測(cè)試電纜或連接器，污染物都能為電流提供通路，從而引起測(cè)量誤差。在設(shè)計(jì)階段，工程師應(yīng)該在測(cè)試之前用酒精清潔所有潛在的污染表面；在組裝階段，各方面的清潔是至關(guān)重要的。一個(gè)指印也可成為一個(gè)導(dǎo)體。
任何形式的噪聲和干擾都會(huì)引起測(cè)量直流小電流讀數(shù)的誤差：
交流干擾和噪聲會(huì)使靈敏的放大器產(chǎn)生不正確的讀數(shù)?？梢圆扇V波措施，并采用同軸電纜或屏蔽雙絞線連接，以降低讀數(shù)誤差。
任何形式的交流干擾會(huì)造成測(cè)量結(jié)果的波動(dòng)。振動(dòng)也會(huì)造成導(dǎo)體相對(duì)于磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)，從而在電路中產(chǎn)生容易引起誤差的噪聲。
熱能會(huì)使分壓電阻或被測(cè)裝置中的電路中的電子產(chǎn)生隨機(jī)運(yùn)動(dòng)和碰撞，從而產(chǎn)生熱噪聲。噪聲電壓與電路中的電流和電路中的電阻值（包括被測(cè)裝置和測(cè)量電路）的平放成比例。采用低阻值的分壓電阻和反饋電阻，使用低噪聲的優(yōu)質(zhì)電阻對(duì)降低噪聲有一定作用。
現(xiàn)在已經(jīng)是電池供電的微電子時(shí)代。由于對(duì)電池性能指標(biāo)要求苛刻，待機(jī)電流測(cè)量準(zhǔn)確度的重要性也會(huì)更加明顯。如果我們能夠用標(biāo)準(zhǔn)的臺(tái)式多用表準(zhǔn)確測(cè)量實(shí)際的納安級(jí)電流，就可專心研究如何改善電池的性能。
