Как измерить небольшие колючие величины тока?

Давайте предположим, что у меня есть микроконтроллер с некоторым количеством подключенных периферийных устройств, и я хотел бы получить разумную оценку времени автономной работы. Из-за того, что время от времени он может находиться в спящем режиме, а различные периферийные устройства могут находиться в разных состояниях, моё потребление тока может варьироваться от мкА (в спящем режиме) до примерно 10 с мА (в состоянии бодрствования).

Теперь я могу подключить батарею и позволить ей разрядиться и измерить время, но это делает трудоемким и трудным (и, возможно, дорогим) сравнение различных подходов, как в прошивке, так и в аппаратном обеспечении.

Я мог бы разместить мультиметр последовательно, но даже если бы он имел регистрацию данных, то есть через некоторый интервал, и мне пришлось бы интерполировать, и я мог бы полностью пропустить изменения, меньшие, чем интервал. (Плюс нагрузка по напряжению и все такое.)

Если мое устройство достаточно спит , ток пробуждения становится незначительным, но для этого может потребоваться соотношение времени сна к времени пробуждения 1000: 1, так что это не всегда возможно во всех моделях.

Есть ли какое-то устройство, которое интегрирует ток с течением времени в очень малых количествах (например, не выходной метр Kill-a-watt)? В основном мне интересно знать, что «за последний час было потреблено 20 мАч». Бонусные баллы, если я могу получить точные измерения тока в любой момент времени, чтобы сравнить потребление тока в режиме сна и во сне.

Ну, конечно, есть специальные чувствительные к току микросхемы. В вашем случае я бы "просто" пошел с чем-то вроде:

• Используйте небольшой (например, 0,5 Ом) последовательный резистор между батареей и вашей электроникой.
• Усилить напряжение на этом резисторе с помощью инструментального усилителя.
• Зарегистрируйте это напряжение, например, используя АЦП

Проблемы:

1. низкие токи · низкое сопротивление = низкое напряжение: ваша точность измерений будет плохой из-за шума
2. Поскольку микроконтроллеры очень быстро просыпаются и одинаково быстро засыпают, частота дискретизации АЦП обязательно должна быть очень высокой.

Но, как правило, это работает и, безусловно, жизнеспособно (хотя разработка стабильного инструментального усилителя с низким уровнем шума и высоким усилением может быть нетривиальной; но: существуют существующие микросхемы instr.amp, которые делают это намного проще).

К счастью, ваша проблема довольно распространена. Итак: Многие, в том числе Texas Instruments, имеют портфель усилителей, чувствительных к току, некоторые из которых объединяют как вышеупомянутый шунтирующий резистор, так и цифровой интерфейс. Смотрите список продуктов TI .

Фактически, эти интегральные схемы способны одновременно измерять ток и напряжение питания - и это здорово, если измерять потребляемую мощность, что гораздо более важно для срока службы батареи, чем для необработанного потребляемого тока, если есть нелинейные элементы (например, Микроконтроллеры).

INA233, например, может быть подключен к внешнему шунту (скажем, 0,3 Ом) и имеет разрешение 2,5 мкВ на шаг АЦП. Это означает, что один шаг АЦП равен I = U / R = 2,5 мкВ / 0,3 Ом = 8,333 мкА по току.

Я думаю, что это устройство также имеет автоматический режим выборки и усреднения, так что вы можете легко получить хорошие приближения даже при быстро меняющейся нагрузке.

Кроме того, как я только что узнал: у устройства есть уровень «оповещения», так что вы можете активировать свою измерительную систему всякий раз, когда ток поднимается выше настраиваемого порога. Ницца! Таким образом, вам нужно только пробовать время от времени.

Есть ли какое-то устройство, которое интегрирует ток с течением времени в очень небольших количествах

Да, их несколько; самый старый - гальванический элемент (масса покрытого металлом металла представляет собой ампер-часы), патент Edison , а электролизеры (накопление газа в капиллярной трубке) использовались совсем недавно. Это в точности эквивалентно анализу батареи после длительного периода использования.

В настоящее время используют оцифровку.

Если вы ожидаете, что колебания будут быстрее, чем цифровая частота дискретизации, это поправимо. Может быть организован двухпотоковый путь тока с высокочастотной проводимостью (конденсатор), который обходит датчик тока, и параллельной низкочастотной проводимостью (индуктивность и датчик тока).

Если вы ожидаете большой длительный малый ток (который отрицает гранулярность дискретизации), это тоже можно исправить. Добавьте небольшой источник постоянного напряжения плюс белый шум к сигналу тока постоянного тока, и доля тока в долях будет вызывать (статистически) правильное цифровое накопление в течение длительного времени. АЦП с дизерингом рис. 5a. Однако часть постоянного тока добавленного сигнала должна быть откалибрована. Источники псевдослучайного шума полезны для такого рода «дизеринга».

Оцифровка и накопление в регистр (так же, как Kill-a-watt) могут работать с легко доступными компонентами, и некоторые хитрости укрощают его потенциал для неправильного измерения.

Быстро и грязно: суперкапитаторы! (Также найдите ультраконденсатор.) Они будут питать вашу систему и отображать интегрированный ток как падение напряжения со временем.

Какой процессор Vdd и / или напряжение батареи вы рассматривали? Конденсатор естественным образом интегрирует ток, и если вы используете суперконденсатор с несколькими фарадами вместо источника питания от батареи, вы можете измерить падение напряжения с течением времени и точно определить долгосрочные средние микроамперы.

Если вашей конструкции требуется постоянное значение Vdd, выберите значение суперкапа, достаточно большое, чтобы во время выполнения теста напряжение снижалось только на XX процентов. В зависимости от среднего тока, вы можете обойтись без конденсатора на несколько долларов. Например, 4,7 фарад на несколько вольт - это распространенный суперкап в избыточных каталогах. (У Sparkfun есть около десяти фарад, и максимальный размер - это 3000-фарадный колпачок Electronic Goldmine при напряжении 2,7 В.) Сложите их последовательно, чтобы получить более высокий предел напряжения.

Если вы ожидаете большой динамический диапазон, можно использовать текущее зеркало, передаваемое логарифмическим трансимпедансным усилителем, таким как LOG114. . Вы можете получить более 6 десятилетий с хорошо отлаженной схемой. Интеграция может быть настроена с помощью конденсатора после текущего зеркала.

Это более сложное решение, и разрешение при высоком токе, когда заряд батареи значительно изменяется, ниже. Точность по сравнению с прямым, пропорциональное измерение будет зависеть от доли времени, которое вы проводите при слабом токе.

Кроме того, вы можете просто пойти грубой силой с разрешением АЦП. 24 бита или 32 бита могут охватывать 4 десятилетия без проблем.

Для ваших грубых измерений (может быть +/- 10% или 20%).

Просто поместите резистор последовательно с источником питания и параллельно с конденсатором, чтобы получить достаточно большую постоянную времени, чтобы ваша частота дискретизации не пропускала значимые данные. Например, если вы производите выборку на частоте 100 Гц, вы можете выбрать постоянную времени 0,2 секунды. Вероятно, это будет электролитический конденсатор, и лучше использовать тип с низким импедансом, и вы можете подключить его к керамике 1 мкФ-10 мкФ, если импульсы короче, чем примерно 10 мкс. Значение некритично, просто оно должно быть достаточно высоким. Подберите резистор, чтобы он не падал слишком много напряжения, чтобы повлиять на работу, и в то же время выдает достаточно сигнала, чтобы вы могли получить разумное измерение.

Нет необходимости анализировать время нарастания и спада усилителей или чего-либо в этом роде - резистор и конденсатор будут работать.

Имейте в виду, что работа, которая зависит от того, является ли батарея источником низкого импеданса для ваших импульсов «spikey», выйдет из строя до того, как батарея фактически разрядится - параллельное соединение батареи с конденсатором может (иногда очень сильно) продлить срок службы - внутреннее сопротивление батареи увеличивается по мере истощения.

То, что я предлагаю, вероятно, излишне ... Но если вы обнаружите, что стандартные / дешевые решения просто не имеют достаточного динамического диапазона, или если вы регулярно проводите такие измерения, вы можете посмотреть на это очень аккуратное устройство: RocketLogger .

Это разработано и с открытым исходным кодом ETH Цюрих. Они называют его «Прецизионным регистратором данных со смешанными сигналами для портативных измерений». Это портативный регистратор тока и напряжения с очень высоким динамическим диапазоном тока, основанный на Beaglebone SBC.

• 2 × токовые каналы с высоким динамическим диапазоном от 4 нА до ± 500 мА
• 4 × Каналы напряжения, измеряющие от 13 мкВ до ± 5,5 В
• и т.д...

Отказ от ответственности: я не связан с создателями устройства.

Подсчет кулонов можно проводить путем измерения изменения накопленного заряда за счет падения напряжения от известного заряда Q = CV в течение измеренного интервала, по меньшей мере, 1 повторного цикла.

Во-первых, срок службы батареи должен быть определен в терминах минимума в единицах ватт-секунд или джоулях, чтобы можно было выбрать общую необходимую энергию жизни заряда.

Во-вторых, метод кулоновского счета должен быть достаточно точным помощью некоторого метода тестирования с короткими интервалами, например, около 1 часа, если это может усреднять повторяющиеся циклы сна и импульсной активности, чтобы эффективность программного обеспечения можно было оптимизировать для энергии.

Срок службы батареи может быть или может быть, например; 1 год первичной или 1 день вторичной между зарядками, но должен быть указан.

В-третьих , можем ли мы использовать крышку с малой утечкой для более быстрого подсчета кулонов? Например, за 1 час?
Если ожидалось, что потребление составит 20 мА / ч, а падение составит всего 0,1 В, какое значение C необходимо? C = Ic * dt / dV = 20 мА * 3600 с / 0,1 В = 700 Фарад

Если возможно, выберите деталь с таким диапазоном емкостей, например, батарею CR123A 3 В, затем проверьте метод подсчета кулонов и контролируйте напряжение.

В качестве альтернативы воспринимайте текущий и используйте текущий контент для точного подсчета кулонов отдельно от дизайна.

Часовая часть вашего вопроса делает это немного сложным - но, может быть, вам на самом деле это не нужно, если ваше устройство выполняет какие-то циклические действия (как это делает большинство встроенных устройств).

Итак, давайте пройдем полное излишество, просто чтобы показать, что вы можете купить. Keysight CX3300 позволит образец тока формы волны с до 200 МГц аналоговой полосы пропускания и 1 GSA / с. В сочетании с 256 МПа памяти вы можете получить приличную частоту дискретизации даже за час. Цена, конечно, немного высока, начиная с 33 000 долларов, а пробники - от 4 800 долларов.

Более дешевая дорога, по которой я обычно еду, - это использование моего осциллографа с токовым пробником, например, N2820A. - это обойдется вам примерно в 4200 долларов, и вы не получите достаточно аналоговой полосы пропускания (до 3 МГц), но я нахожу это действительно годный к употреблению. Это даст вам канал с измерением низкого тока и канал с измерением высокого тока, поэтому анализ требует немного ручного расчета.

Я уверен, что есть похожие предложения от разных производителей для чего-то вроде вышеупомянутых продуктов Keysight.

Поскольку мой осциллограф не имеет большого объема памяти, я обычно измеряю один цикл активности и вычисляю оттуда - наши устройства не имеют длинных циклов, так что это работает довольно хорошо.

Если мне нужно проводить длительные измерения с автоматическим расчетом Wh, я использую свой надежный Gossen Metrahit Energy , который отлично справляется даже с низкими токами. Но регистрация данных не подходит для сильно изменяющихся токов, так как частота выборки не так велика.

Пожалуйста, не поймите меня неправильно, так как я хвастаюсь о каком-то дорогом оборудовании, это указатель на то, что есть профессиональное испытательное оборудование, которое может удовлетворить требования - так как большинство других ответов сосредоточены на том, чтобы сделать это самостоятельно (что может вызвать проблемы). если вы не просто выполняете счастливые тесты для себя).

Я никоим образом не связан с Keysight или Gossen, я просто счастливый пользователь их продуктов.

Возьмите отличный ответ @ marcusmuller и передайте результаты в интегратор. обнулите крышку перед началом работы и измерьте накопленные значения мАч или uAh как напряжение постоянного тока.

Возможно, вам придется поэкспериментировать с выбором конденсатора вашего интегратора; Некоторые конструкции конденсаторов плохо впитываются или имеют внутреннее сопротивление, которое препятствует их правильному обнулению.

Я мог бы разместить мультиметр последовательно, но даже если бы он имел регистрацию данных, то есть через некоторый интервал, и мне пришлось бы интерполировать, и я мог бы полностью пропустить изменения, меньшие, чем интервал.

Таким образом, вы можете поместить фильтр низких частот в цепочку измерений, чтобы записывать среднее значение с достаточно низкой частотой:

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Для более коротких промежутков времени (секунд) вы можете использовать устройство типа µCurrent, подключенное к осциллографу.

Если ваш пиковый ток относительно не важен (например, потому что он очень короткий или потому что в нем преобладает более или менее фиксированное и известное значение, такое как пиковый ток вашего микроконтроллера), вы можете использовать шунтирующий резистор с параллельно подключенным диодом, чтобы ограничить падение напряжения. Благодаря шунту 100 Ом и параллельному SI-диоду вы можете измерять до ~ 7 мА и достигать точности в десятки мкА.

Я думаю, что ваша идея использования батареи может быть лучшим подходом, но я не уверен, почему вы говорите, что это сложно или дорого? Я уверен, что есть измерители A-Hr, которые вы можете купить, но они могут не точно измерять короткие интервалы тока, которые вас интересуют. Другой подход - это датчик тока, подключенный к осциллографу. Вероятно, это был бы наиболее точный способ охарактеризовать ток с точки зрения амплитуды и времени, но он не дал бы A-Hrs, если ваш текущий сигнал не является периодическим.

Мне пришлось решить эту проблему давным-давно с литиевыми батареями. Устройство просыпалось очень мало времени, раз в минуту. Я мог бы проверить напряжение на батарее. Проблема с литиевыми батареями в этой ситуации заключается в том, что у них очень внезапное «колено» в цикле разряда, и когда они достигают этой точки, у вас заканчивается время, и это небольшой диапазон значений.

Я фактически взял логический / аналоговый анализатор (Saleae Logic 8) и подключил его к µCurrent Gold и измерил весь текущий график и напряжение аккумулятора от полностью заряженного до полного разряда. Вы можете просто запустить скрипт Python, который подключается к интерфейсу разработки для опроса и сохранения значений. Это создает тонну данных и часто не может быть легко обработано в Excel, но вы можете по крайней мере открыть часть времени, чтобы увидеть, какой мгновенный ток был в это конкретное время.

Вот скриншот из некоторой проверки срока службы батареи, которую я делал, которая выглядит примерно так, как вы ищете:

Желтый сигнал - ток (V переводится в A). Вы можете увидеть реакцию батареи (в этом случае батарея должна быть выше макс. 5 В Logic 8). Затем, что наиболее важно, вы можете видеть, что силовые шины включаются, а затем выключаются для измерений (я фактически отправлял данные через CAT -М к нашим облачным серверам). В вашем случае вы, скорее всего, не увидите столько захватывающих вещей из-за того, что ваш рабочий цикл намного меньше (я проводил здесь ускоренное тестирование батареи, поэтому так часто)

Если вы хотите увидеть, как выглядела моя установка, я недавно написал статью о том, как проводить измерения с использованием моего оборудования, которое произвело захват выше.

Скорее всего, вы можете сделать что-то похожее с управляемым GPIB осциллографом или регистратором данных другой марки. Я просто хотел использовать то, что у меня было под рукой.

Для расширенных снимков вы также можете обратиться к справочнику по программированию Saleae для их логических анализаторов. Я также создал суть кода, который использовал здесь для создания этого захвата.

Все эти ответы и только @wbeaty упомянули очевидный. Устройство, которое объединяет ток со временем? А как насчет I = C dV / dt?

Если потребление тока достаточно низкое, нескольких конденсаторов может быть более чем достаточно, но для более высоких токов потребуется суперконденсатор. Регулировка конденсаторов для получения разумного падения в разумные сроки. Схема, подобная приведенной ниже, сделает свое дело.

^{смоделировать эту схему - схема, созданная с использованием CircuitLab}

Емкостный делитель предназначен для того, чтобы избежать удаления тока из узла. Он может быть предварительно заряжен для подачи питания через периферийный контакт для установления начального состояния, а затем периодически измеряться для считывания скорости разряда. Одна проблема с этой схемой состоит в том, что выходное напряжение будет изменяться, что может означать переменную нагрузку.

Чтобы избежать этой проблемы и для регулируемой универсальной схемы с разумными размерами компонентов, вместо этого можно использовать активный множитель емкости, как схематическая схема ниже. Некоторая калибровка с известными нагрузками, и у вас есть изготовленный на заказ расходомер.

^{смоделировать эту схему}